多路输出线性直流稳压电源设计解读.docx

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多路输出线性直流稳压电源设计解读

多路输出线性直流稳压电源设计

设计总说明

随着电子技术迅速发展，对电子设备的电源要求越来越高。

几乎所有电子设备中都需要稳定的直流电源。

稳压电源具有体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等优点，所以被广泛的作为各种晶体管仪器、仪表,教学、自动控制系统与设备的直流电源。

目前国产直流稳压电源按集成稳压器种类主要可以分成线性稳压电源和开关稳压电源两大类。

该线性直流稳压电源输入为220V交流电，输出为±5V和+12V三路直流。

电路主要由四部分构成，即电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

本文介绍了电源的分类、特点和发展现状，详细分析了变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分的方案选择及元器件的计算，给出了硬件设计电路原理图和PCB图，最后完成了电源调试，实现了基本功能。

关键词：

稳压电源，protel,调试

DesignofMultipleOutputLinearDCPowerRegulatedSupply

DesignDescription

Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,powerelectronicdeviceshavebecomeincreasinglydemanding.AlmostallelectronicdevicesrequireastableDCpowersupply.Regulatedpowersupplycharacterizessmallvolume,lightweight,facilitativeandreliable,sowidelyusedastheDCpowersupplyofvarioustransistordevices,instruments,educationandautomaticcontrolsystemsandequipment.CurrentdomesticDCpowersupplycanbedividedintolinearregulatedpowersupplyandswitchingpowersupplyaccordingtotypesofintegratedvoltageregulators.

ThelinearDCpowersupplyhasone220VACinput,threeDCoutputs（±5Vand+12V）.Circuitmainlyconsistsoffourparts,namely,powertransformer,rectifiercircuits,filteringcircuits,andregulatorcircuits.Thisarticledescribestheclassification,characteristicsanddevelopmentofpower,andadetailedanalysisoftheprogramchoiceofthefourpartscircuitsandthecalculationofselectedcomponentsaregiven.ThehardwareschematiccircuitdiagramandPCBdiagramarepresented,andthebasicfunctionsareimplementedthroughdebugging,.

Keywords：

regulatedpowersupply，protel，debug

1.绪论

1.1电源概述

把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。

发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的）,电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流（压）消了.干电池等叫做电源。

通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。

能提供信号的电子设备叫做信号源。

晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。

晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。

整流电源、信号源有时也叫做电源。

1.1.1电源分类

（一）交流稳压电源

能够提供一个稳定电压和频率的电源称交流稳定电源。

目前国内多数厂家所做的工作是交流电压稳定。

（1）参数调整（谐振）型

这类稳压电源，稳压的基本原理是LC串联谐振,早期出现的磁饱和型稳压器就属于这一类.它的优点是结构简单,无众多的元器件,可靠性相当高稳压范围相当宽,抗干扰和抗过载能力强.缺点是能耗大、噪声大、笨重且造价高。

　　在磁饱和原理的基础上的发育进形成的参数稳压器和我国50年代已流行的“磁放大器调整型电子交流稳压器”（即614型）均属此类原理的交流稳压器。

（2）自耦（变比）调整型

1、机械调压型，即以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的的绕组滑动面上移动，改变Vo对Vi的比值，以实现输出电压的调整和稳定。

该种稳压器可以从几百瓦到几千瓦。

它的特点是结构简单，造价低，输出波形失真小；但由于炭刷滑动接点易产生电火花，造成电刷损坏以至烧毁而失效；且电压调整速度慢。

　　2、改变抽头型，将自耦变压器做成多个固定抽头，通过继电器或可控硅（固态继电器）做为开关器10件，自动改变抽头位置，从而实现输出电压的稳定。

　　该种型稳压器优点是电路简单，稳压范围宽（130V-280V），效率高（≥95%），价格低。

而缺点是稳压精度低（±8～10%）工作寿命短，它适用于家庭给空调器供电。

　　三相交流净化稳压电源是一种高性能新型电子工业式交流电源稳压设备，是目前国际上流行的性能比较优越的交流稳压电源品种之一，被广泛应用于高精尖电器设备和常规用电设备的供电稳压。

美国已将净化电源应用于军事和航天等需要高可靠和高稳定交流电源的场合。

　　它用补偿环节实现输出电压的稳定，易实现微机控制。

它的优点是抗干扰性能好，稳压精度高（≤±1%）、响应快（40～60ms）、电路简单、工作可靠。

缺点是：

带计算机，程控交换机等非线性负载时有低频振荡现象；输入侧电流失真度大，源功率因数较低；输出电压对输入电压有相移。

对抗干扰功能要求较高的单位，在城市里应用为宜，计算机供电时，必须选用计算机总功率的2-3倍左右稳压器来使用。

因具有稳压、抗干扰，响应速度快、价格适中等优点，所以应用广泛。

（3）开关型交流稳压电源

它应用于高频脉宽调制技术，与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入侧同上频、同相的交流电压。

它的输出电压波型有准方波、梯型波、正弦波等，市场上的不间断电源（UPS）抽掉其中的蓄电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源的稳压性好，控制功能强，易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。

但因其电路复杂，价格较高，所以推广较慢。

（二）直流稳压电源

直流稳压电源按习惯可分为化学电源，线性稳压电源和开关型稳压电源。

（1）化学电源

我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。

随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。

（2）线性稳压电源

线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。

由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。

而且由于变压器工作在工频（50Hz）上,所以重量较大。

　　该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。

缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。

这类稳压电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。

从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。

从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。

（3）开关型直流稳压电源

与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。

它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。

功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。

　　开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P）,好的可做到十几mV（P-P）或更小）。

它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。

价位为3元－十几万元/瓦，下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：

　　①AC/DC电源

　该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个

直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦－几千瓦均有产品，用于不同场合。

属此类产品的规格型号繁多，据用户

需要而定通信电源中的一次电源（AC220输入，DC48V或24V输出）也属此类.

②DC/DC电源

在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。

　　③通信电源

　　通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源，只是它一般以直流－48V或－24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。

　　④电台电源

　　电台电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定,几安几百安均有产品.为防止AC电网断电影响电台工作,而需要有电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能。

⑤模块电源

随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。

目前，目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。

　　DC/DC模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。

　　⑥特种电源

　　高电压小电流电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。

开关电源的价位一般在2-8元/瓦特殊小功率和大功率电源价格稍高，可达11-13元/瓦。

1.1.2直流稳压电源的技术指标

直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：

一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。

（一）特性指标

（1）输出电压范围

　　符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。

该指标的上限是由最大输入电压和最小输入－输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。

（2）最大输入－输出电压差

该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。

（3）最小输入－输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入－输出之间的电压差值。

（4）输出负载电流范围

输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。

（二）质量指标

（1）电压调整率SV

　　电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化时直流稳压电源输出电压VO稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。

（2）电流调整率SI

　　电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。

它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。

　　（3）纹波抑制比SR

　　纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰－峰值与输出纹波电压峰－峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。

　　（4）温度稳定性K

集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（Tmin≤Ti≤Tmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。

1.2直流稳压电源的发展现状

电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。

自六十年代起，第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。

随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。

现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。

以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。

我国在此方面的起步较晚，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅

速。

在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。

因此，直流稳压电源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距。

2.方案论证

2.1设计要求

2.1.1基本要求

（1）稳压电源：

在输入电压（220±44）V、（50）Hz

a．可固定输出

±5V2A

+12V1A

b.电压调整率Sv≤0.2%

　　　c.纹波电压:

∆Vop–p≤5mV

2.1.2扩展要求

具有过流保护功能。

2.2方案比较

2.2.1总体设计方案比较

稳压电源的设计可以通过几种方法实现，根据具体的设计要求，通过比较论证来确定我们到底要用哪个方案。

方案一：

采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出±5V、+12V电压。

如图2-1所示。

但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响很大，因此所设计的指标不高，而且使用的器件较多，连接复杂，体积较大，供耗也大，给焊接带来了麻烦，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度也受到影响。

图2-1直流稳压电源基本组成框图

方案二：

采用FPGA作为控制器的简易数控直流电源设计方案如图2-2所示。

设计方案采用FPGA作为控制器完成数控部分、键盘、显示器接口控制。

输出部分采用D/A0832与运算放大器UA714，输出电压波形由FPGA的输出数据控制，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。

显示数据由FPGA提供。

利用软件和硬件结合的方法来设计稳压电源，

其精度和稳定性都有所提高；但是，采用FPGA来设计的成本很高，性价比很差。

BCD→HED

图2-2采用FPGA的简易数控直流电源设计方案

方案比较：

以上两种方案均可以达到输出稳压电源的要求。

方案一是利用纯硬件来实现其功能的，方案二是以FPGA为核心控制器件，采用软硬件结合来实现的。

方案一的成本要比方案二低很多，性价比也比方案二好很多；但是方案一的稳定性和精度都没方案二要高，而且方案二还可以用ModelsimXE5.3d软件进行仿真和调试等。

设计人员可以充分利用VHDL硬件描述语言方便的编程，提高开发效率，缩短研发周期,易于进行功能的扩展，实现方法灵活，调试方便，修改容易。

但考虑到稳压电源的实用性，虽然方案一的精度和稳定度不及用FPGA来实现的精度和稳定度高,但是用于做稳压电源已足够了.我们采用第一种方案来进行稳压电源的设计。

2.2.2各模块方案选择和论证

（1）变压器选择模块

变压器是一种变换电压的静止电器。

它是靠电磁感应原理把某种频率的电压变换成同频率的另一种或多种数值不等（或相等）电压的功率传输装置。

由于设计中要求可以输出正、负稳定电压，则对于每一种需要固定输出的电压，都必须由输出电压极性相反的两片集成稳压器实现。

而两芯片输入端需要分别加上极性相反的电压，所以在选择变压器时，有两种方案：

方案一：

选用两个变压器，然后把一个变压器的负极和另一个变压器的正极连接起来作为参考地（即电势为0）。

如图2-3（a）所示。

方案二：

选用一个带中间抽头的变压器，从中间抽头引出一条线作为参考地。

如图2-3（b）所示。

方案比较：

由于变压器的体积比较大，所以在电路中应尽量避免使用太多变压器，另外带中间抽头的变压器也非常常见，经分析选用方案二。

（a）带中间抽头的变压器（b）普通变压器

图2-3变压器的基本连接

（2）整流电路模块

整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。

但是这种直流电的幅值变化很大。

它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。

所以在选择整流电路时，有三种方案：

方案一：

半波整流电路如图2-4（a）所示，u正半周，Va>Vb，二极管D导通；u负半周，Va

方案二：

全波整流电路如图2-4（b）所示，u正半周时，D1导通，D2截止。

u负半周时，D2导通，D1截止。

方案三：

桥式整流电路如图2-4（c）所示，u正半周时，D1、D4导通，D2、D3截止。

u负半周时，D2、D3导通，D1、D4截止。

（a）半波整流电路（b）全波整流电路

（c）桥式整流电路

图2-4整流电路的几种形式

表2-1三种整流电路参数

半波整流电路

全波整流电路

桥式整流电路

由表2-1可知，桥式整流电路的纹波电压小，输出电压比较高，晶体管所承受的最大反向电压较低。

同时，因电源变压器在正、负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，所以我们选取桥式整流电路实现设计中的整流功能。

（3）滤波电路模块

交流电经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：

滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。

对于滤波电路的选择有以下两种方案。

方案一：

采用电感滤波电路，如图2-5（c）。

由于电感在电路中有储能的作用，在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感有平波的作用。

在电感滤波电路中，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰。

一般用只用在低电压、大电流场合。

方案二：

采用电容滤波电路，如图2-5（a）、（b）。

由于电容在电路中也有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，也就是电容具有平波的作用。

电容滤波电路简单，负载直流电压比较高，纹波也较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。

基于以上的分析，选用方案二。

（a）C型滤波电路（b）倒L型滤波电路（c）π型滤波电路

图2-5　滤波电路的基本形式

（4）稳压电路模块

稳压电路主要用于提供更加稳定的直流电源。

考虑整流滤波电路的输出电压和理想直流电源还有相当的距离，主要存在两个方面的问题：

第一，当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随之发生变化；第二，当电网电压波动时，整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也响应的发生变化。

因此，在系统中采用三端集成稳压器来实现其功能。

三端集成稳压器的组成框图如2-6所示。

图2-6三端集成稳压器的组成

其中，调整管接在输入端与输出端之间，当电网电压或负载电流波动时，调整自身的集—射压降使输出电压基本保持不变。

放大基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极。

放大倍数越大，则稳定性能越好。

由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电路的一种，而串联型直流稳压电路的输出电压与基准电压成正比，因此，基准电压的稳定性将直接影响稳压电路的输出电压的稳定性。

采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端。

启动电路的作用是在刚接通电流输入电压的时，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被短开，一面影响稳压电路的性能。

保护电路主要起到限流保护。

3.硬件电路设计

3.1Protel概述

此次设计采用了Protel软件。

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。

早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

图3-1Protel软件界面

3.2硬件的基本组成

本设计是一个可实现固定输出稳压电源，在设计中运用了降压整流滤波技术和稳压输出技术，所以系统可分为降压整流滤波部分和稳压输出电路部分。

降压整流滤波部分：

系统利用带中间抽头的变压器，实现降压并同时输出正、负电压的作用，然后通过单相桥式整流、电容滤波电路，输出纹波较小的直流电压，驱动下一级的稳压电路。

稳压电路部分：

采用分立的元器件组成稳压电路，原理与三端集成稳压器

相似，也由启动电路、基准电源、放大电路、采样电路和调整管几部分组成。

3.3电路设计及元器件选择

3.3.1变压器

本次毕业设计的要求是输出±5伏和+12伏的三路