直流稳定电源设计报告总结.docx
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直流稳定电源设计报告总结
直流稳定电源设计报告
目录
1.设计任务及要求3
1.1.任务3
1.2要求4
1.2.1基本要求4
2.设计方案及硬件电路设计5
2.1.直流稳压电源5
2.1.1电路方案选择5
2.1.2元件参数分析6
2.2.直流稳流电源6
2.2.1电路方案选择6
2.2.2元件参数分析8
2.3.DC-DC变换电路9
2.3.1电路方案选择9
2.3.2元件参数分析10
2.4.MSP430F149显示采集电压11
2.4.1.器件介绍11
2.4.2硬件设计12
2.4.3软件设计13
3.仿真及分析13
4.实验结果数据分析15
5.参考文献18
摘要
随着时代的发展，人们对生活生产的需求日益增加，在物联网，大数据的背景下，智能化产品出现。
电源的智能化，必将引起新的变革，当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
本设计分别用串联型线性稳压电路，串联调整式稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源，运用放大和反馈电路直流稳流电源和DC-DC升压变换器。
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。
在通过TI公司推出的超低功耗MSP430系列单片机显示设计电源输出电压，让设计更加智能化。
关键词：
电源；稳压电路；稳流电路；DC-DC；MSP430单片机
1.设计任务及要求
1.1.任务
设计并制作直流变换为直流的高效稳定电源，该稳定电源具有稳压和稳流功能，电路图如图。
1.2要求
1.2.1基本要求
（1）稳压电源
a．稳压电源在输入电压UI=13~16V，输出电压U0可调范围为+5V～+12V
b．最大输出电流I0=1.5A
c．电压调整率≤0.5%（输出电流为1A，输入UI=13~16V条件下）
d．负载调整率≤1%（在输入电压为15V，输出空载到1A条件下）
e．输出噪声纹波电压≤100mV（UI=15V，U0=5V，I0=1.5A）
f．整机效率≥70%（UI=15V，U0=5V，I0=1.5A）
（2） 稳流电源
a、 在输入电压UI=13~16V波动下，输出电流的可调范围为150mA~1500mA。
b、 最大输出电压U0=10V。
c、 电流调整率≤1%（在输入UI=13~16V，电流为1A，负载电阻为5Ω下测试）。
d、 负载调整率≤2%（在输入电压为15V，输出电流1A，负载在1Ω～5Ω条件下测试）。
e、 输出噪声纹波电流≤30mA（UI =15V，Uo=10V，Io=1.5A）。
f、
整机效率≥70%（在UI=15V，U0=10V，I0=1.5A）。
2、 发挥部分
（1） 稳压电源
a、 输出电压能数字显示；输出电压值能数字设置，且具有“+”、“-”步进调整输出电压功能，步进≤5mV。
b、 具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.0±0.2A。
c、 进一步提高整机效率≥85%（UI=15V，U0=5V，I0=1.5A）。
d、 进一步减少噪声纹波电压≤10mV（UI=15V，U0=5V，I0=1.5A）。
e、 其他。
（2） 稳流电源
a、 输出电流能数字显示；输出电流值能数字设置，且具有“+”、“-”步进调整输出电压功能，步进≤2mA。
b、 具有过压保护功能，动作电压Uoth=11±0.5 V（UI=15V，Io=1A）。
c、 进一步提高整机效率≥85%（UI=15V，U0=10V，I0=1.5A）。
d、 进一步减小输出噪声纹波电流≤10mA（UI =15V，Uo=10V，Io=1.5A）。
e、 其他。
2.设计方案及硬件电路设计
2.1.直流稳压电源
2.1.1电路方案选择
方案一：
经变压器输出的直流经开关电源稳压输出。
但此方案产生直流电压纹波大，在后几级电路中很难加以抑制，因此不可行。
方案二：
经变压器输出后，直接进入由分立元件搭建的线性稳压电路，线性稳压电路输出值可调，优点所需元件简单，缺点元件多参数难以控制。
方案三：
在方案二的基础上选用三段集成直流稳压电器lm317，自带输出短路保护，过流，过热保护电路。
比较上述三种方案，决定选用方案三。
因为其稳压性能好，适用范围比较宽广。
2.1.2元件参数分析
lm317输入电压30v左右，输出1.25—37v可调电压。
且最大输出电流1.5a，电压调整率0.1%,80db纹波抑制比。
2.2.直流稳流电源
2.2.1电路方案选择
方案一：
基本思想是利用7805集成基推电压源，其3端与1端之间固定压降为5v，流经电阻后产生恒稳的电流。
（1）不加三极管的方案，如下图这是一种被普遍采用的产生恒流的方法，但它有两点不足。
一是集成块的静态电流作为负载电流的一部分，当前者随输入电压及负载的变化而变化时，会影响后者的稳定；二是该电路不能提供小于I（adj）的恒流。
图2.1不用三极管的稳流电路
（2）使用三极管的方案。
如下图：
针对上一种方案，我们进行了改进，加进了一只三极管，则静态电流I（adj）由三极管e、c极提供，而流经RL的静态电流仅为I（adj）的1/（1+x）该电路能提供比I（adj）还小的恒定电流。
图2.2使用三极管的稳流电路
设计中由于不需要太低的电流，所以不符合题目要求。
方案二：
图2.3
方案三：
如图是一个由双运放构成的恒流电路。
U2为深反馈同相放大器；U3接成电压跟随器组态．它把输出电压反馈回输入端。
图2.4
比较上述三种方案，决定选用方案三。
因为其稳流性能好。
2.2.2元件参数分析
输出级OP07CP的同向电压
和反向电压
分别为
+
根据放大器特性，
=
，取
则
上的压降
等于基准电压
，计算得到
=
=
=
。
则输出电流为
调节电位器可得到输出电流范围4～20mA。
2.3.DC-DC变换电路
2.3.1电路方案选择
方案一：
图2.5
采用Boost型DC-DC升压器。
这种电路结构简单，容易实现，但输入输出电压比太大，占空比大，输出电压范围小，难以达到较高的指标。
方案二：
以TL494为控制核心，以功率晶体管IRF630、整流二极管HER107和高频变压器，以及阻容元件构成。
TL494内部结构见附件2，电路原理如图8所示。
TL494产生一定频率PWM波，控制功率晶体管导通和截止。
当IRF630受控导通时，高频变压器将电能转变成磁能储存起来，当IRF630截止时，高频变压器原、副边电压极性改变，HER107由反偏变为正偏导通，高频变压器将原先储存的磁能转变为电能，通过整流和LC滤波网络变成直流向负载供电。
图2.6
TL494产生开关频率控制功率晶体管，并且产生基准电压
。
输出电压为
取
=100K，
=2.5K，调节电位器
=3.125K，则可计算得输出电压
=100V。
比较上述二种方案，决定选用方案二。
因为，能够更加精确控制输出的电压，且输出范围较大，满足指标。
2.3.2元件参数分析
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电变压器原理图流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
市面上很难买到适合题目要求的高频变压器，因此我们选择自己绕制。
输入电压最小值Vin=9V，最大占空比
=0.45，要求输出电压U=100V，电流I=10mA，得变压器功率
W
取f=40KHz，则变压器绕阻电感量
=9
0.45/（0.01
40000）=10.1mH
匝数比
=（100+1）
（1-0.45）/（0.45
9）=13
2.4.MSP430F149显示采集电压
2.4.1.器件介绍
（1）MSP430f149单片机
MSP430的性能：
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
MSP430特点：
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。
强大的处理能力MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。
其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、SPWM等；MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
MSP430的内部结构图
（2）12864液晶显示器
本次试验采用SMG12864G2-ZK液晶显示模块，此液晶模块液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
8-位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能：
画面移位、睡眠模式等。
2.4.2硬件设计
在MSP430F149内置一个ADC12模数转换器，并且采样速度快，ADC的所有功能都可以通过用户软件独立配置。
结构如图：
2.4.3软件设计
软件设计的流程图为
3.仿真及分析
3.1稳压电路仿真结果为：
3.2稳流电流电路调整电位器输出的最大电流为20.486mA
3.3稳流电流电路调整电位器输出的最小电流为1.935mA
4.实验结果数据分析
表1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
示波器Tektronix
1
Tektronix
2
函数信号发生器EE16428
1
南京新联电子设备有限公司
3
数字万用表UT39系列
1
UNI-T
（1）稳压电源测试
①输出电压和输出电流测试。
外接负载为5Ω、5.6Ω、6Ω、7Ω、8Ω的功率电阻，调节电位器，改变输出电压（9V~12V），观察电流表读数变化。
测量结果如下表2所示：
表2输出电压、输出电流测试结果
电流/A
9V
12V
5Ω
1.78
--
5.6Ω
1.60
--
6Ω
1.49
1.98
7Ω
1.28
1.71
8Ω
1.12
1.49
从上表中可以看出，稳压电路完全达到要求。
注：
如果设定过流保护时的电流为1.60A，以上超过此值的视为无效。
②负载调整率测试。
输入电压下，从空载到满载，测得输出电压如下表3所示：
表2负载调整率测试结果
负载
空载
满载
输出电压
9.02V
9.01V
12.01V
12.01V
计算出负载调整率为
满足题目要求。
③纹波测试。
接上负载后用泰克示波器观察纹波Uc为40mV到70mV波动，不能满足指标要求。
分析原因可能是，2N3055的集电极与散热片没有隔离，从而散热片接入电路。
（2）稳流电源测试
①输出电流测试。
外接负载阻值为200Ω，调节电路中的电位器用万用表测出输出电流最小值和最大值。
测试结果如下表3所示：
表3稳流输出电流测试结果
项目
最小值
最大值
输出电流mA
1.9
20.5
结果表明：
输出电流可以在4~20mA范围内可调。
②负载调整率测试。
用万用表分别测出负载为200Ω和300Ω时的输出电流，结果如下表4所示：
表4稳流负载调整率测试结果
负载
200Ω
300Ω
输出电流mA
20.03
20.03
计算出负载调整率为
（3）DC-DC变换器测试
①输出电压和电流测试电路见附件5所示。
测电流所接负载阻值为10K，测试结果输出电压U=100V，输出电流I=10mA。
②电压调整率测试。
在输入9~12V电压下，用万用表直接测输出电压，结果如下表5所示：
表5DC-DC电压调整率测试结果
输入电压V
9
12
输出电压V
100
100.1
计算电压调整率为
③负载调整率。
测试电路见附件6所示，输入电压为12V下，满载阻值为10K测试，结果如下表6所示：
表6DC-DC负载调整率测试结果
负载
空载
满载
输出电压V
100
100.1
计算负载调整率为
④纹波电压测试。
输入电压9V下，满载，用泰克示波器直接测出纹波电压最大为70mV左右。
5.参考文献
【1】黄志伟.《全国大学生电子设计竞赛训练教程》.电子工业出版社.2010.6
【2】余小平.《电子系统设计》.北京航空航天大学出版社.2007.3
【3】杨素行.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社.2009.05
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