基于数显直流稳压电源的设计.docx
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基于数显直流稳压电源的设计
基于数显直流稳压电源的设计
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一个共同的电路--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。
常用的稳压电源有交流和直流之分，当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。
不可否认电源已经广泛地应用于我们生活的方方面面，所以，学习并了解电源的制作原理和技术对于我们的生产和发展都具有积极的意义。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种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。
本文主要设计并制作数字显示的直流稳压电源。
本电源作为一个微型启动器，具有可调整电压，调压范围是1.25V-20V，而且具备输出电压可以显示的功能。
本文介绍了直流稳压系统的总体的设计方案，它主要由变压器部分、整流滤波部分、稳压部分、电压数字显示部分和输出部分组成。
电源的稳压部分用三端集成稳压管LM317完成，数字显示部分用ICL7107芯片完成。
ICL7107是一种市场上应用非常广泛的集成芯片，内置程序，可以直接驱动LED数码管。
本设计的显示部分是采用ICL7107芯片制作LED显示的数字电压表，并联到输出端，完成电压显示的功能。
本电源具有设计简单灵活，成本低，效率高，调整精度高等优点，在市场上有很好的应用前景。
1前言
1.1稳压直流电源的研究背景
直流稳压电源一般由三大部分组成，它们分别是变压器部分，整流滤波部分和稳压器部分。
通过变压器把220V的市电变为电源所需要的低压交流电，然后经过整流器，把交流电变成直流电，但是这时候的直流电并不稳定，需要经过滤波后，再由稳压器稳压输出稳定的直流电。
本设计采用lm317芯片作为集成稳压电路的芯片，不仅电路简单，而且电压可以在1.25V-37V内连续可调，而且它效率高，性能好，有较高的调整精度，各方面都适合设计的要求。
本电源在市场上很有应用前景，可以作为收音机或掌机的外接电源，也可以用作手机电池的充电器，功率高点的还作为小型电视或其他家用电器的电源。
直流稳压电源是电子技术常用的仪器之一，它现在广泛的应用在学校教学，科学研究等领域，是电子设计人员进行实验操作和科学研究必不可少的电子仪器。
在日常的电子电路中，供电电源常常要用到稳压直流电源。
所以，稳压直流电源具有非常重要的研究意义。
在日常生活中，很多家用电器或者IT产品都要用到稳压直流电源供电。
但是在实际生活中，我们的家庭用电都是用到220V的交流电网。
这就需要通过变压，整流，滤波，稳压电路来将交流电转换成稳压的直流电，供家用电器使用。
变压器可以将220V的交流电转换成适合用电器的低压交流电。
整流器由二极管组成，用于滤去整流输出电压中的纹波。
1.2课题的主要内容
1.2.1电源的输出控制
本系统利用lm317的稳压及其电压可调的功能，通过旋转接在调整脚的电位器，实现输出电压在1.25-20V内连续可调，调整精度较高。
LM317的电压调整电路图如图1所示。
图1lm317的电压调整原理电路图
如图1所示，通过调整可调电阻RV1的阻值，就可以调整输出电压Vo的大小。
所以，如果希望调整的精度高，可调电阻RV1的调整精度也要高。
1.2.2稳压直流电源的功能
本设计的稳压直流电源，除了可以输出稳定的直流电压和实现电压的平滑连续可调外，还有数显功能，能够用LED数码管显示输出端的电压。
1.2.3性能指标
输出最大电压：
20V
输出最小电压：
1.25V
输出最大电流：
1.5A
最大传送功率：
20W
1.2.4论文的总体结构
第一部分主要介绍课题的背景，研究意义，介绍本文的主要研究内容，包括实现的功能和性能指标等。
第二部分提出稳压直流电源的总的设计思路和几种可行的方案，以及各方案实现的功能，并对这些不同的方案进行分析，最终选择了本方案，并对本方案需要用到的元器件进行详细的介绍。
第三部分对选择的方案进行分析阐述，把电路分模块地论述，给出各部分电路图。
第四部分对稳压直流电源的性能参数进行测量和评估，以及对被控对象进行研究。
第五部分给出设计的实物图。
第六部分对本稳压直流电源给出本课题的结论，作结束语。
2方案的选择和设计思路
2.1方案设计与论证
1输出电压范围1.25V-20V；
2波纹系数尽量小，输出稳定；
3能数字显示电压。
三个方案的选择：
方案一：
开关电源，采用PWM脉宽调节。
它的功耗比较小，效率高，稳压范围宽，电路的形式多样。
但是，PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电压的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小的时候，即希望调出很小的电压的时候。
方案二：
用单片机控制输出电压的调整，使用电压采样电路，通过A/D转换实现闭环控制。
主要由微控制器模块，稳压控制模块，电压采样模块，显示键盘模块，电源模块五部分组成。
方案二系统框图如图2所示。
掉电贮存单元
51
单
片
机
LCD显示单元
电压控制单元
按键电路
电压/电流采样电路
输出
电源电路
电压/电流采样电路
图2方案二系统框图
方案三：
利用lm317集成稳压芯片为核心，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定的直流电。
再用ICL7107芯片制作数字显示电压表头，芯片的供电也是用lm317制作+5V的稳压电源提供。
方案三系统框图如图3所示。
220AC输入
变压器
LM317稳压电路
输出
ICL7107
LED显示
图3方案三系统框图
根据课题的要求最终选择方案三，虽然方案三电压调节精度不及方案二，但是连续可调的直流电压比较符合课题，方案二中的数控直流电源是步进调压的。
而且方案三具有电路简单，价格低廉，便于操作等优点，而且经过调试，其电压输出稳定，调压精度高，效率高，完全符合课题的要求。
2.2芯片的选择
2.2.1LM317三端可调节稳压器
Lm317是可调节三端正电稳压器，在输出电压的范围是1.25V-37V的时候能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常容易使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。
此外，还使用内部限流，热关断和安全工作区补偿从而使之能防止烧断保险丝。
Lm317是应用很广泛的集成电路之一。
它不仅能构成三端稳压电路的最简单形式，同时输出电压具有可调的功能。
此外，它还有众多的优点，例如，调压范围宽，稳压性能好，噪声低，纹波抑制比高。
它的主要性能参数如下：
输出电压：
1.25-37VDC；
输出电流：
5mA-1.5A；
保护电路：
芯片内部有过热，过流，短路保护电路；
最大输入输出电压差：
40VDC；
最小输入输出电压差：
3VDC
集成稳压器有多种型号供选择，每种型号有着不同的性能指标，可用于功能要求不一样的各种电路。
表1为几种集成稳压器的型号与性能指标：
表1几种集成稳压器的型号与性能指标
类型
三段固定
三端可调
大电流可调
参数
符号
单位
78Mxx、79Lxx
lm317、LM337
LM138
输入电压
V1
V
+-（8-40）
+-（3-40）
35
输出电压
V0
V
+-（5-24）
+-（1.2-37）
1.2-32
最小电压差
（Vi-Vo）min
V
+-（2.0-2.5）
2.8
电压调整率
Sv
%V
3-18
0.01
0.01
电流调整率
Si
%
12-15
0.1
0.03
温度系数
S
/℃
300
（0-75）℃
纹波抑制比
RR
dB
53-62、60
65、77-80
60-75
调整端电流
Id
uA
50、65-100
输出阻抗
Zo
Ω
最小负载电流
Iomin
mA
3.5
输出电流
Io
A
空挡（1.5）
M（0.5）
L（0.1）
0.01-1.5
0.1-1.5
最大功耗
Pmax
W
0.6-20
输出噪声电压
Vn
uV（峰-峰值）
4-70、125-600
50
2.2.2ICL7107三位半LCD/LED显示A/D转换器
ICL7107是现时一种在数字仪表领域上应用非常广泛的三位半A/D转换器，它的用途非常广泛，不仅可以用于制作数字显示电压表，电路稍加改造，还可以用于制作数字电流表和数字温度计等实用的电路或仪表。
ICL7107是一种高性能，高效率，低功耗的三位半A/D转换器电路。
它集成了七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统，并且可以直接驱动发光二极管。
ICL7107芯片将高精度，低成本和通用性非常好地集于一身，而且极性误差小于一个字。
真正的差动输入和差动参考源在各种各样的系统中都发挥了非常大的作用。
而且，只要用十来个作用的无源电子元件和LED发光管就可以与ICL7107构成一个具有高性能的仪表面板，充分表现出ICL7107芯片的低成本还有电路设计简单等优点。
ICL7107芯片共有40个引脚，芯片的第一脚，是将芯片正放，眼睛面对芯片的型号字符，在芯片的左下方就是它的第一脚。
当知道了那个脚是第一脚，按照逆时针方向排列，依次是第二引脚到第四十引脚。
芯片的第一引脚是供电，需要接入DC5V的电压。
第36引脚是基准电压，正确数值时100mv，第26引脚是负电源引脚，它的电压数值是负的，最好是-3.2v到-4.2v左右，不能够是正电压或者零电压。
芯片第31引脚是信号输入引脚。
芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，在通常的情况下，这四个引脚都接地。
下面给出ICL7107芯片的管脚排列图，如图4所示：
图4ICL7107的管脚排列图
表2为ICL7107芯片的各种极限参数的表格，包括工作温度、储存温度、热阻和最大结温等。
表2ICL7107的极限参数
参数类型
型号
符号
参数范围
单位
电源电压
ICL7106
V+~V-
15
V
电源电压
ICL7107
V+~GND
6
V
电源电压
ICL7107
V-~GND
-9
V
模拟输入电压
ICL7106/ICL7107
V+~V-
参考源输入
ICL7106/ICL7107
V+~V-
时钟输入
ICL7106
TEST~V+
时钟输入
ICL7107
GND~V+
工作温度
ICL7106/ICL7107
Topr
0~70
℃
贮存温度
ICL7106/ICL7107
Tstg
-65~150
℃
热阻
ICL7106/ICL7107
50
℃/W
最大结温
ICL7106/ICL7107
150
℃
3可调稳压直流电源的设计
3.1可调稳压直流电源的基本组成
稳压电源一般分为五部分，由变压器降压电路，全桥整流电路，滤波电路，稳压电路和保护电路组成。
稳压电源电路图如图5所示。
图5稳压电源电路原理图
Lm317可调式集成稳压电源的原理图如图5所示，只要接线正确，一般能良好地实现它的功能。
交流220V电压经过电源变压器降压整流后得到直流电压Vin，电压Vin经过滤波电路输入到集成稳压器的输入端，在集成稳压器输出端课调出1.25V-20V（可调范围取决于R2和R3的取值，最大范围可以从1.25V调到37V。
）的电压。
为获得较高的输出电压值，LM317稳压器的调节端与地之间的电阻R2值及其压降往往较大，在R2两端并接一个不小于10uF的电容C3，可有效地抑制输出端的纹波。
由于稳压器在1∶1的深度负反馈下工作，当输出端负载为容性的某一值时，稳压器有可能出现自激现象。
因此，在稳压器的输入端接入0.1uF的电容C2，输出端接入10uF的电解电容C5，提供足够的电流供给，同时可以防止可能发生的自激振荡以及减小高频噪声和改善负载的瞬态响应。
当输入端发生短路时，C5通过稳压器的调整管放电，C5值较大，则放电时的冲击电流很大，电压会通过稳压器内部的输出晶体管放电，可能造成输出晶体管发射结反向击穿。
为此，在稳压器两端并接二极管D6，输入端短路时C5通过D6放电，保护LM317稳压器。
3.2整流滤波电路
因为课题需要5V-12V的稳压直流电，所以需要用到220V转18V的变压器把高压的交流电转成低压交流电。
因为课题不需要用到20V以上的电压，所以应该选用18V-24V的变压器，这样可以降低LM317集成芯片的功耗，达到低功耗，高效率的要求。
3.2.1整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
本设计采用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。
在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
桥式整流电路原理图如图6所示。
图6桥式整流电路原理图
选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM和正向电流IF。
由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。
流过整流管的平均电流：
式中Ii为稳压器的输入电流，IR1、IR2、Iadj分别为流过R1、R2，以及调整端的电流，则：
考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的2～3倍。
二极管最大反向电压：
式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui为整流输出电压（即稳压器输入电压）。
为了保证稳压器LM317稳定运行，输入电压Ui与输出电压U0之差一般在5～15V范围，取Ui-U0=10V，得：
设计时可考虑一定的余量。
根据计算，1N4007的二极管符合设计要求，可以用作整流桥。
桥式整流电路电压和电流波形如图7所示。
图7桥式整流电路电压和电流波形
如图7所示，在交流电压u2的整个周期内，负载Rl都有同方向的电流通过，故Rl上得到单方向全波脉动的直流电压。
这样，四个二极管组成的整流桥就完成了整流的功能。
3.2.2滤波电路
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。
所以我们需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。
对于滤波电路的选择有两种方案：
方案一：
采用电感滤波电路。
由于电感在电路中有储能的作用，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，当电流减小时，它有可以把能量释放出来，是负载电流比较平滑，有平波的作用。
在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，而且容易引起电磁干扰。
一般的情况下只适用于低电压，大电流的场合。
电感滤波电路图如图8所示：
图8电感滤波电路
方案二：
采用电容滤波电路。
由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。
电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。
电容滤波电路原理图如图9所示。
图9电容滤波电路
经过分析，最终决定采用方案二。
经过滤波，电路的电压、电流波形如图10所示。
滤波电解电容C的选择原则是：
取其放电时间常数RLC大于充电周期的3～5倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。
对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C的充电周期等于交流电源周期T的一半，即C≥（3~5）T2RL，式中RL为整流后的等效负载电阻，经过考虑，本设计取C为2200uF。
设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。
忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=Uc≈U2，在u2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压Uc按指数规律缓慢下降，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。
其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压的波动大为减小。
图10桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形
3.3稳压电路
稳压电路是整个设计之中一个很重要的组成部分，几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源供电才能正常工作。
所以，研究和熟悉稳压电路的组成和设计具有非常重要的意义。
稳压电路主要用于提供更加稳定的直流带能源。
考虑到整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还是有相当的距离，主要是存在两方面的问题：
第一方面，但负载电流变化的时候，因为整流滤波电路存在一定的内阻，所以输出的直流电压将有可能随之发生变化。
第二方面，由于电网电压并不稳定，当电网电压发生波动时，整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也相应的发生变化。
因此，在设计中，采用三端集成稳压器lm317来实现稳定电压的功能。
其中，调整管接在输入端和输出端之间。
当电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压基本保持不变。
放大短路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极。
放大倍数越大，则稳定性能越好。
由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电路的一种，而串联型直流稳压电路的输出电压和基准电压成正比，因此，基准电压的稳定性将直接影响稳压电路的输出电压的稳定性。
采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一步份送到放大电路的输入端。
启动电路的作用是在刚接通电流输入电压的时候，是调整管、放大电路和基准电源等建立各自的工作电路，而当稳压电路正常工作是启动电路被断开，影响稳压电路的性能。
保护电路主要起到限流保护，过热保护和过压保护的作用。
稳压部分的电路原理图如图11所示。
图11稳压电路原理图
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：
仅仅从公式本身看，R3、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，R3和R2的阻值是不能随意设定的。
1，2脚之间为1.25V电压基准。
为保证稳压器的输出性能，R3应小于240欧姆。
改变R2阻值即可调整稳压电压值。
D5，D6用于保护LM317。
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/R3的比值范围只能是0—28.6。
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。
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，LM317稳压块就可以输出稳定的直流电压。
如果用LM317稳压块制作稳压电源时，没有注意LM317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。
在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时,必须保证R1≥0.83KΩ和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。
当然在317稳压块的输出端并联泄流电阻R（如图所示）,也可以为317稳压块提供最小稳定工作电流。
但是,由于并联的泄流电阻不能随输出电压的变化而变化,如果要保证317稳压块在输出电压为1.25V时,其输出电流大于其最小稳定工作电流,则在317稳压块的输出电压为37V时,流过泄流电阻的电流就太大了,这样不仅浪费了电能,而且增加了317稳压块的负担,不是一种妥当的办法。
通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/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。
输入至少要比输出高2V，否则不能调压。
输入电要最高不能超过40V。
输出电流不超过1A。
输入12V的话，输出最高就是10V左右。
由于它内部还是线性稳压，因此功耗比较大。
当输入输入电压差比较大且输出电流也比较大时，注意317的功耗不要过大。
一般加散热片后功耗也不超过20W。
LM317属于深度负反馈的稳压电路，其功耗比较大，所以有必要讨论一下LM317稳压模块的散热问题。
稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温TJM,当T因此，稳压器的散热能力愈强,结温就愈低，它所能承受的功率也愈大。
稳压器的散热能力取决于它的热阻给半导体器件加散热片后可减小总热阻。
若令Rθ1表示从结到器件外壳的热阻，Rθ2表示从器件外壳到散热片表面的热阻，RθA表示从结到散热片表面的热阻，则RθA=Rθ1+Rθ2。
若令Rθd表示散热片到周围空气的热阻，Rθ’表示加散热片后结到空气的总热阻，则Rθ’=RθA+Rθd。
设集成稳压器的最高允许结温为TJM，最高环境温度为TAM，加散热器后器件的功耗为PD，则有关系式：
所以器件的最大功耗必须满足PDM≤PD。
3.4过流保护
在目前，各种直流电源产品的应用非常广泛，电源技术已经比较成熟。
但是，基于成本的考虑，对于电源性能要求不是很高的场合，可采用带有过流保护的集成稳压电路，同样能满足产品的要求。
过流保护电路作为电源电路中不可缺少的一个组成部分，能够有效地保护电子元件，根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式，而直流电机电源较宜采用关断方式。
过流保护电路首先要有一个电流取样环节，常用做法是串联一个小电阻或者是霍尔元件来获得电流信号。
由于霍尔元件体积比较大，价格昂贵，因而考虑采用串联一个小电阻的方法。
电路的过流保护原理图如图12所示。
图12过流保护电路原理图
R6为取样小电阻。
当电源工作时，稳压器输出端输出正向直流电压，电机开始启动。
由于直流电机启动瞬时电流iout较大（约为额定电流的8～10倍），iout流过小电阻R6，并经R5对C4充电。
通过设定R6、C4的值，使充电时间τ大于电机启动时间δ，Q1（9013）处于截止状态，电机启动到稳定状态后，电流恢复到工作电流。
一旦电机发生短路或堵转，使电容C4两端电压达到Q1的导通电压，则Q1导通，强制稳压器的输出
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