集成直流稳压电源的设计本科论文.docx

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集成直流稳压电源的设计本科论文

目录

开题报告

一、研究的目的和意义...............................................1

二、电源的应用和发展状况...........................................1

三、本设计的主攻方向...............................................2

四、主要阶段与完成时间.............................................2

五、参考文献.......................................................3

摘要

第一章绪论

1.1直流稳压电源概述...............................................1

1.2本设计研究的主要内容...........................................2

第二章总体设计

2.1设计的目的和任务...............................................3

2.1.1设计目的....................................................3

2.1.2设计任务....................................................3

2.2设计原理及其方案图.............................................3

2.2.1设计原理....................................................3

2.2.2总体设计方案图及其参数计算..................................7

第三章单元电路设计

3.1整流电路的设计.................................................10

3.1.1单相桥式整流电路............................................10

3.2滤波电路的设计.................................................11

3.3稳压电路的设计.................................................14

3.3.1固定式三端稳压器............................................14

3.3.2可调式三端稳压器............................................15

3.3.3稳压器的主要性能指标及测试方法..............................16

第四章电路安装与指标测试....................................18第五章串联型开关稳压电源....................................19

5.1电路组成.......................................................19

5.2工作原理.......................................................19

结束语............................................................21

致谢..............................................................22

参考文献.........................................................23

附表..............................................................24

开题报告

题目：

“集成直流稳压电源的设计”

姓名：

黄泽晟学号：

20079450118指导老师：

管金云

一、研究的目的和意义

现在社会在进步，社会在向前发展，只有掌握先进的技术，并有一定的动手能力和设计能力才能在激烈的社会大潮中站得住脚；所以我们选题直流稳压电源的目的，一方面加深对直流稳压电源了解；另一方面巩固所学的知识，提高自己的动手制作能力和设计能力。

同时为我们以后学习相关专业知识打下基础和积累经验，并且对我们以后的工作也又帮助。

二、电源的应用和发展现状

电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。

交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源。

直流电源又分为两类：

一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，本文不做具体介绍；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。

现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。

220V、50HZ的单向交流电源经电源变压器降压后，再经过整流滤波可获得低电压小功率直流电源。

然而，由于电网电压可以有±10%变化。

为此必须将整流滤波后的直流电压由稳压电路稳定后再提供给负载，使负载上直流电源电压受上述因素的影响程度达到最小。

直流电源电压系统一般由四部分组成，它们分别是电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

其系统结构如图所示。

图中各部分的功能如下：

1）电源变压器：

将交流电网所提供220V的电压变换成符合整流需要的交流电压。

2）整流电路：

利用具有单向导电性的元件如二极管，将正负交替的正弦交流电压变换成但方向脉动的直流电压。

3）滤波电路：

利用电感、电容等储能元件，尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使之输出比较平滑的直流电压。

4）稳压电路：

采用某种措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流波动时保持稳定。

三、本设计的主攻方向

利用变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。

同时，要求掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

五、参考文献

[1]RobertB.Northrop,AnalogElectronicCircuits.Addison-WeseldyPublishingCompany,NewYork.1990

[2]PualHorowitzandWinfieldHill,TheArtofElectronices.2nded.CambridgeUniversityPress,1989

[3]MarkN.Horenstein.MicroelectronicCircuitsandDevices.2nded.,Prentice-HallIne,NewYork.1996

[4]P.R.GrayandR.G.Meyer.AnalysisandDesignofAnalagIntegratedCircuits.3rdJohnWiley&Sons,NewYork.1993

[5]U.TietzeCh.Schenk,Halbleiter-Schaltungstechnik,ZehnteAuflage,Springer-Verlag,Berlin.1993

[6]吴慎山主编.《电子线路设计与实践》.北京：

电子工业出版社.

[7]李万臣主编.《模拟电子线路设计、仿真、编程与实践》.哈尔滨：

哈尔滨工程大学出版社.

[8]臧春华主编.《电子线路设计与应用》.北京：

高等教育出版社.

[9]林红,周鑫霞主编.《模拟电路基础》.北京：

清华大学出版社.

[10]林家儒主编.《电子电路基础》.北京：

北京邮电大学出版社.

[11]【日】户川活朗著.《实用电源电路设计——从整流电路到开关稳压器》.北京：

科学出版社.

[12]杨毅德主编.《模拟电路》.重庆：

重庆大学出版社.

[13]李万臣主编.《模拟电子技术基础试验与课程设计》.哈尔滨：

哈尔滨工程大学出版社.

[14]赵家贵主编.《电子电路设计》.北京：

中国计量出版社.

[15]谭中华主编.《模拟电子线路》.北京：

电子工业出版社.

[16]谢自美主编.《电子线路设计、实验与测试》.武汉：

华中科技大学出版社.

[17]谢红主编.《模拟电子技术基础》.哈尔滨：

哈尔滨工程大学出版社.

[18]陶桓齐，张小华，彭其圣主编.《模拟电子技术》.武汉：

华中科技大学出版社.

[19]康华光主编.《电子技术基础》.北京：

高等教育出版社.

[20]衣承斌，刘京南主编.《模拟集成电子技术基础》.南京：

东南大学出版社.

集成直流稳压电源的设计

摘要：

随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。

电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。

对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。

本设计主要用串联型稳压电路设计直流稳压电源，通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。

关键词：

直流；稳压电源；串联型线性稳压；开关式稳压电源

TheDesignOfStabileDirectCurrentPowerSupply

Abstract:

Alongwithtechnicaldevelopment,theelectricityandelectronicinstrumentshavealreadybeenwidespreadappliedindaily,scientificresearch,studyandsooneachaspect.Sincethepowersupplytakestheessentialenergy-supplypartofelectricalandelectronicinstruments,itsdemandincreasesdaybyday,andalsobeensetahigherrequesttofunction,stabilityandsooneachtarget.Thepowersupplyresearchhasalreadybecometheimportantlinktothedevelopmentofthenewtechnologyandthenewequipment.It’splayingthevitalroleintheimpetusofscienceandtechnologydevelopment.Thisdesignmainlyusesserieslinearconstantvoltagecircuittodesigndirectcurrentconstantvoltagepowersupply.Wemustcalculatevariouseachcomponentparameterinthecircuitsbycorrelatedknowledgeandenablethecircuitperformancetomeetinthedesignrequirementssuchasthevoltageregulationrate,thecurrentregulationrate,loadregulationrate,ripplevoltageandsoon.

KeyWords:

Directcurrent;Regulatedpowersupply;Serieslinearconstantvoltage;Switchtyperegulatedpowersuppply

第一章绪论

1.1直流稳压电源概述

在电子电路及电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，作为电子电路中必不可少的组成部分，它的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电路能量来源。

常见的供电方式有两种，一种是采用干电池、蓄电池或其他形式如光电池等向电路供电，这种供电方式是用化学能或其他形式的能量转化为电能之后，向电路提供能量，其缺陷在于能量的使用要受实际条件（如电池的容量）的限制；另一种是利用电网向电路供电，这种供电方式是把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后，转化为直流电向电路提供能量，其优势在于电网所提供的能量是源源不断的。

小功率稳压电源的组成可以用图1.1表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

图1.1直流稳压电源结构图和稳压过程

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

当负载要求功率较大、效率高时，常采用开关稳压电源。

在电子设备中，所需的直流电能比较小，一般在千瓦以下，但要求电压的稳定性较高。

通常对直流电源的要求是：

输出电压稳定、纹波小、负载能力强等。

直流电源的性能指标主要有如下几个参数：

（1）输入电压Ui。

电源所要求的（交流）输入电压，在我国一般是220V、50Hz的交流电。

（2）额定输出电压U0。

电源输出的直流电压值，可变电源为某个范围值。

（3）最大输出电流IM。

电源在额定输出电压U0，所能提供的最大输出电流。

有时也用最大输出功率PM来表示。

（4）纹波系数S。

电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压之比，它反应了输出电压的稳定程度。

本设计主要讨论的是把电网电压的单相交流电转换为直流电源的方法、实现的电路及直流电源的性能指标。

最后简单介绍开关型稳压电源的电路组成原理及分析方法。

1.2本文研究的主要内容

通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源；掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

设计基本要求：

1、根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。

2、完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。

3、完成电路的安装、调试，使作品能达到预定的技术指标。

4、给出测试各项技术指标的方法（包括所使用的仪器），撰写测试报告及使用说明书。

第二章总体设计

2.1设计的目的和任务

2.1.1设计目的

1、通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源；

2、掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

2.1.2设计任务

<1>集成稳压电源的主要技术指标

（1）输出电压：

±15V（最大输出电流1A）；

5~12V可调（最大输出电流1A）。

（2）稳压系数小于5×1‰，输出内阻小于0.1欧。

（3）纹波电压小于5mV。

（4）具有过流保护功能。

（5）具有输出电压指示功能。

<2>设计要求

（1）根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。

（2）完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。

（3）完成电路的安装、调试，使作品能达到预期的技术指标。

（4）给出测试各项技术指标的方法，撰写测试报告。

2.2设计原理及其方案图

2.2.1设计原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图和基本应用电路如图2-1和图2-2所示。

各部分电路的作用如下：

图2-1直流稳压电源基本组成框图

图2-2直流稳压电源基本应用电路

（1）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。

变压器副边与原边的功率比为

P2/P1=η

式中η为变压器的效率。

一般小型变压器的效率如表2-3所示。

表2-3小型变压器的效率

通过上表可以算出变压器原边的功率P1。

（2）整流滤波电路

整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压UI。

常用的整流滤波电路有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流滤波电路如图2-4（a）、（b）及（c）所示。

图2-4几种常见整流滤波电路

各滤波电容C满足：

RL1C=（3~5）T/2

式中T为输出交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。

（3）三端集成稳压器

常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。

①固定式集成稳压器

正压系列：

78××系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。

一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。

78××系列又分三个子系列，即78××、78M××和78L××。

其差别只在输出电流和外形，78××输出电流为1.5A，78M××输出电流为0.5A，78L××输出电流为0.1A。

负压系列：

79××系列与78××系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。

78××系列和79××系列的典型电路如图2-5（a）、（b）、（c）所示。

图2-5固定三端稳压器的典型应用

②可调式三端集成稳压器

正压系列：

W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。

其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。

最大输出电路为1.5A。

其典型如图2-6所示，其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，输出电压U0的表达式为：

U0≈1.25（1+RP/R1）

式中，R1一般取值为（120~240欧），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA。

负压系列：

W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。

图2-6可调式三端稳压器的典型应用

③集成稳压器的电流扩展

若想连续输出1A以上的电流，可采用图2-7所示的加接三极管增大电流的方法。

图中VT1称为扩流功率管，应选大功率三极管。

VT2为过流保护三极管，正常工作时该管为截止状态。

三极管VT1的直流电流放大倍数β必须满足β≥I1/I0。

另外，I1的最大值由VT1的额定值决定，如需更大的电流，可把三极管接成达林顿管方式。

图2-7输出电流扩展电路

可以得出输出电流为：

IL=I0+I1

但这时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保护电路，这就是VT2和R2。

当电流Ii和R2上产生的电压降达到VT2的UBE2时，VT2导通，于是向VT1基极注入电流，使VT1关断，从而达到限制电流的目的。

保护电路的动作点是：

Ilmax≈Iimax=UBE2/R2

三极管的UBE2具有负温度系数，设定R2数值时，必须考虑此温度系数。

以上通过采用外接功率管VT1的方法，达到扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。

若希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流。

2.2.2总体设计方案图

<1>同时输出±15V电压的稳压电路

图2-8同时输出±15V电压的稳压电路

<2>输出5~12V可调的稳压电路

图2-9输出5~12V可调的稳压电路

1.器件选择

电路参数计算如下。

（1）确定稳压电路的最低输入直流电压UImin

UImin≈［UOmax+（UI－UO）min]/0.9

代入各指标，计算得：

UImin≥[12+3]/0.9＝16.67V

所以取值17V。

（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率

UI≥UImax/1.1，II≥IImax

所以取II为1.1A。

UI≥17/1.1＝15.5V变压器副边功率P2≥17W

变压器的效率η＝0.7，则原边功率PI≥24.3W。

由上分析，可选购副边电压为16V，输出1.1A，功率30W的变压器。

（3）选整流二极管及滤波电容

因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。

已知整流二极管1N5401，其极限参数为URM＝50V，ID＝5A。

滤波电容：

C1≈（3~5）T×IImax/2UImin＝（1941~3235）μF

故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。

2.稳压器功耗估算

当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即

UImax＝1.1×1.1×16＝19.36V

所以稳压器承受的最大压差为：

19.36－5≈15V

最大功耗为：

UImax×IImax＝15×1.1＝16.5W

故应选用散热功率≥16.5W的散热器。

3.其他措施

如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2。

接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器RP两端的纹波电压。

当C3的容量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB，减少原来的1/10。

另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中存储的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。

为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管VD2。

W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作。

但当输出端有500~5000pF的容性负载时，就容易发生自激。

为了抑制自激，在输出端