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直流稳定电源论文
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
直流稳定电源
初始条件：
mulitisim、LM317、变压器、NE555
要求完成的主要任务:
一、设计任务
设计并制作交流变换为直流的稳定电源。
二、要求
（1）稳压电源
输出电压可调范围为+9V～+12V
（2）稳流电源
输出电流：
4～20mA可调
（3）DC-DC变换器
输出电压为+100V，输出电流为10mA
时间安排：
1.2-1.3查阅资料
1.4-1.5理论分析
1.6-1.8仿真与焊接
1.9答辩
指导教师签名：
2014年1月2日
系主任（或责任教师）签名：
2014年1月2日
摘要
能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。
包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。
交流稳压电源又称交流稳压器。
随着电子技术的发展，特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，电网直接供电已不能满足需要，稳压电源的出现解决了这一问题。
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。
本设计分别用LM317三端稳压芯片稳压电路，LM317三端稳压芯片稳流电路和NE555芯片振荡电路设计直流稳压电源，直流稳流电源和DC-DC变换器。
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：
电源；LM317三端稳压芯片稳压电路；LM317三端稳压芯片稳流电路；NE555震荡电路
Abstract
ACloadcanprovideastableDCpowersupplyorelectronicdevice.IncludingtheACpowersupplyandDCpowersupplyintotwocategories.ACpowersupply,alsoknownasACvoltageregulator.Withthedevelopmentofelectronictechnology,especiallyafterthecomputertechnologyappliedtovariousindustrial,scientificresearch,avarietyofelectronicdevicesrequirestableACpowersupply,powersupplycannotmeetthedirectneedsofpowersupplyappearstosolvethisproblems.Researchanddevelopmentofthepowerofnewtechnologyhasbecomeanimportantpartofthedevelopmentofnewequipment,playsanimportantroleinpromotingscienceandtechnologydevelopment.Thedesignofeachchipwithathree-terminalregulatorLM317voltageregulatorcircuit,LM317three-terminalregulatorchipandasteadyflowcircuitNE555chiposcillatorcircuitdesignDCpowersupply,DCstabilizedpowersupplyandDC-DCconverter.Throughknowledgeofthecircuitparameterswerecalculatedforeachindividualdevice,thecircuitperformanceindicatorstoachievethedesignrequirementsofthevoltageregulationandcurrentregulation,loadregulation,ripplevoltage.
Keywords:
Power;LM317three-terminalregulatorchipvoltageregulatorcircuit;LM317threeterminalregulatorchipsteadyflowcircuit;NE555oscillatorcircuit
目录
绪论1
1电路原理的设计2
1.1直流稳压电路设计2
1.1.1可行的直流稳压电源电路设计方案2
1.1.2最终决定的直流稳压6
1.2直流稳流电路设计6
1.2.1可行的直流稳流电源电路设计方案6
1.2.2最终决定的直流稳流电源电路设计方案8
1.3DC-DC转换电路设计9
1.3.1可行的DC-DC转换电路设计方案9
1.3.2最终决定的DC-DC转换电路设计方案11
2电路图工作原理及主要参数计算12
2.1稳压模块工作原理12
2.2稳流模块工作原理12
2.3DC-DC转换器模块工作原理12
2.4主要参数的选择与计算12
3仿真软件multisim介绍14
4软件仿真过程15
4.1直流稳压电源的仿真与参数分析15
4.2直流稳流电源的仿真与参数分析16
4.3DCDC转换器的仿真与参数分析18
5心得体会20
6附录-元器件清单21
参考文献22
绪论
通信电源作为通信网络中一种重要的基础设备，其随着通信网络的飞速发展，也在不断地发展与演变。
随着通信业的更新换代，第三代移动通讯时代的来临，通信直流电源市场需求呈现以下一些特征:
1通信直流电源产品的市场需求数量稳步增长随着通信网络的发展,现在用通信直流电源供电的通信设备种类越来越多.从传统的程控交换机到第三代移动通信的各种移动通信设备等，大都采用通信直流电源作为基础电源.虽然有很多数据通信设备采用UPS作为基础电源,但UPS供电系统从原理上而言其供电安全性要低于直流电源,因此,采用直流供电的通信设备种类仍然保持不断增多的趋势.另外,随着各国在通信网络设备的投资规模不断扩大的情况下,相应带动了通信直流电源的数量稳步增长。
2通信直流电源产品的市场价格不断下滑虽然原材料的价格,特别是金属原材料的价格不断上涨，一定程度上使得通信电源产品的材料成本上升，但随着市场竞争的日趋激烈，通信直流电源设备的市场价格却不断在下降。
市场价格的下滑一定程度上抵消了数量增长带来的规模增长，但销售金额规模来看，全球通信直流电源的市场仍然是稳步小幅增长并在未来几年内保持这种增长。
3通信直流电源产品的性能要求越来越高随着通信由语音为主的通信时代转为数据通信为主的时代，人们对通信系统的稳定性提出了越来越高的要求。
相应的，对通信直流电源设备而言，其各方面的性能要求也越来越高，否则无法满足通信网络的高性能要求。
同时，随着人们对于环境保护意识的不断增强，以及能源价格的不断上涨，对通信直流电源产品在环境保护和节能方面提出了更高的要求。
本次课程设计运用LM317芯片和NE555芯片分别制作了直流稳压电源，直流稳流电源和DCDC转换器
1电路原理的设计
1.1直流稳压电路设计
图1-1原理框图
1.1.1可行的直流稳压电源电路设计方案
经过多方查找资料，我认为直流稳压电源电路的设计可以采用两种大思路：
采用分立元件设计或采用集成稳压芯片设计。
分立元件的设计方案我查找到以下几种：
1.1.1.1采用由运放构成的线性调压电路
此电路原理是信号经整流滤波后直接进入线性稳压电路，由运放构成深度度负反馈电路，通过调节负反馈电阻的大小来调节输出电压。
选择合适的电阻和可变电阻，即可实现+9~+12V输出。
电路原理图如下图所示：
图1-2稳压电源电路
一个可调式的串联反馈型的直流稳压电源如图所示，它由变压器，整流滤波电路，串联型反馈式稳压电路构成。
其中串联型反馈式稳压电路的组成部分有调整管，比较放大器，基准电压和取样电路。
由于引入了电压串联负反馈，该稳压电路可以实现输出电压的稳定输出；由于其电压取样比可调节（反馈系数可调节），还实现输出电压的调节，即一个可调压的直流稳压电源。
电路的稳压过程：
当输入电压Vi增加，或负载电阻RL增大时，都使得Vo增加，于是Vf减小，Vo1减小，管压降Vce增加，使VO基本保持不变。
当输入电压Vi减小，或负载电阻RL减小时，使得Vo减小，于是Vf减小，VO1增加，管压降Vce减小，使Vo基本保持不变。
限流式保护电路，当发生短路或过流时，调整管的电流超过额定值，限流式保护电路通过电路中的取样电阻的反馈作用，起到使调整管基极电流分流的作用，从而达到限制输出电流的目的。
1.1.1.2采用开关电源电路
此电路直接将220V电压经整流后送入单级开关电源电路，通过调节开关管的占空比来调节输出电压的大小。
电路图如下所示：
图1-3振铃式开关电源
电路包括整流滤波电路、开关变压器、开关管、次级整流电路、取样放大电路、控制电路等，其特征在于将普通开关电源的开关变压器的初级线圈分成两个绕组Ｌ↓〔１〕和Ｌ↓〔２〕，每个绕组串接一只二极管，然后再把这两部分串接起来，接点为Ａ，剩下的两个端点，一端与电源相接，另一端通过开关管与地相接此外在接点Ａ与电源之间跨接一只电容Ｃ↓〔１〕，在接点Ａ与地之间再跨接另一只电容Ｃ↓〔２〕，其最佳值是使Ｃ↓〔１〕、Ｃ↓〔２〕的大小与对应绕组Ｌ↓〔１〕、Ｌ↓〔２〕的匝数Ｎ↓〔１〕、Ｎ↓〔２〕成反比，即Ｃ↓〔１〕∶Ｃ↓〔２〕＝Ｎ↓〔２〕∶Ｎ↓〔１〕。
在VT2的基极支路上增加RA和RB。
由于C3上的电压是与输入电压成正比的正极性电压，一旦输人电压Ui升高，电阻RA流过的电流就增加，加速VT2导通，起到限流的作用。
因此，输出电压Uo和C2的电压Uc2就会降低，故流过RB的负电流减少，VT2基极电压升高，VT2深度饱和导通，于是起到减小输出电流的作用
1.1.1.3LM317集成稳压芯片构成的可调式稳压电源
图1-4LM317稳压源电路
这里介绍的可调稳压电源可以实现从9v~12v连续可调，输出电流可到1.5A左右。
采用最常见的可调稳压集成电路LM317组成电路的核心，关于LM317的详细指标参数可参阅用LM317制作简易电源电路。
下面简单介绍一下该电路的特点。
本电路中，220v交流电由变压器接入电路，经变压器变压后转为15V50HZ的交流电输出。
然后接入单相桥式全波整流电路。
单相桥式整流电路由四个二极管组成。
该电路输出电压高，谐波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因为电源变压器在正负半周期内部都有电流供给负载，电源变压器得到了充分利用，效率较高。
在LM317芯片的输入端用一个1000uf的大电容滤波。
LM317的输出端和公共端接在一个200欧的限流电阻两端。
下端接一个2k的电位器控制电位。
调整电位器的电阻大小，即可控制输出电压的大小。
同时为了防止电容放电时大电流损坏变压器，采用一个二极管作为保护电路。
。
为保证稳压准确，设计电路板时主电流回路应足够宽，并焊上1mm以上的铜导线或涂锡，以减少纹波电压。
调试时，调整电位器在电源输出14V左右时吸合，否则可调换稳压二极管再试。
1.1.2最终决定的直流稳压
最终，我们决定采用第三种LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源，主要因为它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM117不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
1.2直流稳流电路设计
1.2.1可行的直流稳流电源电路设计方案
1.2.1.1由运放组成的可控恒流源电路
图1-5恒流源电路
它的闭环增益器很低，以得到深度负反馈，运放A接成电压跟随器，它把输出电压Vsc传到A1的同向输入端，在这里与输入信号电压Vsr相加。
该端电压为V'sr=VsrR1/（R3+R1）+VscR3（R3+Vsc）/2,因此，A1的书穿电压为V'sr=V'sr（1+R2/R1）=2V'sr=V'sr+V'sc，由于A2作用相同输入放大器，其输入端阻抗很高，输入偏置电路可以忽略，流过R2的电流基本上就是输出电流Isc=Vrc/R，由此可见Isc的极性取决于信号电压Vsc的极性，其大小可由Vsr和R0调节。
它是用于检测晶体管的B值和二极管的反向击穿电压时，需要电流大小及方向都可控制的恒流源电路。
1.2.1.2利用LM7805芯片组成的可控恒流源电路
此种电路结构简单，稳流效果比较好，但由于7805的2、3端之间电压比较大，导致R1、R2上分得电压和消耗功率较多，影响电路效率。
图1-6恒流源电路
1.2.1.3：
采用LM317芯片组成的可控恒流源电路
同样是采用的LM317集成三端稳压器，用12V供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用R1与R2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。
图1-7恒流源电路
1.2.2最终决定的直流稳流电源电路设计方案
最终我们决定采用第三种设计方案，原因基本与稳压源的选择想通。
而且用LM317制作这一电路简单易行，利用限流电阻和在性能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理想的方案之一。
1.3DC-DC转换电路设计
1.3.1可行的DC-DC转换电路设计方案
1.3.1.1PWMDC/DC变换器
图1-8UC3843组成的PWMDC/DC变换器
1MHz电流型PWMDC/DC变换器的原理框图。
电流型控制电路以UC3843为核心，开关频率为1MHz；变换器采用推挽式〔3〕主电路；同步整流采用功率MOSFET可控整流电路；辅助电流由电阻和12V稳压管组成（也可采用自举电路），为UC3843提供+12V电源；电流采样是取变压器初级串联电阻上的电压（见图2中电阻R）。
UC3843的限流和占空比控制
变压器初级电流流过取样电阻R后，在R两端产生正比于初级电流的电压，该电压经RC滤波加到UC3843的9脚，从而实现逐周限流。
正常工作状态下，UC3825的9脚输入电压必须低于1V门限电压。
9脚输入电压超过1V时，脉宽将随之变窄。
当9脚输入电压超过1.4V时，输出电流中断，并且UC3843开始软启动程序。
利用斜坡RAMP脚（7脚）输入信号，UC3843可以实现电流型控制或常规的占空比控制。
当该脚接定时电容器时，UC3843可以实现占空比控制。
当RAMP脚接电流取样电阻时，UC3843可以实现电流型控制。
在这种应用电路中，初级电流波形经过很小的RC滤波网络后，产生斜坡波形。
RC网络的作用是斜率补偿。
该输入信号的动态范围为1.3V，通常用来产生PWM斜率补偿。
同步整流电路
过去低电压输出的DC/DC开关变换器采用肖特基二级管作为同步整流管，其正向压降约为0.4～0.65V，低电压、大电流时通态功耗很大。
因功率MOSFET管的正向压降很小，所以用功率MOSFET管作为输出的整流管。
与肖特基二极管相比，用功率MOSFET管的优点除了正向压降很小外，还有阻断电压高，反向电流小等优点。
图2所示为输出全波同步整流电路。
功率MOSFET管VT1、VT2为两个整流管（VD1、VD2分别为VT1、VT2内部反并联二极管）。
当变压器次级绕组同名端为正时，VT2、VD2同时导通，VT1、VD1阻断，在L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流；反之，当变压器次级绕组同名端为负时，VT1、VD1同时导通，VT2、VD2阻断，在L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流。
采取此功率MOSFET管整流电路，可以大大提高整流效率。
输出+5V/20A，采取导通电阻10mΩ的功率MOSFET管，则导通损耗为：
PON=10mΩ×（20A）2=4×103mW=4w公式（1-1）
如果采取肖特基二极管整流电路，肖特基二极管的导通压降取0.6V，则导通损耗为：
PON=0.6V×20A=12w公式（1-2）
可见仅整流管损耗就减小8W，效率约能提高6%。
变压器的制造
初级绕组N2与次级绕组N4之间具有较紧密的耦合；而初级绕组N1到初级绕组N2之间的耦合不很严格。
高频设计
需要特别注意外部导体和元件的布置，减小不必要的电感和电容影响。
所有的导线长度必须尽可能地短。
印制电路板应仔细地布置元件及其连接。
功率MOSFET管栅极的电阻应选碳成分的电阻，以降低串联电感
1.3.1.2NE555芯片升压电路
图1-9DCDC转换器电路
E555、RW2、R1、R2、C1组成多谐振荡电路，由NE555的引脚3输出振荡波形；上电时，VCC通过C1、R1、R2给C2充电，NE555输出高电平，当C2的电压>2/3VCC时，NE555输出翻转，开始输出低电平，引脚7对地短路，此时C6通过R8对地放电，当C6上电压<1/3VCC时，NE555输出翻转，再次输出高电平，引脚7对地呈现断路，VCC再次向C2充电，如此周而复始，在NE555的输出端输出周期矩形波。
NE555的振荡频率为4kHz，方波输出经电阻R3，和变压器T1，在T1的二次侧可以形成几百伏特的交流电压。
例如，变压器的一次侧与二次侧的匝数比为1:
10，变压器一次侧的电压为10V，则T1的二次侧电压输出为100V。
方案三集成运算放大器的升压电路
不过此电路只能由5V升至30V，达不到设计要求。
1.3.2最终决定的DC-DC转换电路设计方案
鉴于制作难度、电路性能、工作效率、元器件取得的难易程度等多方面考虑，我们最后选择了第三种设计方案。
NE555芯片价格低廉，工作稳定。
用其产生的交流电通过变压器变压后再经过整流桥整流和电容滤波，即可生成题目要求的100v直流电
2电路图工作原理及主要参数计算
2.1稳压模块工作原理
本电路的稳压电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳压电路，将22V-15V变压器变出的15V交流电压，经过全波桥式整流后得到直流脉动电压，在经过滤波电容的调整成为一近似恒压的直流电压，最终经过LM317稳压后得到稳定的1.25V带隙电压。
再依靠R1电阻固定电流，经R2与RS1调整输出端的电压。
达到输出稳定可调电压的要求。
2.2稳流模块工作原理
本电路的稳流电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳流电路，将上一级产生的12V稳定电压转换为输出端的4-20mA的稳定电流。
由稳压源供电，仍然是依靠LM317的带隙电压，通过R3与RS2电阻的调节控制输出端电流，实现稳定输出可调电流的题目要求。
2.3DC-DC转换器模块工作原理
同样是依靠第一级的稳定电压输出供电，依靠C1、C2和R1、R2、R3构成的自激振荡电路，由上一级的直流供电产生一个交流电信号，在经过变压器升压，再度转换为直流信号输出，同时达到升压的目的。
2.4主要参数的选择与计算
（公式2-1）
（公式2-2）
（公式2-3）
（公式2-4）
选二极管（公式2-5）
电流平均值：
（公式2-6）
承受最高反压：
（公式2-7）
选二极管应满足：
IF（23）ID（公式2-8）
可选：
2CZ55C（IF=1A，URM=100V）或1A、100V整流桥，此电路中选择2A、100V整流桥，满足要求。
选滤波电容
（公式2-9）
（公式2-10）
可选：
1000F，耐压50V的电解电容
根据输出直流电压UO=15（V）的要求，由式（7-8）稳定电压
（公式2-11）
由输出电压VO=15（v）及最小负载电阻RL=3KΩ的要求,负载电流最大值
（公式2-12）
计算
mA
查半导体器件手册，选择稳压管2CW20，其稳定电压UZ=（13.5～17）（V），稳定电流
mA，
mA。
3仿真软件multisim介绍
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NIMultisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。
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NIMultisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。
4软件仿真过程
4.1直流稳压电源的仿真与参数分析
图4-1稳压电源电路
图4-2输出波形图
如图所示，稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下
a．输出电压可调范围为+8.019V～+13.663V
b．最大输出电流为1.537A
c．电压调整率为0.172%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
d．负载调整率0.79%（最低输入电压下，满载）
e．纹波电压（峰-峰值）2.37mV（最低输入电压下，满载）
f．效率43.36%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
由示波器观测到的输出波形可以看出输出电压是一条直线。
输出电压已经非常稳定，满足题目的要求。
4.2直流稳流电源的仿真与参数分析
图4-3稳流电源电路
图4-4输出波形图
如图所示，稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：
a．输出电流：
3.112～30.26mA可调
b．负载调整率为8.32%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）
由示波器观测到图像可以看出改电流源电路的输出电流是一条稳定的直线。
满足题目的要求
4.3DCDC转换器的仿真与参数分析
图4-5DCDC转换器电路
DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：
a．输出电压为100.355V，输出电流为44.796uA
b．电压调整率3.7%（输入电
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