直流稳压电源说明书.docx

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直流稳压电源说明书

中北大学

课程设计说明书

学生姓名:

 张森文

学号：

1106024241 

学院:

 仪器与电子学院

专业:

 微电子科学与工程

题目:

直流稳压电源电路设计

指导教师：

王红亮职称:

副教授

2014年1月5日

目录

1、课程设计目的............................................1

2、课程设计内容和要求......................................1

2.1、设计内容.......................................................1

2.2、设计要求.......................................................1

3、 设计方案及实现情况.....................................1

3.1、设计思路.......................................................1

3.2、工作原理及框图.................................................2

3.3、硬件电路原理图.................................................6

3.4、PCB版图设计....................................................7

4、课程设计总结............................................8

5、参考文献................................................8

1、设计目的

（1）掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；

（2）学习简单电路系统设计，掌握Protel99或其它工具软件的使用方法；

（3）了解直流稳压电源电路的基本原理及相关模块逻辑功能和使用方法；

（4）学习掌握硬件电路设计的全过程。

2、设计内容和要求

2.1、设计内容

设计一个直流稳压电源。

2.2、设计要求

（1）查阅所用器件技术资料，详细说明设计的直流稳压电源电路工作流程；

（2）输入交流220V，f=50Hz；输出3V～12V线性变化且可调，输出电流≤1A，

（3）稳压系数Sr≤0.01，纹波电压≤30mV；

（4）具有过电流及短路保护功能

3、设计方案及实现情况

3.1、设计思路

（1）直流稳压电源的基本原理：

线性稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波电路及稳压电路组成，基本框图1所示：

图1直流稳压电源的基本框图

过程：

输入交流220V，f=50Hz后，为了得到3V～12V线性变化输出电压，必须先经过电源变压器将输入电压变为所需要的交流电压，然后经过整流电路变成单向直流电压，单向直流电压经过滤波电路后变成较平滑单向直流电压，最后经过稳压电路，得到的是稳定的输出电压，而且随输入交流电压或者负载电阻变化都基本保持稳定。

3.2、工作原理及框图

1、电源变压器：

电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。

变压器的副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η为变压器的效率。

这里的变压器是是降压变压器，将220V，f=50Hz的交流电压变换成符合所需的交流电压。

此外，变压器还能将外输入电压与直流电源隔离开。

2、整流电路：

将变压后的交流电压转变为单向脉动电压。

变换后的电压不能直接给负载供电，因为脉动电压有较大的纹波波动，会影响负载的性能指标。

整流电路有三相半波整流电路和三相桥式整流电路。

三项桥式整流电路的输出平均电压高，电压脉动小，品质因数高，因此多用桥式整流电路。

3、滤波电路：

将由整流电路输出的单向脉动电压进行平滑，滤除掉大部分交流，得到平滑的直流电压。

滤波部分是个低通滤波器，通常有电容滤波、电感滤波、电阻电容滤波等。

4、稳压电路：

尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

（1）稳压电源性能指标及测试方法

1、稳压系数：

在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即

2、纹波电压：

最大纹波电压在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值大小，通常以峰—峰值或有效值表示。

纹波系数γ在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比

（2）电路选择

1、变压器电源变压器T的作用是将输入220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。

根据需要，我们选取了15V的变压器。

2、整流电路：

全波桥式整流电路

全波桥式整流电路如图2所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。

图3所示为该电路的简化画法。

图2全波桥式整流电路图3全波桥式整流电路简化画法

该电路工作原理：

参见图2，设变压器次级电压U2=U2msint=

U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。

在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。

U2和UL的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为

图4全波整流电路的波形

UL0=2U2m/=

U2≈0.9U2

其纹波系数为

式中，UL为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为

由公式通过计算可得≈0.48。

由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。

全波整流电路中的二极管安全工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。

由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有

IF＞ID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL

b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即

UR＞URM=

U2

3、滤波电路:

电感滤波是利用电感对脉动电流产生反电动势，阻碍电流变化来实现的，电感越大，滤波效果越好。

它一般用于负载电流大、对滤波要求不高的场台。

RC滤波电路是电阻和电容连接使用的滤波电路，由于电阻会降低一部分直流电压，直流输出电压会减小，因此只适用于小电流电路。

电容滤波是利用电容的充放电作用使整流输出电压变得平稳，而且电压幅值升高，滤波效果好，适于各种整流电路。

滤波电容的选择主要是种类和容量、耐压值的确定。

一般当整流输出电流大时，必须用电解电容滤波稳压；输出电流小时，用一般电容或电解电容滤波都可以。

本题要求输出电路为1A，输出电流较大，故选用电解电容滤波稳压。

整流滤波电路对电容器的容量和耐压值要求不是太高，一般根据输出电流大小估算电容器的容量，输出电流大，容量就大；电流小，容量就小。

但是，容量太大会降低输出电压值，太小则会导致电压脉动大、不稳定。

耐压值一般取所接电路工作电压的1.5～2倍，容量确定可参考表1。

表1输出电流和滤波电容容量的关系

输出电流

<50mA

0.05~0.1A

0.1~0.5A

0.5~1A

1.5~2A

2~5A

电容量（uF）

200

200~500

500

1000

2000

4000

由上表可得所需的滤波电容容量为1000uF。

滤波电路如图所示

图5滤波电路

4、整流电路：

稳压器有简易开关电源稳压器、低压稳压器、三端正可调稳压器、精密基准电压源等等。

稳压电路有分立元件稳压电路和集成稳压电路2种，其中集成稳压电路主要用于低电压小电流的整流电路，具有体积小，电路简单，稳压精度高，使用调试方便等特点。

由于题目要求输出3~12V线性变化且可调电压，因此选择三端可调式集成稳压器。

三端可调式集成稳压器常见的有CW317、CW337、LM317（LM117，LM217三者工作结温不同）、LM337。

其中317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流

为1.5A。

稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。

其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。

本题要求最大输出电流为1A，因此可以选用LM317组成稳压电路，LM317稳压器的一些特点如下：

输出电压可调范围：

1.2V～37V

输出负载电流：

1.5A

输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：

3～40V

LM317典型电路见图6

图6LM317典型电路

其输出电压Uo＝1.25（1＋R2/R1）。

R2为可调电阻。

当输出电压为Uomin=3V时，令R1=200Ω，得R2=280，其阻值R2=280Ω；当输出电压为Uomax=12V时，令R1=200Ω，因此加个电阻R3，与R2串联，得R2+R3=1720Ω，因此R3=1440Ω。

故可调电阻R3的阻值为1440Ω。

（3）元器件选择

电阻器：

R1选用200Ω的金属膜电阻器;R2选用280Ω的金属膜电阻器。

可调电阻器：

选用多圈线绕电位器，阻值为0-1440Ω。

电容器：

C1选用耐压值为20V容量为1000uF的铝电解电容器；C2选用容量为0.1uF的涤纶电容器;C3选用耐压值20V容量为100uF的铝电解电容器；C4选用耐压值为20V容量为100uF的涤纶电容器。

稳压器：

选用LM317（117,217）三端稳压集成芯片。

二极管：

整流电路部分和D1均选用1N4002或lN4004型整流二极管。

变压器：

选用20-30w、二次电压为15V的电源变压器。

3.3、硬件电路原理图

（1）原理图

图7电路原理图

（2）仿真测试

1变阻器阻值为0时输出电压3.07V，输出电流为3.07mA。

见图8

图8变阻器0%时，仿真结果图

2变阻器阻值为720Ω（50%）时输出电压7.69V，输出电流为7.69mA。

见图9

图9变阻器50%时，仿真结果图

3变阻器1440Ω（100%）时输出电压为12.3V，输出电流为12.3mA。

见图10

图10变阻器100%时，仿真结果图

3.4、PCB版图设计

图11AD原理图

图12ADPCB图

4、课程设计总结

在本次课程设计当中，需要我们熟悉元器件的特性以及应用方法。

虽然是在书本上学到的，但在实际操作运用中还存在很多问题。

比如仿真软件altiumdesigner（protel99se），平常没怎么用过，一到用时手忙脚乱，经常出错。

这次课设，让我意识到了将学与用相结合，促进所学的灵活运用，才是重点。

本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高。

5、主要参考文献

（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：

高等教育出版社，2002

（2）张建华．数字电子技术．北京：

机械工业出版社，2004

（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：

机械工业出版社，2005

（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：

机械工业出版社，2005

（5）潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：

西安电子科技大学出版社，2002

（6）张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：

航空工业出版社