毕业设计线性稳压电源设计.docx

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毕业设计线性稳压电源设计

摘要

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有共同的电路——电源电路。

大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。

电源电路是一切电子设备的基础。

提供稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。

直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。

为此，本设计旨在利用所学课程，制作出满足技术要求的线性稳压电源电路，通过电路仿真和测试，利用所得数据分析线性稳压电源电路的构成原理。

关键词：

线性稳压电路，整流滤波，稳压

Abstract

Nowdayspeoplegreatlyenjoytheconvenienceofelectronicequipment,butanyelectronicdeviceshave--powersupplycircuitcommon.Thesupercomputer,smallpocketcalculator,allelectronicdevicesmustbetosupportinthepowercircuitundernormaloperation.Thepowersupplycircuitisthebasisofallelectronicequipment.ToprovideastableDCpoweristheDCregulatedpowersupply.DCregulatedpowersupplyplaysanimportantroleinthepowersupplytechnology.

Therefore,thisdesignaimstousetheschoolcurriculum,makingouttomeetthetechnicalrequirementsofthelinearregulatedpowersupplycircuit,thecircuitsimulationandtest,analysisoftheprincipleoflinearregulatedpowersupplycircuitusingincomedata.

Keywords:

linearvoltagestabilizingcircuit,therectifi,voltageregulator

第一章引言

1.1选题背景和意义

当今，电子产品已普及到工作与生活的各个方面，其性能价格比越来愈高，功能越来越强，供电的电源电路在整机电路中是相当重要的。

它的性能良好与否之间营养整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。

随着电子技术的飞速发展，电源技术也得到了很大的发展，它从过去的不太复杂的电子电路变为今日的具有较强功能的功能模块。

电压稳定的方式，由传统的线性稳压发展到今天的非线性稳压，电源电路也由简单变复杂，电源技术正从过去附属于其他电子设备的状态，逐渐演变成为一个独立学科分支。

我们一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统串联稳压器，调整管总是工作与放大区，流过的电流是连续的，这种稳压的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有35%~60%。

由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积较大的散热器。

随着电子技术的高速发展，电子设备的应用越来越广泛，种类也越来越多，与人们生活，工作日益密切。

任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。

线性直流电源的应用非常广泛，小至家用电器的供电电源，大至大型发电厂，水电厂，超高压变电站，无人值守变电站作为控制信号，保护，自动操作，事故照明，直流油泵等各种用电装置的直流供电电源。

与此同时直流电源的好坏直接影响着电子设备或控制系统的工作性能。

目前市场上各种直流电源的基本环节大致，都包括交流电源，交流变压器，整流电路，滤波稳压电路等。

但由于调节性能差，过电压水平高，线路损耗大等原因给人们生活带来了诸多不便。

体积小，重量轻，效率高是稳压电源的总体发展方向。

掌握控制电路，驱动电路和保护电路的工作原理以及应用，了解稳压电源中击穿，整流滤波的防止和应用，有关变压器的加工工艺及绝缘处理。

通过设计，安装，调试等环节，提高动手能力，分析和解决问题能力。

通过设计测量范围宽，体积小，应用范围广泛，易于操作便于携带的直流电源，克服现有电源在使用上存在的如结构复杂，成本过高，功率低等一系列问题。

1.2选题发展趋势

新型半导体器件的发展使开关电源技术进步的龙头。

目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。

此外，平面变压器，压电变压器及新型电容器等元件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。

集成化是电源技术的一个重要的发展方向。

通过控制电路的集成，驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。

集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量

线性稳压电源的发展趋势更是向着模块化、数字化、绿色化的方向发展。

稳压电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。

稳压电源、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

这几年,随着通信行业的发展,以稳压电源技术为核心的通信用稳压电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。

稳压电源代替相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。

还有其它许多以稳压电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

1.3选题难点及学习方向

1.3.1电源技术存在问题

随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对稳压电源中的变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的变压器或者通过别的途经取代变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。

工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。

1.3.2设计学习方向

（1）选择整流二极管，滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。

（2）掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法。

（3）掌握电路中主要电器元件三端稳压的作用及结构。

第2章线性稳压电源电路的基础和理论

2.1线性稳压电源的基础知识

2.1.1线性稳压电源的组成

线性直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。

如图2-1所示结构：

图2-1线性直流稳压电源组成框图

（1）交流电压变换部分  将交流电网提供的交流电压变换到电子电路所需要的交流电压。

同时还可起到直流电源与电网的隔离作用。

（2）整流部分  将变压器变换后的交流电压变为单向脉动电压（脉动直流）。

（3）滤波部分  对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理，使之成为一个含纹波成分很小的直流电压。

（4）稳压部分  将滤波输出的直流电压进行调节，一维持输出电压的基本稳定。

由于滤波后输出直流电压受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，所以要设置稳压电路。

2.1.2线性稳压电源的工作原理

线性直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。

变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电，整流器把交流电变为直流电，经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并稳定输出直流电压。

2.1.3线性稳压电源的特点

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（现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的）；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

2.2整流电路

2.2.1半波整流

变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。

利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二极管所阻，没有电流。

这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。

只适用于小电流整流电路。

图2-2半波整流原理图

半波电压电流值计算公式：

半波整流电路的优点是结构简单，使用的元器件少。

但缺点是输出的波形脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。

所以只能用在输出功率较小、负载要求不高的场合。

2.2.2全波整流

全波整流是一种对交流整流的电路。

在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件（比如晶体二极管），而在另一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。

全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。

因此在整流器中广泛地应用着全波整流。

在应用全波整流器时其电源变压器必须有中心抽头。

无论正半周或负半周，通过负载电阻R的电流方向总是相同的。

图2-3全波整流原理图

全波电压电流值计算公式：

全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。

2.2.3桥式整流

桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。

输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。

图2-4桥式整流原理图

桥式整流电路参数：

桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。

桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。

2.2.4半波，全波，桥式整流电路的对比

脉动系数Ｓ：

整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。

S越小越好。

用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得:

对比如表2-1：

表2-1整流电路性能的简单对比

2.3稳压电路

稳压电路是利用能够自动调整输出电压变化的电路来使输出的电压不随电网电压、温度或负载的变化而变化，从而达到稳定输出电压的目的。

对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。

稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

它利用调节流过稳压管自身的电流大小（端电压基本不变）来满足负载电流的改变，并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化，以适应电网电压的波动。

在电网电压不变时，

负载电流的变化范围就是稳压管电流的调节范围。

负载不变时，电网电压的波动，在波动至最低时必须保证稳压管工作在反向击穿状态，在波动至最高时，要保证管子的功耗不超过允许的最大管耗。

2.3.1稳压电路的指标

衡量稳压器的性能有许多指标，例如额定输出电压、电流和电压调节范围等，这属于特性指标；稳压系数、等效内阻、纹波电压（即交流电压分量）等属于质量指标。

自动化程度，用来说明维护人员离开时，例如，是否具有自动开机、停机性能，故障检测等。

经济指标，主要有效率和功率因数等。

下面简单介绍下质量指标。

1 稳压系数 当负载电流一定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比称为稳压系数，即：

上式中，γ为稳压系数；Uo为稳压器的额定输出电压；Ui为稳压器额定输入电压；△Uo为输出电压的变化量；△Ui为输入电压的变化量；IL为负载电流。

另外还有以γ的倒数S为标准，称S＝1/γ为稳定系数的。

2 等效电阻Ro 又称为动态电阻，是包括整流、滤波和稳压在内的等效电阻。

当Ui保持不变时，输出电压增量△Uo与输出电流增量△Io之比称为等效内阻：

上式中，Ro为正值，由于电流增加（增量为正）时其两端电压受内阻影响要下降（增量为负），故上式中加了个“－”号，使得Ro为正值。

通常稳压器在额定范围内使用时，Ro约在1.5Ω以下。

 3 纹波电压 纹波电压就是叠加在输出直流电压上的交流电压分量，通常经滤波及稳压后，它的数值在几毫伏以内，以不影响电子设备工作为准。

可用一个容量较大的电容器与交流毫伏表串联进行测量，此电容是隔直流用的。

2.3.2稳压管基本应用电路

硅稳压管也称为齐纳二极管，其伏安特性如图所示。

从伏安特性可以看到，当流过稳压管的电流在一个较大范围内变化时，稳压管两端的电压几乎不变。

稳压管的这一特性将稳压管和负载并联，若能保证稳压管中的电流在一定范围内，则负载电压就能在一定程度上得到稳定，因此，稳压电路的关键就是限定稳压管中的电流。

因为如果工作电流太小，则电压随电流的变化很大，达不到稳压的目的；但工作电流也不能太大，以免超过管子的额定功率，造成损坏。

小功率稳压管的工作电流大致几毫安至几十毫安，大功率的稳压管可到几安培到十几安培。

图2-5是由稳压管构成的基本稳压电路：

图2-5稳压管稳压电路

电路中，R决定了向稳压管和负载输送电流的总量，起着限流和调压的作用，稳压管起着调节电流的作用。

如负载LR减小，要求更多的电流流过RL时，通过稳压管的电流Iz将随之减小，使Ir基本不变，以保证输出电压Vo基本不变。

如果RL不变，但输入电压Vi由于电网电压或元件参数改变而增加时，则Ir将增加，此时Iz也随之增加，保证Io基本不变，即Vo基本不变。

如果Vi和RL都变化，则Iz将综合二者的变化加以调整，只要Iz的变化在它的允许的工作范围之内，就能保证起

起到较好的稳压作用。

稳压管稳压电路具有线路简单，调试方便等优点，但输出电流受稳压管稳定电流的限制，而且输出电压又不能任意调节，稳压性能不高，只适用于输出电流小，负载变动不到和稳定性能要求不高的场合，或作为辅助稳压源。

若负载经常变动，要求输出电压连续可调，稳定性能好，就要采用晶体管稳压源。

2.3.3三端集成稳压

（1）可调式三端集成稳压器

可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。

在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节

端。

稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2~37V，最大输出电流Iomax=1.5A。

输入电压与输出电压差的允许范围为：

UI-Uo=3~40V。

（2）固定三端集成稳压器

定输出的三端集成稳压器的三端指输入端、输出端及公共端三个引出端，公共端的静态电流为8mA。

在根据稳定电压值选择稳压器的型号时，要求经整流滤波后的电压要高于三端稳压器的输出电压2~3V（输出负电压时要低2~3V），但不宜过大。

2.4线性稳压电源电路的设计

2.4.1元器件简介

1．半导体二极管：

将PN结加上相应的引线和管壳，就成为半导体二极管。

按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。

二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多载流子（除少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。

当正向电压超过一定数值后，内电场大大削弱，电流增长很快。

这个一定数值的正向电压称为死区电压，通常硅管的死区电压为0.5V，锗管约为0.1V。

导通时的正向压降，硅管约为0.6~0.8V，锗管约为0.2~0.3V。

在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。

反向电流有两个特点：

一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。

而与反向电压的高低无关。

故通常称它为反向饱和电流。

而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。

二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。

二极管的主要参数：

（1）最大整流电流：

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。

点接触型的二极管的最大整流电流在几十毫安以下。

面接触型二极管的最大整流电流较大。

（2）反向工作峰值电压：

它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。

（3）反向峰值电流：

它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。

2.电阻的基本知识：

电阻器由电阻体、骨架和引出端三部分构成（实芯电阻器的电阻体与骨架合而为一），而决定阻值的只是电阻体。

对于截面均匀的电阻体，电阻值式中ρ为电阻材料的电阻率（欧·厘米）；L为电阻体的长度（厘米）；A为电阻体的截面积（平方厘米）。

薄膜电阻体的厚度d很小，难于测准,且ρ又随厚度而变化，故把视为与薄膜材料有关的常数，称为膜电阻。

实际上它就是正方形薄膜的阻值，故又称方阻（欧/方）。

对于均匀薄膜，薄膜阻值式中W为薄膜的宽度（厘米）。

通常Rs应在一有限范围内，Rs太大会影响电阻器性能的稳定。

因此圆柱形电阻体以刻槽方法，平面形电阻体用刻蚀迂回图形的方法来扩大其阻值范围，并进行阻值微调。

3.电容的基本知识：

在直流电路中，电容器是相当于断路的。

电容器是一种能够储藏电荷的元件，也是最常用的电子元件之一。

这得从电容器的结构上说起。

最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成的。

通电后，极板带电，形成电压（电势差），但是由于中间的绝缘物质，所以整个电容器是不导电的。

不过，这样的情况是在没有超过电容器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。

我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质是都可以导电的，我们称这个电压叫击穿电压。

电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体了。

不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压以下工作的，可以被当做绝缘体看。

但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。

而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。

实际上，电流是通过电场的形式在电容器间通过的。

2.4.2线性稳压电源的设计

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。

稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：

1.根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。

2.根据稳压器的输入电压

，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电

源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。

然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

3.确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压

和滤波电容的电容值和耐压值。

根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。

设计举例：

设计一个直流稳压电源，性能指标要求为：

纹波电压的有效值

稳压系数

设计步骤：

（1）选择集成稳压器，确定电路形式

（2）集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：

，最大输出电流

为1.5A。

选择电源变压器

由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值

，输入电压与输出电压差的最大值

，故CW317的输入电压范围为：

即

，取

变压器副边电流：

，取

，

因此，变压器副边输出功率：

由于变压器的效率

，所以变压器原边输入功率

，为留有余地，选用功率为

的变压器。

第3章线性稳压电源电路的仿真和数据分析

3.1仿真软件介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以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。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

3.2全波整流电路仿真

3.2.1全波整流电路原理图

图3-1全波-电容仿真电路原理图

图3-2全波-电阻仿真电路原理图

3.2.2全波整流电路仿真波形图

图3-3全波-电容仿真波形图（起始部分）

图3-4全波-电容仿真波形图（稳定部分）

图3-5全波-电阻仿真波形图

3.2.3全波整流电路数据分析

1.电容部分：

图3-1为全波-电容仿真电路原理图，图3-3为全波-电容仿真波形的起始部分波形图，图3-4为稳定部分波形图。

由图3-1可知，负载电阻R1，R2，R3，R4均为1K欧姆，负载电容C1（100微F），C2（470微F），C3（1000微F），C4（4700微F）。

由图3-3可知，从上往下，第一条曲线对应电容C1，依次到电容C4。

在电源，二极管不变的情况下，随着负载电容数值越大，输出电压曲线纹波越小，输出电压越平稳。

由图3-4可知，C1趋于稳定最快而C4最慢，电容越大，输出电压达到稳定电压时间越长。

2.电阻部分：

图3-2为全波-电阻仿真电路原理图，图3-5为全波-电阻仿真波形图。

由图3-2可知，其负载电阻R1（1K欧），R2（2K欧），R3（5K欧），R4（10K欧），负载电容为C1,C2,C3,C4且都为100微F。

由图3-5可知，从上往下，第一条曲线对于电阻R1，依次到电阻R4。

在电源，二极管不变的情况下，负载电阻越大，输出电压曲线的波纹越小，输出电压越平稳。

3.3桥式整流电路仿真

3.3.1桥式整流电路原理图

图3-6桥式-电容仿真电路原理图

图3-7桥式-电阻仿真电路原理图

3.3.2桥式整流电路仿真波形图

图3-8桥式-电容仿真波形图（起始部分）

图3-9桥式-电容仿真波形图（稳定部分）

图3-10桥式-电阻仿真波形图

3.3.3桥式整流电路数据分析

1.电容部分：

图3-6为桥式-电容仿真电路原理图，图3-8为桥式-电容仿真波形的起始部分波形图，图3-9为稳定部分波形图。

由图3-6可知，负载电阻R1，R2，R3，R4均为1K欧姆，负载电容C1（100微F），C2（470微F），C3（1000微F），C4（4700微F）。

由图3-8可知，从上往下，第一条曲线对