多路直流稳压电源的设计与制作.docx

1、多路直流稳压电源的设计与制作课题 一 多路直流稳压电源的设计与制作任何一个电子设备都要由一组或多组高稳定性的直流电源来供电，直流电源的作用之一是为各级电路中半导体器件提供合适的偏置电压，其次是作为整个电子电路的能源。目前直流电源最主要的获得方法是将电网电压的单相交流电（220V，50Hz）经整流、滤波和稳压获得。根据处理方法不同，直流电源可分为线性直流电源和开关型直流电源两大类型。本课题主要针对线性直流电源中的串联型稳压电源提供设计方法。直流电源最重要的技术指标为输出直流电压，提供最大的直流电流及最小的纹波电压，这也是在设计直流电源时应抓住的关键问题。各类集成直流稳压器目前已成为电源市场的主流

2、产品，它的高性能、可靠性及高性价比是分立元件直流稳压电路无法比拟的，在选择设计方案时应放在优先的地位。1 设计内容和要求设计一个能同时输出+12V，-12V，+5V的直流稳压电源，设计要求如下： (1)同时输出3组直流电源，其中：12V、0.1V，+5V电源输出电压为5V、0.5V。（2）3组电源输出最大直流电流均为200mA。（3）各组输出纹波电压均不超过2mA,内阻均不大于0.1。（4）只允许AC220V供电，电源变压器可根据设计要求直接选用。要求按上述设计指标设计电路，并安装调试达到设计要求。2设计方案选择图3-1-1 原理框图根据设计要求，选择总体方案的框图如图3-1-1所示。 3单元

3、电路的设计（1） 整流电路的设计对于传统的线性直流电源，整流电路的功能是将220V电网电压降到合适的交流电压值，并将其变为单向脉的电压。为了提高效率、降低对整流二极管耐压的要求，选择的整流电路如图3-1-2所示。图3-1-2 整流电路电源变压器的选用图中，电源变压器Tr选用双15V工频变压器 ，根据框图3-1-1，当+12V和+5V直流电源同时供出200mA最大电流时，电源变压器次级最小应提供400mA的电流，当有余量，选取的变压器次级绕组应提供最大500mA的输出电流，功率不小于15=15W,若考虑功率损耗，则容量应更大一些。电源变压器可通过外购或定制，不在本课题的设计范围之内。整流二极管的

4、选取图3-1-2中，变压器中心抽头接地，直接与后级的分压电路公共端点相接，则整流电路实质上是两个全波整流电路的组合，但在参数设计时仍可把它看成是一个桥式整流，只不过变压器的输出电压应为215V=30V。由上，整流二极管的选择如下：整流二极管的最大正向电流IF：由前，电流正常工作时需输出的最大电流为400mA。考虑到电路一般选用电容滤波，浪涌电流往往是一般电流的1.52倍，在选择整流二极管时应当有足够的裕量，一般取IF1.2Iomax,故整流二极管的If应取大于等于500mA。整流二极管的反向击穿电压URM:对于桥式整流，当负载开路时能承受的最高反向电压应为，即15V=42.3V。再考虑电网电压

5、的正常波动，为保证二极管安全应用，应选择整流二极管的反向耐压至少应大于50V。由上，查晶体管手册，塑封整流二极管1N4001，最高反向工作电压URM50V,额定整流电流IF=1.0A，可以满足本电路要求。整流二极管也可选用二极管整流桥，它是采用泵膜工艺将4只整流二极管按电桥电路连接封装在一起，只有输入，输出4只管脚供用户使用，如选择1CQ100V0.5A的二极管整流桥，其最高反向电压为100V最大输出电流为500mA，可满足本电源电路的要求。 （2） 滤波电路的选择电源滤波电路的功能是将整流后的单向脉动电压进行平滑，减少脉动成分，保留直流成分，一般利用电容、电感的储能作用，显然是一种低通滤波电

6、路。由于本电源输出最大电流只有400mA，属于小功率电源，一般选用简单的电容滤波电路如图3-1-3所示。图中，C1为滤波电容，它的作用如图3-1-4所示，利用电容的储能作用，在使UO1的波形平滑的同时可以提高输出电压的平均值。 图3-1-3 滤波与分压电路 图3-1-4桥式整流电容滤波电路波形图C1选择原则： 耐压的选择：由于C1的容量往往较大，毫无例外的选用铝电解电容，铝电解电容的优点是容量大、价格低，缺点是正、负极不能接错，且耐压较低，一旦极性接错或工作电压超过标定的耐压值，电容将被击穿。 C1承受最大电压是发生在负载开路，且电网电压波动到最高时滤波器输出电压值，即UO2max=46.7V

7、式中1.1系数指电网电压正常波动的上限+10%而设定的。由上C1应选耐压不低于46.7V的铝电解电容，取系列值为耐压50V。C1电容量的计算由于电网电压波动及负载的影响，严格计算C1的电容量较为复杂。如图3-1-4所示，根据电容充放电规律，则有 式中为电容充放电而引起的的变化量，10ms为电网电压的半个周期。即在电容电压由U2放电到UO2min的T2时间，因T2T1，故取T2=10ms。IO为整流电路供给负载的最大电流，应理解为IOmax,本电路为500mA。的计算较为繁琐，一般采取经验方法选取C1的电容量，由于后级均采用高性能的集成稳压器，纹波抑制比很高，再加上本电源的提供电流只有500mA

8、。若取C1=1000uF，一般可达到内阻0.1及纹波电压不超过2mV的要求，若在调试中达不到设计要求，可适当加大C1的容量。由上取C1为1000uF，耐压大于等于50V的铝电解电容。（3）直流分压电路如图3-1-3中的C2、C3，采用电容分压，主要目的是将滤波后的直流电压分为正负两组，提供正稳压器和负稳压器的输入直流电压。因滤波后的直流电压值约为UO2=2,若取C2=C3，则UO3=18V，UO4 = -18V，满足集成稳压器输入电压的要求。（4）12V直流电源的电路选择及参数确定 稳压电路的功能是将整流滤波后的直流电压进行稳压，以达到所需的直流电压值，且减小电网电压的波动及负载的变化对输出电

9、压的影响。关键性的技术指标为稳压系数、输出内阻及纹波系数。稳压系数主要反映电网电压波动造成整流、滤波后直流电压的波动对输出电压的影响；输出内阻则反映当负载发出变化时输出电压的稳定程度；输出纹波电压的大小反映稳压电路本身的纹波抑制能力。根据设计要求，稳压电路应选用三端稳压器来完成。对于12V两组直流电源，电压均为标称值，可选用三端固定式稳压器。如CW7812、CW7912，但设计要求输出电压的最大误差为0.1V，对于78，79系列，正常误差最大到达0.25V,难以达到设计要求，可以接成可调形式，但流向公共端的电流较大，且稳定性下降。综上，确定选用三端可调式集成稳压器CW117/217/317（正

10、可调），CW137/237/337（负可调），其最大优点是公共端电流IADJ只有50uA，且提供的基准电压为1.25V，稳定性明显高于固定式。三端可调式集成稳压器的性能参数如下表3-1，表3-2。表3-1CW137/237/337电参数规范（Vi-V0=5V,I0=500mA,Tjmin=Tj=Tjmax)参数名称符号测试条件规范值单位 CW117/217CW317最小典型最大最小典型最大电压调整率Sv3V=(Vi-V0)=40V TA=25摄氏度0.010.020.010.04%/V3v=(Vi-V0)=40V0.020.050.020.07电流调整率SI10mA=I0=I0max Ta=2

11、5摄氏度Vo=5V0.10.30.10.5%V010mA=I0=I0max Vo=5V0.310.31.5%V0调整端电流Iadj510050100uA调整端电流变化adj2.5V=(Vi-V0)=40V 10mA=I0=I0max Pc=Pm 0.250.25uA基准电压Vreg23V=Vi-V0=40V 10mA=I0=I0max Pc=Pm 1.21.251.31.21.251.3V最小输出电流IominVi-V0=40V3.553.510mA纹波抑制比SripVo=10V 100HECadj=06565dBCadj=10uF66806680输出电压温交融StTjmin=Tj=Tjmax

12、0.70.7%V最大输出电流IomaxVi-V0=15V Pc=Pm 1.52.21.52.2AVi-V0=40V Tj=25摄氏度 Pc=Pm0.30.40.150.4输出噪声电压VnTa=25摄氏度 10HE10KHE有效值0.030.03%V长期稳定性StTa=125摄氏度 Tj=Tjmax0.310.31 % 1000h表3-2CW137/237/337电参数规范（Vi-V0=5V,I0=500mA,Tjmin=Tj=Tjmax参数名称符号测试条件规范值单位 CW137/237CW337最小典型最大最小典型最大电压调整率Sv3V=Vi-V0=40V TA=25摄氏度0.010.020.

13、010.02%/V3v=Vi-V0=40V0.020.050.020.07电流调整率SI10mA=I0=I0max Ta=25摄氏度15251520MV0.10.30.10.05%V010mA=I0=I0max Ta=25摄氏度20502070MV0.310.31.5%V0调整端电流Iadj6510065100uA调整端电流变化Iadj2.5V=Vi-V0=40V 10mA=I0=I0max Pc=Pm TA=25摄氏度2525uA基准电压VregTa=25摄氏度-1.23-1.25-1.3-1-1.25-1.3V23V=Vi-V0=40V 10mA=I0=I0max Pc=Pm -1.2-1

14、.25-1.3-1-1.25-1.3最小输出电流IominVi-V0=40V2.552.510uAVi-V0=10uF66776677输出电压温交融StTjmin=Tj=Tjmax0.60.6%V最大输出电流IomaxVi-V0=15V Pc=Pm 1.52.222.2AVi-V0=40V Tj=25摄氏度 Pc=Pm0.240.400.4输出噪声电压（RMS)VnTa=25摄氏度 10HE10KHE0.030.03%V0长期稳定性StTa=125摄氏度 1000h0.310.31%选择电路形式如图3-1-5所示。 图3-1-5 12V稳压电路电路图图中R1、RP1及R2、RP2组成可调输出的

15、电阻网络。为了能使电路中偏置电流和调整管漏电流被吸收，所以设定R1和R2为120，通过R1（R2）所泄放的电流为510mA。输入端外接电容C2和C3有利于提高纹波抑制能力，输出端外接C4、C5能消除震荡，确保电路稳定工作。和CW78XX、CW79XX不同，三端可调式稳压器一般取C2=C3=0.1uF,C4= C5=1uF。图3-1-5电路的输出电压为： VO=1.25V（1+）+IDRP1若取R1=240，忽略ID的影响，则RP1=（VO/1.25-1）R1，令Vo=12V,则RP1=（12/1.25-1）。 取RP1为2.2的电位器，接法如图所示，ID=IADJ=50uA则IDRP1=,这是

16、一个固定误差。而IADJ最大只有5uA，因其变化而造成的输出电压变化只有0.011V，在技术要求范围之内。同样取R2=R1=240，RP2=RP1=2.2（电位器）以保证正负电源的对称性。（5）+5V直流电源的电路选择及参数确定根据设计要求及图3-1-1方框图，+12V电源除提供200mA的一组直流电源外，还要经过二次稳压，输出200mA，+5V0.5V一组直流电源。电路的选择方案有二，其一是利用稳压二极管进行稳压，如选用大功率稳压二极管3DW系列，最大电流可达1A左右，但由于稳压二极管所加限流电阻，内阻一般在几至几十，难以达到设计要求。方案二是采用三段固定式集成稳压器CW7805，通过+12

17、V进行二次稳压，完全可以达到设计要求。CW7805的电参数规范如表3-3。 表3-3 CW7805/CW7805C电参数规范参数名称符号测试条件（注）规定值单位CW7805CW7805C最小典型最大最小典型最大输入电压Vi10V输出电压Vo5mAIo1.0A Pc15W4.655.005.354.755.005.25VVi=820VVi=720VIo=500mA,Ti=254.805.005.204.805.005.20V电压调整率Sv(Vo)Io=500mA Ti=251.0252.050mV8VVi12VIo=500mA Ti=252.0507.0100mV7VVi25V电流调整率SI(V

18、o)5.0mAIo1.5A Ti=25 255040100mV250mAIo750mA Ti=258.0251550静态工作电流IDIo=500mA,Ti=253.264.38.0mA静态工作电流变化ID5.0mAIo1.0A 0.040.50.5mAIo=500mA0.30.81.3Vi=825VVi=725V纹波抑制比SripIo=500mA,f=100HZ Ti=25687568dB8VVi18V最小输入-输出压差Vi-VominIo1.0A,Ti=252.02.52.0V输出噪声电压VN10HZf100KHZ Ti=25104010uV输出阻抗Zo1.0KHZ1717m峰值输出电流Io

19、maxTi=251.32.53.32.2A输出电压温度系数STIo=500mA,TiminTimax0.6-1.1mV/注：加足够散热片，Tc=25时允许功耗PM7.5W 图 3-1-6 +5V直流电源电路图电路选择如图3-1-6所示。图中为了改善纹波特性，在输入端加接电容C6，一般取值为0.33uF，并紧接在产品的输入端；在输出端紧接电容C7，这样可以改善负载的瞬态响应，一般取0.1uF。图中，脚为稳压器的输入端，脚为输出端，脚为公共端。应用时脚与脚的压差应大于2V。4.总电路图 多路直流稳压电源的总电源理图如图3-1-7所示。 图3-1-7多路直流电源总电原理图图中C6、C7、C10为各组

20、电源输出端并接的滤波电容，可进一步抑制各电源输出的纹波电压，提高纹波抑制比。因滤除的对象为100HZ的纹波，一般取值在100uF220uF之间，本设计取值均为100uF,耐压15V的铝电解电容。5实验与调试 按图3-1-7电路图中元器件的规格、型号、数量配齐元器件，准备进行样机的安装与调试。电路可采用多功能板进行焊接，也可在面包板上进行插装。无论采用哪种方式，首先要根据变压器、元器件的实际尺寸进行合理的布局，以保证安装后的样机结构紧凑，元器件摆放合理，调试方便，尤其要注意变压器、二极管电桥的固定和焊接。 安装、调试方法有两种，一种是整体安装，集中调试，即按照总电路图一次性的安装完毕，再通电调试

21、、测试，对个别元器件参数进行个别调整，只至达到设计要求。另一种方法是诼数安装、调试，如本电源电路，第一步安装整流、滤波、分压电路，经测试使整流、滤波后的直流电压达到理论值2U2后，再看C2、C3电容分压后接到的正负电压是否基本相等。前级基本达到设计要求后再安装稳压部分。CW317、CW337可以同时装接，也可以先安装其中一个，如先装CW317及其外围电路，调RP1看输出直流电压是否改变，直至调到+12V，再装接CW337及其外围电路，调RP2使输出达到-12V，最后再安装CW7805,使输出电压达到正常值。在安装、调试过程中若出现不正常现象，应及时切断电源，分析、检查故障现象，找出故障原因 并

22、排除后再接通电源。电源电路在安装调试过程中最常见的错误有：电源变压器次级绕组中间抽头没有接地，造成稳压器输入电压异常，甚至烧坏；滤波电容C1的极性接错或耐压不够，造成C1过热，甚至击穿； CW317、CW337、CW7805的管脚接错造成稳压器损坏；电位器RP1、RP2活动端、固定端接错或阻值不够等等。对于初学者，建议采用诼数安装、调试方法。调试、测量、数据处理及分析 电路安装并初测使电路基本正常工作后，接下来的任务是对电路进行细调并测量各级电路参数，分析是否达到设计要。若某一项指标达不到设计要求，要重新进行调整直至更换元器件，使之诼一达到设计要求。能否达到设计要求是以测试的数据为准，测试仪器

23、、仪表选择是否合理，测试方法是否正确，测量的数据是否具有可靠性甚为重要。电源电压所用的测量仪器、器材只有数字万用表、示波器、交流毫伏表、大功率负载电阻或电位器等，测试步骤分为空载和有载两种情况。所谓空载指各组电源均不接负载，输出直流电流IO=0；所谓有载指加接负载后使电源输出直流电流达到额定值，如+12V电源，空载时调RP1使输出电压为12.00V，并测量各级各点电参数。接上电阻负载使输出直流电流达到400mA，即加上30功率电阻后，再测量输出电压、输出纹波电压，直至整流、滤波各级的电压，以此分析纹波电压输出内阻是否达到设计要求。 下面以某同学对图3-1-7电源电路安装、调试所测数据来说明数据

24、处理及分析的基本方法。 测试仪器、器材的选用及测试环境 测试仪器：三位半数字电压表DT9802一只、双踪示波器CA9040A一台。 功率负载：3010W线绕电阻一只，605W大功率电阻一只、301W电位器一只。 空载测试（各组电源均不接负载） 接通电源，予运行5分钟后，调RP1使正12V的电源输出为12.00V，调RP2使负电源输出为-12.00V（DT9802直流电压至20V档），并测得CW7805输出电压为5.02V。 用万用表测得电源变压器输出交流电压2U2=30.2V，滤波电容C1上的直流电压UCm1=36.8V，经C2、C3分压，测得UC2=19.0V，UC3=-17.8V。用示波器

25、观测各级的纹波电压峰值为Ucm1=36mV,Ucm2=Ucm3=18mV,+12V输出纹波电压Uom1=0.2mV,-12V输出U0m2=0,+15V输出纹波电压Uom3=0。 对三组电源分别接上额定负载，并调+5V电源的负载电位器使阻值为25，保证CW7805输出为额定电流200mA。这时用DT9802和CA9040A分别测得数据如下：2U2=30.0V,UC1=35.6V,UC2=18.0V,UC3=17.6V,Ucm1=220mV,Ucm2=130mV,Ucm3=90mV,Uom1=1.8mV,Uom2=1.0mV.Uom3=0.5mV,各组直流电压输出为Uo1=11.97V,U02=-

26、11.99V,Uo3=5.01V。 数据分析及处理由上测试数据，该电源输出直流电压误差均在设计范围之内， 12V误差均在0.1V范围内，+5V的误差只有0.01V，该项达到设计要求。各级输出纹波电压均未超过2mV，达到设计要求。 内阻的计算：+12V电源组：Ro=-=- -12V电源组：Ro=- +5V电源组：Ro= 由上计算各电源组的输出内阻均达到不大于0.1的要求。结论：根据测试参数，该电源样机各项技术指标均达到设计要求。6.元器件清单序 号名 称符 号规格型号数 量1电容C11000uF/50V12电容C2、C3、C90.1uF33电容C4、C51uF/16V24电容C80.33uF15电容C6、C7、C10100uF/16V36电阻R1、R20.25W 24027电位器Rp1、Rp22.2K28三端可调式集成稳压器CW31719三端可调式集成稳压器CW337110三端可调式集成稳压器CW7805111二极管电桥1CQ100V 0.5A112电源变压器Tr双15V输出15W113线绕电阻（调试用）30 10W114线绕电阻（调试用）60 5W115功率电位器（调试用）30 1W1