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稳压电源设计与实现
聊城大学东昌学院
本科生毕业论文（设计）
题 目：
线性直流稳压电源的设计与实现
专业代码：
080251
作者姓名：
凌云志
学 号：
20100020683
单 位：
聊城大学东昌学院
指导教师：
张雪
2014年5月3日
原创性声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学东昌学院或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名：
日期
指导教师签名：
日期
目录
前言１
1.稳压电源主电路设计１
1.1电源主电路设计１
1.3整流电路２
1.4滤波电路２
1.5稳压电路３
1.6输出电流放大电路３
2.元器件参数设计４
2.1变压器设计４
2.1.1电源变压器的铁芯４
2.1.2电源变压器的简易设计４
2.1.4变压器的铁芯与绕组６
2.1.5额定电压U1和U2６
2.1.6额定电流I1和I2６
2.1.7额定频率６
2.2散热片设计７
2.2.1散热片底部厚度７
2.2.2鳍片形状８
2.2.3鳍片角度鳍片角度约三度８
2.2.4鳍片厚度８
2.2.5散热片表面处理８
3.电源性能检测９
3.1纹波特性检测９
3.2输出电阻检测１０
3.3保护电路１０
4.误差分析１１
参考文献１３
致谢１４
附录一：
１５
附录二：
１６
摘要
电源是电子电器设备重要的部件，线性直流稳压电源可用于通信系统作通信电源。
现市场上主流电源有开关电源，可控硅电源，和晶体管线性电源几种。
线性电源虽然效率低，但由于特定场合对于电源纹波和精度的要求，仍需使用线性直流源供电。
如何提高电源效率和降低纹波也是本设计需要探讨的问题。
通信系统一般要求电源输出功率较大，在较低输出电压（如13.8V左右）的情况下，则相对输出电流要求较大。
如今市场上常见的通信电源功率可达300W。
300W线性稳压电源输出电流可达30A,为了更好的应用于各种场合，电源输出电压设计在12～15V连续可调。
关键词：
大功率；线性调整；直流电源
Abstract
Powersupplyistheimportantequipmentofelectricalandelectroniccomponents;Thehigh-powerlinearDCpowersupplywhichItellofcanbeusedforcommunicationsystemtoserveascommunicationpower.Inthepresentmarketthemainstreampowersourcehaspowerswitchingpowersupply,SCRpowersupply,andseverallinearpowertransistors.Althoughthelinearpowersourcetheefficiencyislow,anoccasionforpowerrippleandaccuracyrequirementsstillusingthelinearDCcoursesupply.Howtoimprovepowerefficiencyandlowerrippleistheproblemweneedtoprobe.Generally,communicationsystemsrequireagreaterpoweroutputinthelowoutputvoltage（as13.8Vorso）,soneedtherelativelylargeoutputcurrentrequirements.Today,communicationpowersupplyinmarket,thecommonpowercomeupto300W.ThedesignImadethelinearregulatedof300Wpowersupplycanoutputcurrentupto30A,
forabetterapplicationineachkindofsituation,Idesignedtheoutputvoltageiscontinuouslyadjustableinthe12~15V.
Keyword：
HighPower；Linearscaling；DC-Power
线性直流稳源的设计与实现压电
前言
线性稳压电源，是指调整管工作在线性形态下的直流稳压电源。
根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：
线性稳压电源和开关稳压电源。
线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。
线性稳压直流电源的特点是：
输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。
线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。
线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压很高的稳定度。
但是它的缺点是需要笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也会比较大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，大功率线性稳压电源在输出较大工作电流时，调整管的功耗太大，所以还需要安装很大的散热片。
虽然效率低，功耗大，但晶体管线性直流电源因其精度高，纹波小，性能优越被广泛应用。
1.稳压电源主电路设计
1.1电源主电路设计
在通信设备及其他电子设备中通常都要用到电压稳定的直流电源供电。
功率较小的直流电源大多数是将50Hz的交流电经过整流滤波和稳压后获得。
线性稳压直流电源还需要放大调节电路和过压过流预警保护。
由于半波整流和全波整流效率低，调整复杂，本设计采用单相桥式整流电路，电路中采用4个二极管，接成电桥形式。
滤波电路的好坏一定程度决定了输出电路纹波的大小，一般采用电抗原件组成。
滤波原理是电容电感都是储能原件，它们能够储存一定的能量（电容储存电厂能，电感储存磁场能），由于能量不能突变因此能量将会逐渐的释放，从而得到比较平滑的电压。
稳压电路采用三端固定输出集成稳压器7812和集成可调稳压模块LM723输出稳定可调电压。
放大调整部分使用5个调节管并联的方式。
电源输入为220V标准交流电，输出为12—15V连续可调，电流可高达30A的直流电信号，纹波低于30mA。
1.2变压器设计
变压器是实现交流点电压之间的变换，本设计变压器原边线圈440圈，副边线圈48圈，将220V电压变为24V电压。
1.3整流电路
本设计最终采用的是单相桥式整流电路，电路使用一个次级线圈就达到了全波整流的目的。
电路采用4个二极管，接成电桥形式，在电源电压正半周期时D1、D3导通，D2、D4截止，电流经过电源上端D1、RL、D3到达电源下端形成回路，输出电压UO为上正下负；在电源电压负半周期时D2、D4导通，D1、D3截止，电流经过电源下端D2、RL、D4到达电源上端形成回路，输出电压UO仍为上正下负。
负载上的电压、电流与全波整流完全一样VL=0.9V2，纹波系数为0.484，还需要采用滤波电路来减小纹波电压。
1.4滤波电路
本设计采用电容并联式滤波。
电容滤波，电容滤波时间常数（Td=RLC）愈大，放电过程愈慢，输出电压愈高，同时脉动成分愈小，滤波效果愈好。
为了平滑负载电压，一般取Td=RLC≥（3～5）T/2,负载直流电压随负载电流增加而减小。
VL随IL的变化关系称为输出特性或是外特性。
当C值一定且空载时电压VL=1.4V2；当C=0时，即纯电阻负载时，VL=0.9V2。
在整流电路采用电容滤波后，由于电容C充电的瞬时电流很大，容易损坏二极管，故在选取二极管的最大整流电流参数时还要留有足够的余量，一般都需要2～3倍的IL。
由于负载电流要求比较大，所以选择需要选择大容量电容。
（a）（b）
（c）
图1滤波电路基本结构图
1.5稳压电路
本设计采用三端固定输出集成稳压器7812为集成可调稳压模块LM723提供稳定的12V电压。
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。
7812内部调整管为两个三极管组成的复合管，这种结果只要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流。
保护电路集成在芯片内部，他们分别为限流保护、过热保护、和过压保护电路。
图27812内部结构图解
1.6输出电流放大电路
本设计首先采用TIP120将电流进行一级放大，以达到驱动后续大功率三极管2N3055的需求。
然后采取5个功率管并联的方式提高输出电流，由于各个三极管间存在着差异所以每个2N3055都需要串联上均流电阻，是电路稳定。
每个2N3055能达到的最大电流为15A，但这只是理想状态，这里采用了5个调整管并联，每个输出6A，即可实现30A的输出电流。
2.元器件参数设计
2.1变压器设计
本电源需要设计24V低频变压器变压器。
2.1.1电源变压器的铁芯
它一般采用硅钢片.硅钢片越薄,功率损耗越小,效果越好。
整个铁芯是有许多硅钢片叠成的,每片之间要绝缘.
2.1.2电源变压器的简易设计
设计一个变压器,主要是根据电功率选择变压器铁芯的截面积,计算初次级各线圈的圈数等.所谓铁芯截面积Ｓ是指硅钢片中间舌的标准尺寸ａ和叠加起来的总厚度b的乘积.如果24V电源变压器的初级电压是U1,次级有n个组,各组电压分别是U21,U22,
U2n,各组电流分别是I21,I22,
I2n
计算步骤如下:
第一步,计算次级的功率P2.次级功率等于次级各组功率的和,也就是：
第二步,计算变压器的功率P.算出P2后.考虑到变压器的效率是η,那么初级功率P1=P2/η,η一般在0.8～0.9之间.变压器的功率等于初、次级功率之和的一半,也就是P=（P1+P2）/2
第三步,查铁芯截面积Ｓ.根据变压器功率,由式（2.1）计算出铁芯截面积Ｓ,并且从国产小功率变压器常用的标准铁芯片规格表中选择铁芯片规格和叠厚.
第四步,确定每伏圈数N.根据铁心截面积Ｓ和铁芯的磁通密度B,由式（2.2）得到初级线圈的每伏圈数N.铁芯的B值可以这样选取:
质量优良的硅钢片,取11000高斯;一般硅钢片,取10000高斯;铁片,取7000高斯.考到导线电阻的压降,次级线圈每伏圈数N'应该比N增加5%～10%,也就是N'在1.05N～1.1N之间选取.
第五步,初次级线圈的计算，公式如下：
初级线圈
.次级线圈
.
第六步,查导线直径.根据各线圈的电流大小和选定的电流密度,由式（2.3）可以得到各组线圈的导线直径.一般24V电源变压器的电流密度可以选用3安/毫米2
第七步,校核.根据计算结果,算出线圈每层圈数和层数,再算出线圈的大小,看看窗口是否放得下.如果放不下,可以加大一号铁心,如果太空,可以减小一号铁心.采用国家标准GEB铁心,而且舌宽ａ和叠厚ｂ的比在1:
1～1:
1.7之间,线圈是放得下的.各参数的计算公式如下:
（2.1）
（2.2）
（2.3）
变量说明:
P:
变压器的功率.单位:
瓦（W）
B:
硅钢片的工作磁通密度.单位:
高斯（Gs）
S:
铁芯的截面积.单位:
平方厘米（cm2）
N:
线圈的每伏圈数.单位:
圈每伏（N/V）
I:
使用电流.单位:
安（A）
D:
导线直径.单位:
毫米（mm）
2.1.3GEB铁芯规格
表1铁心片规格表
铁芯规格
全长
全宽
窗高
窗宽
舌宽
边宽
GE10
36
31
18
6.5
10
6.5
GE12
44
38
22
8
12
8
GE14
50
43
25
9
14
9
GE16
56
48
28
10
16
10
GEB19
67
57.5
33.5
12
19
12
GEB22
78
67
39
14
22
14
GEB26
94
81
47
17
26
17
GEB30
106
91
53
19
30
19
GEB35
123
105.5
61.5
22
35
22
GEB40
144
124
72
26
40
26
2.1.4变压器的铁芯与绕组
为减小交变磁通在铁芯中所引起的涡流损耗,铁芯一般用厚为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成;并且在硅钢片两面涂以绝缘漆。
信号变压器还采用坡莫合金作铁芯。
变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成。
原边绕组接输入电压,副边绕组接负载，原边绕组只有一个,副边绕组为一个或多个，原副边绕组套装在同一铁心柱上。
套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。
如果把变压器的原副边绕组分开放置,则漏抗将大大增加,以致负载变动时副边电压变化很大,这样的变压器就不能满足使用上的要求。
使用变压器首先要弄清并严格遵守制造厂提供的铭牌数据,以避免因使用不当而不能充分利用,甚至损坏。
2.1.5额定电压U1和U2
原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压（或输入电压）,副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压。
使用时原边电压不允许超过额定值（一般规定电压额定值允许变化±5%）。
考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5-10%.对于负载是固定的24V电源变压器，副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压。
输入电压不能超过额定电压。
变压器中主磁通和激磁电流的关系称为铁芯的磁化曲线,它是一条具有饱和特性的非线性曲线。
当主磁通小于额定电压时对应的主磁通时,磁化曲线近似为线形;超过此值后,主磁通就逐渐趋向饱和.此时,如果再增加磁通,即增加U1,则电流就会急剧增加,这样变压器就会因过热而马上烧毁.因此,在使用变压器时,必须注意变压器的额定电压和电源电压要一致。
2.1.6额定电流I1和I2
额定电流是指变压器按规定的工作时间（长时连续工作或短时工作或间歇断续工作）运行时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的。
2.1.7额定频率
使用变压器时,还要注意它对24V电源频率的要求。
因为在变压器中,在设计变压器时,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的。
如果乱用频率,就有可能变压器损坏。
例如一台设计用50Hz,220V电源的变压器,若用25Hz,220V电源,则磁通将要增加一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁。
所以在降频使用时,电源电压必须与频率成正比地下降。
另外,在维持磁通不变的条件下,也不能用到400Hz,1600V的电源上。
此时虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾。
因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系。
频率增大时,铁耗增加很多。
由于这个原因,一般对于铁心采用0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器,50Hz时的磁通密度可达0.9-1T,而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T。
此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不超过300-500V.所以在升频使用时,24V电源电压不能与频率成正比的增加,而只能适当地增加。
2.2散热片设计
碳铝化硅是目前最新的材料，混合各种铝合金以制成特殊的物理性质，控制的热膨胀、高传导性以及显著的强度使得碳铝化硅更有吸引力，由于成本的关系，这种材料一般用在底部及作为功率模块底部和芯片直接接触的基板。
表2各种不同散热片的材料比较
热膨胀系数
温度K
Pprm
W/m-K
铝
23
209
铜
17
390
钼铜合金
7.2
195
铜20%-钨80%
7
250
铜石墨
2
～350
碳化硅铝
6.5～8.0
180～210
硅
3.3-4.2
150
散热片的设计可就包络体积做初步的设计，然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计。
发热瓦数和包络体基的关系如下式所示。
2.2.1散热片底部厚度
要使得散热片效率增加，散热片底部厚度有很大的影响，散热片底部必须够厚才能使足够的热能顺利的传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。
然而太厚的底部除了浪费材料，也会造成热的累积反而使热传能力降低。
良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递。
散热瓦数和底部厚度的关系如下式所示：
2.2.2鳍片形状
散热片内部的热藉由对流及辐射散热，而对流部分所占的比例非常高，对流的产生鳍片间格在散热片壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成壁面的空气（边界层）流，空气层的厚度约2mm，鳍片间格需在4mm以上才能确保自然对流顺利。
但是却会造成鳍片数目减少而减少散热片面积。
鳍片间格变狭窄-自然对流发生减低，降低散热效率。
鳍片间格变大-鳍片变少，表面积减少。
2.2.3鳍片角度鳍片角度约三度
表3鳍片形状参考值
T（mm）
2～4
4～6
6～8
8～10
10以上
t（mm）
1.5
2
2.5
3
4
h（mm）
6以上
8以上
8以上
10以上
10以上
2.2.4鳍片厚度
当鳍片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是鳍片厚度薄高的情况，会造成前端传热的困难，使得散热片即使体积增加也无法增加效率。
散热片变短时，增加表面积会增加散热效率，但也会使散热片的体积减少而造成的缺点（热容量减少）因而产生。
因此鳍片长度需保持一定才能产生效果。
鳍片变薄-鳍片传热到顶端能力变弱鳍片变厚-鳍片数目减少（表面积减少）鳍片增高-鳍片传到顶端能力变弱（体积效率变弱）鳍片变短-表面积减少
2.2.5散热片表面处理
散热片表面做耐酸铝（Alumite）或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能，一般而言，和颜色是白色或黑色关系不大。
表面突起的处理可增加散热面积，但是在自然对流的场合，反而可能造成空气层的阻碍，降低效率。
上述之设计方式仅供散热片设计之参考，实际散热片设计时还需考虑与器件以及环境的配合，尤其是高效能散热片的设计需配合实验量测验证以及CFD的分析模拟。
目前散热片的设计已渐渐趋向极限，空气冷却的方式将无法满足需求，未来的散热片设计将结合其它散热器件及方式如热管、平板式热管、回路型热管、水冷等，使得散热的设计更为弹性及多样化，不论如何，散热片仍然是最有效益的散热方式，善用散热片设计于发热器件可改善系统发热状况。
高效能散热片的设计可配合CFD分析软件做完整分析，以了解气流及热传状况，不必迷信复杂形状的散热片，简单铝挤型散热片做横切等加工就可能有不错的效果。
只有了解散热片的设计及特性，才能解决电子产品的热管理问题。
3.电源性能检测
稳压电源的技术指标分为两种：
一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。
对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：
1．稳定性好当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求。
2.反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，Rn越小，则Ifz变化时输出电压的变化也越小。
性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0.01欧。
3.电压温度系数小当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。
良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示。
4.输出电压纹波小所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。
经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。
3.1纹波特性检测
纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，指在额定输出电压、电流的情况下，输出电压中的交流电压的峰值。
狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。
纹波用示波器可以看到，在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样，所以被称为纹波。
我们通常在产品中用的电源主要有线性电源和开关电源二大类，输出的直流电压是一个固定值，由交流电压经整流、滤波、稳压后得到。
由于滤波不干净，直流电压中含有交流成分，这就产生了纹波。
纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕输出直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅不是定值，随时间而变，不同电源的纹波波形不一样。
产生电源纹波的因素有许多，即使你用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。
由于我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器，纹波电压的频率常常是50nHz，n取自然数，大小取决于整流电路的类型。
对于半波整流，是1；对于全波整流，是2；对于三相全波整流，是6，即300Hz。
所以这种电源的输出端纹波主要是50Hz或它的整数倍，幅值小，较易滤除，通常纹波可做到几mV。
如假定整流桥输出负载电流IL，负载电压VL，整流桥输人交流电压幅值Vm及其输人交流电压频率f，则其输出的纹波电压由表4-1各式计算。
表4整流纹波电压
整流形式
半波整流（平均值）
全波整流（平均值）
纹波电压
采用功率匹配法或等效电流源法计算纹波电压，一般表示为：
（1）
从式
（1）中可以看出，纹波频率为输人频率的两倍，其幅值正比于变换器的输出电流，反比于输入电压频率和平滑电容的大小。
3.2输出电阻检测
输出电阻RO定义为输入电压及环境温度不变时，输出电压的相对变化量和输出电流相对变化量的比值。
3.3保护电路
在LM723集成可调稳压器内部含有各种保护电路，如过流保护、短路保护、调整管安全工作区保护、芯片过热保护电路。
过流保护电路能够在稳压器输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值，使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。
LM723中使用的是限流型过流保护电路，当电流过大时限流调整管发射极电流迅速减小。
调整管的安全工作区保护电路可使调整管既不因过流而烧坏，又不因过压而击穿，因此它由过流保护和过压保护两种电路组合而成，最终保证调整管不超过其最大耗散功率。
当电路上过载或输出短路时，过流保护电路对调整管基极分流；当调整管电压过高时，过压保护电路导通分流，使调整管接近截止，降低调整管的功耗，使调整管工作在安全区。
芯片过热保护
芯片损坏的重要原因之一是长期通过大电流而引起结温超过允许值。
在集成稳压器中，调整管的结温决定芯片的温度，因而采用二极管或晶体管的结温作
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