模电课程设计.docx

模电课程设计.docx

《模电课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电课程设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

模电课程设计

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:

初始条件：

集成芯片LM317,变压器，multisim软件，模拟电子技术基础

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

设计并制作交流变换为直流的稳定电源，使之达到以下要求：

稳压电源模块在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：

输出电压可调范围为+9V～+12V；稳流电源模块在输入电压固定为＋12V的条件下输出4～20mA可调电流；DC-DC变换器模块在输入电压为+9V～+12V条件下：

输出电压为+100V，输出电流为10mA。

时间安排：

第18周理论讲解。

第19周理论设计、实验室安装调试。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

很多电子设备、家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低功耗、便携式的仪器设备选用干电池供电外，绝大多数电子设备正常工作需要直流供电，而常用的电源——市电是220V或380V的交流电，因此需要把交流电换成直流电。

变换的方法是有交流电网经过变压、整流、滤波、稳压这几个步骤来获得直流电源的。

人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的发展。

而现代电子产品又离不开电源、如果没有一个好的直流电源，我们的大多数的电子产品将无法使用，现在在实际的电路中，需要的大多数是大于等于3V和小于18V的直流电，我们不可能去买干电池去满足这一要求，为此我们的电子产品一定需要一个能把市电转变成我们所需要的直流电的稳压电源。

于不同的电子产品可能需要不同的电源，做可调电源就会使需不同电源的电子产品得到与它匹配的电源，从而使得它能正常工作，使它的工作效率达到最高。

电源的优劣将会决定电子产品的使用寿命，因此，我们需要的是高质量的直流电源。

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反馈式逆变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。

关键字：

直流稳压、直流稳流、DC-DC变换器、LM317

Abstract

Manyelectronicdevices,householdappliancesrequireDCpowersupply,whichinadditiontoasmallnumberoflow-power,portablebattery-poweredequipmentselection,thevastmajorityofelectronicdevicesrequireDCpowersupplytowork,andcommonpowersupply-electricityis220Vor380VAC,andthereforetheneedtoreplacetheACcurrent.ThereisamethodofconvertingACpowergridviatransformer,rectifier,filter,regulatorseveralstepstoobtainaDCpowersupply.Humansocietyhasenteredtheinformationera,thedevelopmentoftheinformationsocietyisinseparablefromthedevelopmentofelectronicproducts.Themodernpowerelectronicsareinseparable,ifnotagoodDCpowersupply,mostofourelectronicproductswillnotbeavailablenowintheactualcircuit,needmostisgreaterthanorequallessthan3Vand18VDC,andWecannotbuybatteriestomeetthisrequirement,forourelectronicproductsmustbeabletorequireamainsintoDCweneedapowersupply.Indifferentelectronicproductsmayrequiredifferentpoweradjustablepowertodosowillneedtogetadifferentpowerelectronicproductsanditmatchesthepowersupply,makingitwork,makingitthehighestefficiency.Powerwilldeterminethemeritsofthelifeofelectronicproducts,therefore,whatweneedisahighqualityDCpowersupply.Thedesignofeachchipwithathree-terminalregulatorLM317voltageregulatorcircuit,LM317three-terminalregulatorchipsteadyflowcircuitandaninvertercircuitdesignfeedbackDCpowersupply,DCstabilizedpowersupplyandDC-DCconverter.Throughknowledgeofthecircuitparameterswerecalculatedforeachindividualdevice,thecircuitperformanceindicatorstoachievethedesignrequirementsofthevoltageregulationandcurrentregulation,loadregulation,ripplevoltage.

Keywords:

DC,DCsteadyflow,DC-DCconverters,LM317

1绪论

人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的发展。

而现代电子产品又离不开电源、如果没有一个好的直流电源，我们的大多数的电子产品将无法使用，现在在实际的电路中，需要的大多数是大于等于3V和小于18V的直流电，我们不可能去买干电池去满足这一要求，为此我们的电子产品一定需要一个能把市电转变成我们所需要的直流电的稳压电源。

由于不同的电子产品可能需要不同的电源，做可调电源就会使需不同电源的电子产品得到与它匹配的电源，从而使得它能正常工作，使它的工作效率达到最高。

电源的优劣将会决定电子产品的使用寿命，因此，我们需要的是高质量的直流电源

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反馈式逆变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。

1.1设计目的

（1）.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

（2）.学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

（3）.培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.2设计任务及要求

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+9V～+12V

b．最大输出电流为1.5A

c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）

d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）

e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）

f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）

g．具有过流及短路保护功能

（2）稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：

a．输出电流：

4～20mA可调

b．负载调整率≤1%（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）

（3）DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：

a．输出电压为+100V，输出电流为10mA

b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）

c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）

d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）

三、发挥部分

（1）扩充功能

a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态

b．过热保护

c．防止开、关机时产生的“过冲”

（2）提高稳压电源的技术指标

a．提高电压调整率和负载调整率

b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值

（3）改善DC-DC变换器

a．提高效率（在100V、100mA下）

b．提高输出电压

（4）用数字显示输出电压和输出电流

2直流稳压电源的设计

将市电的220V或380V交流电经变压、整流、滤波、稳压着几个步骤后变成所需的直流电就是直流稳压过程。

变压的作用是将220V的交流电转化为具有直流成分的的脉动直流电，实现整流的电路有半波整流电路或桥式全波整流电路。

滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。

稳压电路对症整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。

直流稳压电源的结构如图2.1所示，通常是由变压、整流、滤波和稳压四部分组成。

图2.1直流稳压电源组成

2.1方案选择

直流稳压电源的设计主要可由分立元件或集成芯片设计。

2.1.1稳压管稳压电路

稳压管稳压电路如图2.2所示

图2.2稳压管稳压电路

稳压二极管稳压的工作原理分析如下：

当输入电压Vi升高。

必然会引起输出电压Vo增大。

由稳压二极管的稳压特性可知，由于Vo增加，将使稳压二极管的工作电流IDZ增加较大，于是限流电阻R上的电压降增加，在很大程度上补偿了Vi的增加，从而保持了Vo的基本不变。

反之，当Vi下降而引起Vo减小时，IDZ变小，R上的电压降减小，也保持了Vo的基本不变。

同样，当负载电阻RL变化时，负载电流IO也将改变,IO的变化将有稳压二极管的电流来补偿。

如负载电阻RL变小时,IO增加，本来欲使Vo增加，但同时IO增加，则电流IR增加,VR也随之增加；因此保持了输出电压Vo的基本不变。

由此可见，在这种稳压电路中中，稳压二极管起着电流控制作用，无论是由于RL或Vi的变化，使输出电压产生很小的变化，因而引起IDZ较大变化，使电流IR变化，并通过限流电阻R的调压作用，使输出电压Vo稳定。

2.1.2串联型稳压电路

如图2.3为串联型稳压电路图

图2.3串联型稳压电路

电路的稳压过程如下：

当输入电压Vi增加，或负载电阻RL增加时，都使得Vo增加，于是Vf增大，VB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，VB增加，管压降VCE减小，使Vo基本不变。

综上所述，串联反馈型稳压电路利用电压串联负反馈实现了输出电压的稳定。

2.1.3由稳压器组成的稳压电路

如图2.4是由LM317组成的稳压电路

图2.4由LM317组成的稳压电路

最终，我决定采用第三种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.LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到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。

2.2由LM317组成的稳压电路的工作原理

2.2.1电源变压电路

我采用220V-18V，10W的变压器构成降压电路，获得所需的18V电压，电路如图2.5所示：

图2.5变压器降压电路

电源变压器将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。

如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。

变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率。

电源变压器的效率为：

其中：

是变压器副边的功率，

是变压器原边的功率。

一般小型变压器的效率如表1所示：

表1小型变压器的效率

副边功率

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

因此，当算出了副边功率

后，就可以根据上表算出原边功率

。

2.2.2整流电路

单相桥式全波整流电路如图2.6所示：

图2.6单相桥式全波整流电路

桥式全波整流电路的原理如下：

在V2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。

在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。

其电流通路可用图中实线箭头表示。

在V2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。

电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。

其电流通路如图中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

整流后的波形如图2.7所示：

图2.7整流后的波形图

2.2.4滤波电路

滤波电路图如图2.8所示：

图2.8滤波电路图

经过整流后得到的脉冲直流纹波还是很大的，所以要经过滤波电路的滤波，滤波电路通常有电容滤波，电感滤波，II型滤波等。

由于电感的体积和制作成本等原因，我们多采用电容滤波，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以虑除，一得到较平缓的直流电压。

其工作原理为：

当负载RL未接入（S断开）时的情况，设电容两端的初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周期时，v2通过D1、D3向电容C充电充电电流的方向如图中的箭头所示：

当v2为负半周期时，经D2、D4向电容C充电，充电电流方向仍然如图中箭头方向所示。

接入负载RL（开关S合上）的情况：

设变压器二次电压v2从零开始上升时接入负载RL,若电容器在未接入负载前未充电，其电压vc=0,故刚接入负载时v2>vc,,二极管承受外加正向电压作用而导通，电流经D1、D3向负载电阻供电，同时向电容C充电。

当v2

滤波波形如下图2.9所示：

图2.9滤波后波形

2.2.5稳压电路

稳压电路图如下图2.10所示：

图2.10稳压电路

由于设计要求输出9—12V连续可调的电压，因此这里我们采用LM317来设计电路。

　LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。

317系列稳压块的型号很多：

例如LM317HVH、W317L等。

电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。

稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。

仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。

然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。

首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。

其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。

最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。

由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。

当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。

当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。

如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：

稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。

输出电压Uo=1.25[1+（Rw+R2）]/R1V,R2取410Ω，当；R1=0，R3=2500Ω，Uo=+9V。

当R1满量程时，输出Uo为+12V。

其中C1（1μF）用来抑制高频干扰；C2、C3用来克服LM317在深度负反馈工作下可能产生的自激振荡，还可进一步减小输出电压中的纹波分量。

D2的作用是防止输入端短路，；D3的作用是防止输出端短路时损坏稳压器。

3稳流电源的设计与制作

直流稳流电源是先将直流稳压电源的输出电压作为输入电压，通过LM317变为可调的稳定电压，串上相应的电阻变成可调电阻输出。

其电路图如下图3.1所示：

图3.1直流稳流电路

本设计中直流稳流电源由本实验设计中的电压源供给12V直流电，经过稳压芯片LM317的稳压给输出以一个稳定电压。

通过调节电路中电阻的串联大小可以调节电路中输出电流的大小，而由于LM317控制端此时电流Id几乎为零，可以忽略不计，而且由于电阻较大，所以其接进去一定范围内变化的的负载时，电流变化很小从而达到稳流目的。

设计要求输出电流4—20毫伏可调，1.25/（R1+R3）=0.004，1.25/R5=0.020,由此可以计算出两个电阻的阻值，从而输出恒定的电流。

4DC-DC变换电路的设计

4.1可行的设计方案

4.1.1PWMDC/DC变换器

图4.1PWMDC/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

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

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.

4.1.2NE555芯片的升压电路

图4.2NE555芯片的升压电路

E555、RW2、R7、R8、C6组成多谐振荡电路，由NE555的引脚3输出振荡波形；R9、C8组成加速电路，Q5为推动管；Q6组成电流开关电路，L1是储能元件，R14、C9是阻尼元件；D9、C10、C11组成输出整流滤波电路；D11、R15为输出电压指示电路。

上电时，VCC通过RW2、R7、R8给C6充电，NE555输出高电平，当C6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C6充电，如此周而复始，在NE555的输出端输出周期矩形波。

当NE555输出低电平时，Q5截至，Q6导通，电源VCC经L1、Q6形成回路，电能转换为磁能；当NE555输出高电平时，Q5导通，Q6截至，由于电感，里面电流不能突变，此时L1上储存的磁能转换为电能，在L1两端产生一自感应电压，此自感电压与电源电压串联起来一起经D9向C10充电，同时向负载提