Protel应用课程方案设计书直流稳压电源方案设计书.docx
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Protel应用课程方案设计书直流稳压电源方案设计书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
信息SY1001班
指导教师：
魏洪涛工作单位：
信息工程学院
题目:
Protel应用课程设计——直流稳压电源设计
初始条件：
AltiumDesigner9软件、相关模电知识
要求完成的主要任务:
1、根据自选题目绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。
2、绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb。
3、对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。
4、有能力的同学可做出实物电路，此项作为加分项处理。
时间安排：
序号
阶段内容
所需时间
1
选题，原理方案设计
2天
2
电路原理图、印刷版图设计、电路的仿真、实物制作
3天
3
撰写报告
1天
4
答辩
1天
合计
7天
指导教师签名：
2013年7月2日
系主任（或责任教师）签名：
2013年7月2日
摘要
本课程设计目的在于培养同学们自主设计制作的能力，同时学会应用仿真软件对设计电路进行模拟分析，并学会用AltiumDesigner软件进行PCB制图。
集成直流稳压电源的设计要求是比较基本的设计，设计要求电源输出三档可调直流电压。
设计中包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分。
通过四部分的组合将220V交流电压转变为设计要求直流电压。
并且用仿真软件进行仿真分析。
关键词：
AltiumDesigner、PCB、集成直流稳压电源Abstract
Thiscourseisdesignedtotraintheabilitytomakeindependentdesignstudents,atthesametime,learntousesimulationsoftwaretosimulatethecircuitdesign,andlearntouseAltiumDesignerPCBdrawingsoftware.
DesignrequirementsforintegratedDCregulatedpowersupplyisthebasicdesign,thedesignrequirementsofpoweroutputthreeadjustableDCvoltage.Thedesignincludesfourpartsofpowertransformer,rectifiercircuit,filtercircuit,voltageregulatorcircuit.The220VACvoltageintoDCvoltagethroughthecombinationofdesignrequirementsoffourparts.Andcarriesonthesimulationanalysisbysimulationsoftware.
Keywords:
AltiumDesigner、PCB、IntegratedDCregulatedpowersupply.
直流电源的设计与实现
1设计要求:
1.1课程设计总体要求
1.根据自选题目绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。
2.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb。
3.对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。
*4.有能力的同学可做出实物电路，此项作为加分项处理。
1.2性能指标要求
1．输出电阻不大于1欧姆；
2．输出电压纹波较小；
3．稳压系数范围；
2电路的工作原理
集成直流稳压电源由四部分组成，四部分分别为:
电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路,如图2-1所示。
图2-1集成直流稳压电源
2.1电源变压器
电源变压器的效率电源变压器是将220V，50HZ交流电压降压后输出到副边。
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2-1所示：
表2-1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。
例如对本次课程设计原边边电功率为20，由表可知其效率η=0.7，则变压器副功率为14W。
LM317与LM337输入电压在±（3～40）V,当副边输出电压为±15V时，LM317及LM337都能正常工作。
2.2整流电路
管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。
如图2-2所示：
图2-2桥式整流电路
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。
2.3滤波电路及滤波电容的选择
滤波电路及其原理如下图2-3所示:
图2-3RC滤波电路
图2-4RC滤波电路电容滤波电路中二极管的电流和导通角
为了得到平滑的负载电压，一般取
RLC>=（3~5）T/2
式中T为电源交流电压的周期，滤波电容的容量可由下式估算：
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；
T——电容C放电时间，t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于1.4V2。
2.4稳压电路
由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变化。
因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。
采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。
图2-5三端可调式稳压器及其电路
图2-6三端固定式稳压器
集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。
按照输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可以分为正电压输出和负电压输出两种类型。
按照设计要求本设计要用到可调式三端稳压器。
3元件选择和参数计算
3.1电源变压器
因当算出了副边功率后，就可以根据表1算出原边功率。
考虑到电流不需要太大，最大电流为0.8A，可以选择电源变压器为双15Ｖ／25Ｗ。
原边输入功率为。
副边输出功率为
因为所选电源变压器为双15Ｖ／25Ｗ，由表中数据可知，则，所选25W符合要求。
电源变压器的实际效率为
3.2整流电路参数
输出电压平均值：
输出电流平均值：
平均整流电流：
最大反向电压：
整流二极管的选择（考虑电网%波动）：
故整流二极管选可选择1N4001,其极限参数为,而,
3.3滤波电路参数
滤波电容的选择：
，
一般选择几十至几千微法的电解电容，耐压值应大于。
在选择三端稳压器LM317后，其输出电压范围是：
1.25~12V，假定设计电路需满足纹波电压不大于5mv，选择稳压系数为：
因为,而
所以
滤波电容为,电容C的耐压应大于
故取2只/25V的电解电容相并联作为滤波电容。
为达到更好的滤波效果，可以在电解电容旁并联一个0.1的电容。
3.4LM317相关参数
确定R1、R2的阻值：
输出电压取决于外接电阻R1、可调电阻R2的分压比。
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。
输出电压计算公式
带入数据可得
（1）
（2）
有
（1）
（2）可得：
取滑动变阻器：
，则
的阻值不是标称值，取标称阻值。
此时，取其标称值：
C4用于进一步减少输出谐波电压，一般取100nF；
输出端电容C5用来改善负载的瞬态效应，消除电路的高频噪声，同时也有消振作用，一般选取；
当输入端短路时，已充电的C5电容将从稳压管的输出端向稳压管放电，使稳压管损坏，D6可防止此种情况发生；
当输出端短路时，已充电的C3通过放电到稳压管的调整端，使稳压管损坏，D5课防止此种情况发生，C3一般选取。
4Multisim仿真及参数测量
4.1整体电路图
直流稳压电路的整体电路图如图3-1所示：
图3-1直流稳压电源的整体电路
4.2电路仿真结果
整流电路输出的仿真图如图3-2所示:
图3-2整流电路的输出
滤波电路的输出图如图3-3所示:
图3-3滤波电路的输出
直流电源的输出结果如图3-4所示：
图3-4直流电源的输出
由直流电源的输出可以看出，电压输出先经历一个缓慢向上增长的过程，然后逐步达到平稳的输出。
4.3参数测量
1、测量稳压电路的输出电阻Ro
输出电阻Ro定义为：
当稳压电路输入电压保持不变时，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比。
输出电阻反映稳压电路受负载变化的影响，越小越好。
本次仿真中由500欧姆变化到2K欧姆。
可用输出换算法测量输出电阻Ro。
可知仿真结果满足设计要求,仿真图如图3-5和图3-6所示。
图3-5负载为500欧姆时的仿真图
图3-6负载为2K欧姆时的仿真图
2、测量稳压电源的纹波电压和纹波因数
测试条件：
在额定220V输入电压下，调节R2的滑动端，输出电压最大时为12V
用示波器观察输出波形，选择观察交流成分，所观察到的信号为纹波电压信号，用交流电压表测其有效值为0V,当然,这肯定是仿真的理想情况。
纹波系数测量：
纹波系数为毫伏表读数与电源输出电压的比值，即
。
纹波系数=0,仿真图如图3-7所示。
图3-7测电压纹波系数的仿真图
3、测量稳压电源的稳压系数SU
稳压系数定义为：
当负载保持不变时，输出电压相对变化量与输入电压相对变化
量之比。
稳压系数反映电网电压波动时对稳压电路的影响，越小越好。
调节调压
器的输出，使输入到变压器的交流电压分别为242V和198V,测量稳压电源的输
出电压，根据公式计算稳压电源的稳压系数SU
可知,设计满足要求,仿真结果如图3-8、图3-9和图3-10所示。
图3-8输入电压为242V的仿真图
图3-9电压为220V的仿真图
图3-10电压为198V的仿真图
5用AltiumDesigner软件绘制原理图
5.1新建一个工程
1.选择File>>New>>Project>>PCBProject，或在Files面板的内New选项中单击BlankProject（PCB）。
2.重新命名工程文件（用扩展名.PrjPCB），选择File>>SaveProjectAs。
保存于您想存储的地方，在FileName中输入工程名直流稳压电源.PrjPCB并单击Save保存，结果如图4-1所示。
图4-1创建的工程
5.2创建一个新的电气原理图
通过下面的步骤来新建电路原理图：
1.选择File>>New>>Schematic，或者在Files面板内里的New选项中单击SchematicSheet。
在设计窗口中将出现了一个命名为Sheet1.SchDoc的空白电路原理图并且该电路原理图将自动被添加到工程当中。
该电路原理图会在工程的SourceDocuments目录下。
2.通过文件File>>SaveAs可以对新建的电路原理图进行重命名，可以将通过文件保存导航保存到用户所需要的硬盘位置，如输入文件名字直流稳压电源.SchDoc并且点击保存，结果如图4-2所示。
图4-2新建电气原理图
5.3绘制电路原理图
1.所以从Libraries面板顶部的库下拉列表中选择元件库，并从中找到自己所需的元件，直接双击该元件的文件名，光标会变成十字准线叉丝状态并且一个整流桥紧贴着光标。
现在正处于放置状态。
如果移动光标，整流桥将跟着移动，将整流桥拖到电气原理图中，如图4-3所示，按照此方法将其他所需的元件都调入到电气原理图中。
2.在菜单中选择Place>>Wire或者在连线工具条中点击Wire来进入绘线模式。
光标会变成crosshair十字准线模式，依次将各个元件连接好。
绘制完后的电路原理图如图4-4所示。
图4-3调入元件
图4-4电路原理图
5.4新建一个PCB文件
通过下面的步骤来新建PCB文件：
1.选择File>>New>>PCB，PCB文件自动连接工程并被列在Projects中源文件里工程名的下方。
通过选择File>>SaveAs重新命名新的PCB文件（带.PcbDoc扩展名）。
浏览到用户想存储PCB的位置，在FileName里键入文件名直流稳压电源.pcbdoc，并点击Save。
2.如果要将PCB文件作为自由文件添加到一个已经打开的工程中，则需在Projects中右键单击PCB工程文件，并选择AddExistingtoProject。
选择新的PCB文件名并点击打开。
现在PCB文件已经被列在Project下的SourceDocuments中，并与其它工程文件相连接。
用户也可直接将自由文件拖拉到工程文件下，保存工程文件。
5.5导入文件
1.打开原理图文件直流稳压电源.schdoc。
2.选择Design>>UpdatePCBDocument（直流稳压电源.pcbdoc）。
该工程被编译并且工程变更命令对话框显示出来，如图4-5所示。
3.点击ExecuteChanges，将更改发送给PCB。
单击Close，目标PCB文件打开，并且已经放置好元器件，结果如图4-6所示
图4-5工程编译和变更的对话框
图4-6元器件封装放置完成
5.6摆放元件并布线
1.把重叠的元件拖开，依据电路的功能及元件的大小，适当的摆放元件。
2.完成后,画一个边框并选择合适的元件封装,然后手动布线,得到如图4-7所示的PCB。
图4-7电路的PCB图
6心得体会
本次课程设计至此已经接近尾声，设计的时间虽然不是很长，但在整个设计过程中收获颇丰。
整个课程设计过程中首先对电路知识有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对数字电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；另外，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件Multisim和AltiumDesigner有了更加深刻地了解，用Multisim对电路进行仿真，用AltiumDesigner绘制电路原理图和生成PCB图，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。
通过这次课设，我也深刻体会到了自己知识的匮乏。
意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。
因此，学习中应多与实际应用相联系。
总之，通过这次设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。
而且提高了我分析问题及动手操作的能力。
使我的综合能力有了一个很大的提高。
7参考文献
【1】《Protel99入门与提高》赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
【2】《Protel99高级应用》赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
【3】《电路设计与仿真应用》谭孝辉著.电子科大出版社.2009.2
【4】《电子技术基础》康华光著.华中科技大学出版社.2002.6
【5】《模拟电子技术基础.第四版》华成英.北京:
高等教育出版社,2006.5
【6】《电子线路设计、实验、测试.第二版》谢自美著.华中科技大学出版社，2000.7
附录一元器件清单
元器件名称
型号
数量
变压器
双15Ｖ／25Ｗ
1
电阻
240
1
电位器
5K
1
电容
2200uF
2
电容
0.1uF
1
电容
10uF
2
集成稳压器
LM317
1
二极管
1N4001
2
整流桥
1B4B42
1
版权申明
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版权为潘宏亮个人所有
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