整理直流集成稳压电源.docx

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整理直流集成稳压电源

摘要

本文设计了一个集成直流稳压电源。

设计采用变压器变压，桥式整流电路进行整流，电容对脉动电压进行滤波，最后用可调电阻和三端集成稳压器来实现直流电压在正负1.25V到25V之间的连续可调的正负12V电压和固定输出正负5V电压。

该稳压电源具有性能稳定，结构简单，调节方便等优点。

关键词：

变压器、桥式整流、滤波、集成稳压器、稳压电源

ABSTRACT

Inthispaper,anintegrateddcregulatedpowersupply.DesignUSEStransformer,bridgerectifiercircuitrectifier,capacitanceofapulsatingvoltageforfiltering,andfinallywithadjustableresistanceandthreeendintegratedregulatortorealizedcvoltageinpositiveandnegative1.25Vto25Vcontinuousadjustablebetweenpositiveandnegative12Vvoltageandfixedoutputpositiveandnegative5Vvoltage.Theregulatedpowersupplyhasstableperformance,simplestructure,convenientadjustmentetc.

Keywords:

Transformer,bridgerectifier,filter,integratedvoltagestabilizer,Powersupply

1、简介与设计思路...................................................................3

1.1简介................................................................................................3

1.2Multisim仿真软件介绍及其特点.....................................................3

1.3PROTEL99SE软件介绍及特点.......................................................5

1.4PROTEL99SE系统构成..................................................................6

1.5设计原理....................................................................................................6

1.6设计步及思路……………………………………………………………7

2、芯片介绍................................................................................................7

2.1三端可调式集成稳压器..........................................................................7

2.1.1LM317…………………………………………………………………..7

2.1.2LM337…………………………………………………………………..9

2.2三端固定式集成稳压器.........................................................................11

2.2.1LM7805………………………………………………………………...11

2.2.2L7905CV……………………………………………………………….12

3、详细设计与仿真.....................................................................................13

3.1电源变压器………………………………………………………………13..

3.2整流电路…………………………………………………………………13.

3.3滤波电路…………………………………………………………………15

3.4稳压电路…………………………………………………………………17

3.5直流稳压电源的技术指标..................................................................20

3.6电路原理图…...................................................................................22

3.7仿真分析……....................................................................................23

4、设计总结.................................................................................................27

5、参考文献…..............................................................................................28

附件：

PCB图……………………………………………………………………30

1、简介与设计思路

1.1简介

本次设计的目的是设计一个可调直流稳压电源。

设计要求是采用220V作为电源，输入交流±18V，输出±5V、±12V（可调）。

本次设计的意义是通过本设计加深对电子技术课程的理解，了解一般设计过程，掌握一种电子电路设计软件的使用方法。

本次设计应解决的主要问题是：

如何产生稳定的电压，怎样对输出电压进行数码显示，基本掌握仿真软件和PROTEL的使用方法。

从七十年代开始,我国集成稳压器的研制和生产得到了飞速地发展,现已能生产上百个品种,初步形成了完整的系列产品

集成稳压器在较短时期内能够获得迅速发展和广泛应用,乃是基本它的通用性强的特点.因为不管是哪种电子设备,几乎毫无例外地都需应用直流稳压系统.随着电子设备功能日趋复杂和性能不断提高,设备内部所应用的各种元器件和组件也日益复杂化和多样化,而这些元器件和组件所要求的供电电压并不完全相同.这样,在电子设备中必须引入多种稳压电源系统才能满足需要.如果仍沿用过去由分离元器件组成的稳压电源系统.必将大大的增加电子设备的体积、重量和成本.当采用集成稳压电源后,整个复杂设备只要求提供一个经过简单简单整流的电源系统,然后针对设备中不同部分所要求的供电电压值,分别应用一块相应的集成稳压器进行稳压就可以了.这样做的明显好处是简化了设备中各个单元之间的去藕隔离问题.应用分离元器件组装的稳压系统要达到很高的稳压精度很不容易,只有利于集成工艺技术的稳压器,才能实现高精度、成本低的目标.这是现时集成稳压器获得蓬勃发展的主要原因之一.

1.2Multisim仿真软件介绍及其特点

Multisim是InteractiveImageTechnologies（ElectronicsWorkbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。

Multisim软件有以下几个特点：

1、直观的图形界面：

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。

2、丰富的元器件：

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

3、强大的仿真能力：

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。

包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

4、丰富的测试仪器：

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量，这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。

除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。

5、完备的分析手段：

Multisimt提供了许多分析功能，集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。

6、独特的射频（RF）模块：

提供基本射频电路的设计、分析和仿真。

射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RFSPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（SpectrumAnalyzer频谱分析仪和NetworkAnalyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成。

7、强大的MCU模块：

支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

8、完善的后处理：

对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。

9、详细的报告：

能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告。

10、兼容性好的信息转换：

提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供InternetDesignSharing（互联网共享文件）。

1.3PROTEL99SE软件介绍及特点

随着计算机技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂，集成度越来越高，加之新型元件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法用手工来完成，因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。

Protel99SE具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：

Protel99SE采用数据库的管理方式。

Protel99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。

新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。

新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。

增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。

Protel99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

protel99se是现今应用较广泛，功能较齐全的版本，它基本满足了工业生产与电子设计上的要求。

所有Protel99SE设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

在Protel99SE中与设计的接口叫设计管理器。

使用设计管理器，可以进行对设计文件的管理编辑、设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。

1）管理方式protel99se采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。

Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。

所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

2）特点protel99se软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与前作大体相同，新增加了一些功能模块。

在protel99se中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。

1.4PROTEL99se系统构成

protel99se主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。

1）原理图设计系统这是一个具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计。

它可以为印制电路板设计提供网络表。

该编辑器除了具有原理图编辑功能以外，其分层组织设计功能、设计同步器、电气设计检验功能及打印输出功能，使用户可以轻松完成所需的设计任务。

2）印制电路板设计系统

它是一个印制电路板设计编辑器，具有非常专业的交互式布线及元件布局的特点，用于印制电路板（PCB）的设计并最终产生PCB文件。

同时它还包含一个PCB信号完整性分析工具、打印管理系统、一个PCB三维视图预览工具

1.5设计原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图:

直流稳压电源方框图

欲设计一可调直流稳压电源。

该电源的技术参数：

直流稳压输出范围DC0～12V。

电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，脉动大的直流电压须经过滤波从而得到平滑的支流电压。

脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。

但这样的电压还随电网电压波动（一般有正负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，维持输出直流电压的稳定。

当负载要求功率较大，效率较高时，常采用开关稳压电源。

滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

1.5设计步骤及思路

综合考虑设计为如下图的集成稳压直流电源设计原理框架图：

集成稳压直流电源设计原理框架图

2、芯片介绍

2.1三端可调式集成稳压器

三端可调式集成稳压器是指输出电压可调的稳压器，它与三端固定式稳压器的外形和管脚的编号相同，但管脚功能有区别，是在三端固定式稳压器的基础上发展而成的，只需少量的外围元件就可以组成精密可调的稳压电路。

在要求稳压精度较高，且输出电压须在一定范围内做任意调节的场合，可选用这种集成稳压器。

例如：

输出正电压的CW117/CW217/CW317系列和输出负电压的CW137/CW237/CW337系列。

各系列的内部电路和工作原理基本相同，但工作温度不同，分别为（-55℃～150℃）、（-25℃～150℃）和（0℃～125℃）。

根据输出电流的大小，每个系列又分为L型（0.1A）、M型（0.5A），如果不标M或L，输出电流最大为1.5A。

三个管脚分别为输入端Ui、电压调整端ADJ和输出端Uo，没有地端。

当输入电压在3～40V范围内变化时，电路均能正常工作，此时输出端与调整端的电位差为1.25V，如果把调整端接地，它就成为输出为1.25V的固定输出三端稳压器。

2.1.1LM317

LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，其输出范围是1.25V到37V，负载电流最大为1.5安。

他的使用非常简单，外接两个电阻

就可以设置输出电压，此外他的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好，LM317内置有过流保护和安全区保护等多种电路，通常也不需要外接电容。

特性简介：

可调整输出电压到1.25V。

保证1.5安输出电流。

典型线性调整率0.01%.

典型负载调整率0.1%。

80dB纹波抑制比。

输出短路保护、过热过流保护、调整管的安全工作区保护

输入与输出工作压差

：

3～40V

电压范围：

输入输出最下压降为1.25V

LM317/LM3371.25V至37V可调。

LM317与LM337集成稳压器的特性满足设计要求的输出电压Vo:

±1.25-±12V连续可调

封装形式TO-220塑料封装，T0-3铝壳封装，TO-202塑料封装，TO-39金属封装

LM317外形及典型电路

工作原理：

输出电压

，所以输出电压取决于外接电阻R1、可调电阻R2的分压比。

选取合适发的两个电阻的阻值变可以得到理想的输出电压，LM317输出端与调整端之间的电位差恒等于1.25V，调整端1的电流极小，所以流过R1、R2的电流几乎相等（约几毫安电流），通过改变电位器的阻值就能改变输出电压。

LM317稳压器为了保持输出电压的稳定性，要求流经R1的电流要小于5mA，所以R2/R1的比值范围只能是0-28.6，经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ，R2的最大取值为R2≈23.74KΩ，必须保证R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ两个不等式同时成立，才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。

2.1.2LM337

LM337是比较常见的降压型线性稳压器，LM337的输出电压范围是-1.2V至-37V，负载电流最大为0.4~2.2A。

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。

LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常LM337不需要外接电容。

特性简介：

可调整输出电压到负1.25V。

典型线性调整率0.01%。

　　典型负载调整率0.1%。

　　80dB纹波抑制比。

　　输出短路保护。

　　过流、过热保护。

　　调整管安全工作区保护。

　　输入输出最小压差降为0.2V

电压范围：

输入输出最下压降为负1.25V

LM317/LM3371.25V至37V可调。

LM317与LM337集成稳压器的特性满足设计要求的输出电压Vo:

±1.25-±12V连续可调

封装形式TO-220塑料封装，T0-3铝壳封装，TO-202塑料封装，TO-39金属封装

LM337外形及典型电路

工作原理：

输出电压

，所以输出电压取决于外接电阻R1、可调电阻R2的分压比。

选取合适发的两个电阻的阻值变可以得到理想的输出电压，LM317输出端与调整端之间的电位差恒等于1.25V，调整端1的电流极小，所以流过R1、R2的电流几乎相等（约几毫安电流），通过改变电位器的阻值就能改变输出电压。

LM317稳压器为了保持输出电压的稳定性，要求流经R1的电流要小于5mA，所以R2/R1的比值范围只能是0-28.6，经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ，R2的最大取值为R2≈23.74KΩ，必须保证R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ两个不等式同时成立，才能保证337稳压块在空载时能够稳定地工作。

2.2三端固定式集成稳压器

这类固定输出的通用型线性稳压器，有输入、输出和公共端3个端子，一般来说正电压输出的用四位数字78XX（或中间加一位字母）表示基本型号。

举例来说，7805表示正5V输出的线性稳压器额定电流是1000mA。

7800系列的输出电压为5，6，9，12，15，18，24V共7个档次，7806、7808、7809、7812、7815、7818、7824分别表示6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V电压输出、额定电流1000mA的线性稳压器，如果在中间加一个字母L（例如78L05）表示额定电流为100mA，如果加字母M表示额定电流为500mA，如果加字母H表示额定电流为5000mA，如果加字母P表示额定电流为10000mA；负电压输出的用四位数字79XX（或中间加一位字母）表示基本型号。

举例来说，7905表示负5V输出的线性稳压器额定电流为1000mA，其他和78XX系列相同。

但是各厂家的型号前缀和后缀各不相同，比如同为7805，ON的产品前缀是MC，型号是MC7805，松下的产品前缀是AN，ST的产品前缀是L，NS的产品前缀是LM等等，这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，得到了广泛的应用。

2.2.1LM7805

LM7805输出为+5V，输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

Ci，Co最好采用漏电流小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比图中数值增加10倍。

特性简介：

输出电流可达1A

输出电压有：

5V

过热保护

短路保护

输出晶体管SOA保护

三端固定正稳压器的典型应用电路如图：

LM7805外形和典型电路

2.2.2L7905CV

输出为-5V，输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

特性简介：

输出电压-5V

输出电流0.5A

线路调整率100mV

负载调节100mV

回动电压（最大值）1.4V

最大输入电压-35V

三端固定正稳压器的典型应用电路如图：

L7905CV外形及典型电路

3、详细设计与仿真

3.1电源变压器

电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

因为变压器由铜线绕成，所以会有一定的内阻R，致使电流流过变压器时，就会造成一定的损耗。

设整流滤波电路的输出电流为

，输出电压为

流过变压器的工作电流为

，则

为输出电压降的比率，

为输出电压的比率，

为变压器的工作电流与输出电流的比率。

由于

，

，则

，所以

，其中，约0.1V的偏差为变压器上的损耗。

又因为正向导通的每个二极管上大约有1V的损耗，所以事实上输出电压约为14V。

对于中心抽头式全波整流电路，由于每次只有一个二极管正向导通，所以输出电压值稍大些。

所以应选择额定电流大于0.64V的变压器。

实际的变压器中当变压器输出电流小于额定电流时，变压器输出电压的峰值将大于15V，也可以得到整流电路的输出电压可能大于14V。

若选择中心抽头式变压器，在输出电压降比率

相同的情况下，变压器所需的额定电流要小一些。

3.2整流电路

整流电路：

是利用整流二极管的导通特性将交流电压转换为单一方向的半波电压。

根据整流二极管连接形式的不同，又可半波整流电路和桥式整流电路。

（1）半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压V只有半个周期可以到达负载，造成负载电压V是单方向的脉动直流电压，见图

半波整流电路

（2）全波整流电路是利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波