电力电子课程设计说明书-集成直流稳压电源设计.doc

university of south china 电力电子 课程设计说明书 设计题目： 集成直流稳压电源设计 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 08级 学 号： 姓 名： 指导教师： 2011 年 1 月 13 日目录第1章 引 言 4 1.1 集成稳压电源的发展 4 1.2 集成直流稳压电源概述 5第2章 电路总体设计 7 2.1 集成直流稳压电源的设计目的及其任务7 2.2 集成直流稳压电源的设计原理及其方案图 7第3章 单元电路设计 11 3.1电源变压器的确定 11 3.2整流电路的确定 11 3.3滤波电路的确定 13 3.4稳压电路的确定 15第4章 电路安装与指标测试 17 4.1安装整流滤波电路 17 4.2安装稳压电路部分 17 4.3总装及指标测试 17 4.4 制作原理图 17第5章 课程设计心得体会 18参考文献 19附 录 20原件列表 20南华大学电气工程学院电子技术课程设计任务书班级电力082学生姓名刘建博指导教师管金云课程设计题目集成直流稳压电源的设计主要设计内容本设计主要讨论的是把电网电压的交流电转换为直流电源的方法、实现的电路及直流电源的性能指标。并简单介绍开关型稳压电源的电路组成原理及分析方法。通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压电源及相关元器件设计直流稳压电源，掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法主要技术指标和设计要求集成稳压电源的主要技术指标 （1）输出电压15v，输出电流2a。（2）稳压系数小于51，输出内阻小于0.1欧。（3）纹波电压小于5mv。（4）加输出保护电路，最大输出电流不超过2a。 设计要求 （1）电源变压器只做理论要求。（2）合理选择集成稳压器及扩流三极管。（3）保护电路拟采用限流型。（4）完成全电路理论设计，安装调试，绘制电路图，自制印刷版。（5）撰写设计报告，调试总结报告及使用说明书。主要参考资料及文献1杨毅德主编.模拟电路.重庆:重庆大学出版社.2林红,周鑫霞主编.模拟电路基础.北京:清华大学出版社.3谢红主编.模拟电子技术基础.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.4康华光主编.电子技术基础.北京:高等教育出版社1引言1.1集成稳压电源的发展所谓集成稳压电源,就是用半导体工艺和薄膜工艺将稳压电路中的二极管、三极管、电阻、电容等元件制作在同一半导体或绝缘基片上,形成具有稳压功能的固体电路.集成稳压电源在近十多年内发展很快.按电路的结构方式分,有单片式集成稳压电源和组合式集成稳压电源.按电路的工作方式分,有线性集成稳压电源和开关式集成稳压电源.按管脚的连接方式分,有三端式集成稳压电源和多端式集成稳压电源.按制造工艺分,有半导体集成稳压电源,薄膜混合集成稳压电源和厚膜混合集成稳压电源.集成稳压电源是在半导体硅片上使用外延、氧化、光刻、扩散和金属蒸发等工艺制作而成的稳压电路.这种集成稳压电源的各种元件在同一工序中制成.常用的集成稳压电源有下列几种.1 多端可调式集成稳压电源这种稳压器取样电阻和保护电路的元件需要外接,它的外接端比较多,便于适应不同的用法。它的输出电压可调，以满足不同输出电压的要求。目前国内生产的这类产品有wb712、wb724、wa705wa724、5g11、5g14、cw611、cw616、bg602、cw200系列。2 三端固定式集成稳压电源这类稳压器有输入、输出和公共端3个端子，输出电压固定不变，cw7800系列的输出电压为5，6，9，12，15，18，24v共7个档次，它们型号的后两位数字即表示输出的电压值，比如cw78m00系列输出电流为0.5a；cw78l00系列，输出电流为0.1a。这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，得到了广泛的应用。3.三端可调式集成稳压电源它有三个接线端：输入端、输出端、和调节端。在调节端外接两个电阻可对输出电压做连续的调解。在要求稳压精度较高，且输出电压须在一定范围内做任意调节的场合，可选用这种集成稳压电源。目前国内产品有cw117、cw217、cw317、cw137、cw237、cw337等系列。4.跟踪集成稳压电源有很多电路需要正负电源来组成，而用跟踪式集成稳压电源更为理想。跟踪稳压器能保证正负输出电压始终是平衡的，它的中点始终为地电位，并有自动跟踪能力，这类稳压器有lmy10、mc1568、mc1468等。1.2集成直流稳压电源概述 小功率集成稳压电源的组成可以用图1. 1表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。整 流 电 路滤 波 电 路稳 压 电 路uiu2u3u4uo整 流 电 路滤 波 电 路稳 压 电 路 图1.1 直流稳压电路结构图及稳压过程 电源变压器是将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 当负载要求功率较大、效率高时，常采用开关稳压电源。 在电子设备中，所需的直流电能比较小，一般在千瓦以下，但要求电压的稳定性较高。通常对直流电源的要求是：输出电压稳定、纹波小、负载能力强等。直流电源的性能指标主要有如下几个参数： （1）输入电压u1。 电源所要求的（交流）输入电压，在我国一般是220v、 50hz 的交流电。（2）额定输出电压u0 。电源输出的直流电压值，可变电源为某个范围值。 （3）最大输出电流im 。电源在额定输出电压u0 ，所能提供的最大输出电流。有时也用最大输出功率pm 来表示。 （4）纹波系数s 。电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压之比，它反应了输出电压的稳定程度。 本设计主要讨论的是把电网电压的单相交流电转换为直流电源的方法、实现的电路及直流电源的性能指标。最后简单介绍开关型稳压电源的电路组成原理及分析方法。 本设计主要讨论的是把电网电压的交流电转换为直流电源的方法、实现的电路及直流电源的性能指标。并简单介绍开关型稳压电源的电路组成原理及分析方法。通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压电源及相关元器件设计直流稳压电源，掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。 2电路总体设计2.1集成直流稳压电源的设计目的及其任务2.1.1 设计目的 1、通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源；2、掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。2.1.2 设计任务 集成稳压电源的主要技术指标 （1）输出电压15v，输出电流2a。（2）稳压系数小于51，输出内阻小于0.1欧。（3）纹波电压小于5mv。（4）加输出保护电路，最大输出电流不超过2a。 设计要求 （1）电源变压器只做理论要求。（2）合理选择集成稳压器及扩流三极管。（3）保护电路拟采用限流型。（4）完成全电路理论设计，安装调试，绘制电路图，自制印刷版。（5）撰写设计报告，调试总结报告及使用说明书。2. 2 集成直流稳压电源的设计原理及其方案图 2.2.1 集成直流稳压电源的设计原理 直流稳压电源一般由电源变压器t、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图和基本应用电路如图2-1和图2-2所示。各部分电路的作用如下： 图2-1 集成直流稳压电源基本组成框图 （1）电源变压器t的作用是将电网220v的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui 。变压器副边与原边的功率比为 p2/p1=式中为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表2-3所示。 表2-2 小型变压器的效率通过上表可以算出变压器原边的功率p1 。（2）整流滤波电路整流电路将交流电压ui 变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压ui 。常用的整流滤波电路有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流滤波电路如图2-4（a）、（b）及（c）所示。 图2-3 几种常见整流滤波电路 各滤波电容c满足： rl1c = (35)t/2 式中t为输出交流信号周期；rl1 为整流滤波电路的等效负载电阻。（3）三端集成稳压器常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。 固定式集成稳压器正压系列：78系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。78系列又分三个子系列，即78、78m和78l。其差别只在输出电流和外形，78输出电流为1.5a，78m输出电流为0.5a，78l输出电流为0.1a。 负压系列：79系列与78系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。 78系列和79系列的典型电路如图2-5（a）、（b）、（c）所示。 图2-4 固定三端稳压器的典型应用 可调式三端集成稳压器 正压系列：w317系列稳压块能在输出电压为1.25v37v的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电路为1.5a。 其典型如图2-6所示，其中电阻r1 与电位器rp组成电压输出调节电器，输出电压u0的表达式为： u0 1.25（1+rp/r1） 式中，r1一般取值为（120240欧），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25v），所以流经电阻 r1的泄放电流为510ma。负压系列：w337系列，与w317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。 图2-5 可调式三端稳压器的典型应用 集成稳压器的电流扩展若想连续输出1a以上的电流，可采用图2-7所示的加接三极管增大电流的方法。图中vt1称为扩流功率管，应选大功率三极管。vt2为过流保护三极管，正常工作时该管为截止状态。三极管vt1的直流电流放大倍数必须满足i1/i0。另外，i1的最大值由vt1的额定值决定，如需更大的电流，可把三极管接成达林顿管方式。 图2-6 输出电流扩展电路可以得出输出电流为： il=i0+i1但这时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保护电路，这就是vt2和r2。当电流ii和r2上产生的电压降达到vt2的ube2时，vt2导通，于是向vt1基极注入电流，使vt1关断，从而达到限制电流的目的。保护电路的动作点是 ： ilmaxiimax= ube2/r2 三极管的ube2具有负温度系数，设定r2数值时，必须考虑此温度系数。以上通过采用外接功率管vt1的方法，达到扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。若希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流。2.2.2 集成直流稳压电源总体设计方案图 图2-7方案图3单元电路的设计3.1电源变压器的确定（1）确定稳压电路的最低输入直流电压uimin uimin uomax+(uiuo)min /0.9代入各指标，计算得： uimin15+3/0.920v所以取值20v。（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率 uiuimax/1.1，iiiimax所以取ii为2.2a。 ui20/1.118.2v 变压器副边功率p240w变压器的效率0. 7，则原边功率pi57.2w。由上分析，可选购副边电压为19v，输出2.2a，功率50w的变压器。3.2整流电路的确定整流电路将交流电压变换为脉动的直流电压，再经过滤波就可的到纹波较小的直流电压。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流等。桥式整流电路与单相半波整流电路和单相全波整流电路相比，其明显的优点是输出电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向电压较低，并且因为电源变压器在正负半周内都有电流流过，所以变压器绕组中流过的是交流，变压器的利用率高。在同样输出直流功率的条件下，桥式整流电路可以使用小的变压器，因此，这种电路在整流电路中得到广泛应用。本次设计单相桥式整流电路如图3-1。它由四个二极管构成电桥形式，两两构成一组，分别在正弦交流点正负半轴时刻导通。工作原理如图3-2 所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图3-2(a)的电路图可知：当变压器次级电压u2为上正下负时，二极管d1、d3导通，d2、d4截止，在负载电阻上得到正弦波的正半周，如图3-1 (b)中0p 所示。当变压器次级电压为下正上负时，二极管d2、d4导通，d1、d3截止，在负载电阻上得到正弦波的负半周，如图3-1（b）p2 p 所示。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。 图3-1单相桥式整流电路（a）整流电路 (b)波形图 参数计算与元件选择：根据图3-2可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。桥式整流电路的输出电压平均值为 直流电流为 在桥式整流电路中，整流二极管d1、d3和d2、d4是两两轮流导通的，因此，流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半 桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组，在u2正半周时，d1、d3导通，d2、d4截止，此时d2、d4所承受的最大反向电压为u2的最大值，即 同理，在u2负半周时，d1、d3也承受同样大小的反向电压。设计要求最大输出电流im =2a，则流经二极管的最大平均电流为 id=0.5il=0.5*2a=1a 二极管承受的最大反向电压 vrm=1.414v2=1.414*19=26.9v 因此可选用整流二极管in4001（允许最大电流 if=1.0a,最大反向电压vrm=50v）,或选择整流桥堆 db101 ，if=1.0a,vrm=50v。 3.3 滤波电路的确定 经过整流后，输出电压在正负方向上没有变化，但输出电压波形仍然保持正弦波的形状，起伏很大。为了能够得到平滑的直流电压波形，需要有滤波的措施。在直流电源上多是利用电抗元件对交流信号的电抗性质，将电容器或电感器与负载电阻恰当连接而构成滤波电路。电容有通高频、阻低频的作用，将其直接并在整流电路后面，可以让高频电流通过电容流回电源，从而减少了流入负载的高频电流，降低了负载电压的高频成分，减小了脉动。下面讨论电容滤波电路的工作原理，为讨论问题的方便，我们以半波整流电容滤波电路为例进行分析，电路如图3.2所示。图3.2 单向半波整流电容滤波电路及其波形图（1）工作原理 设u2波形如图3.2（b）所示，未接电容时，输出电压如图3.2（b）中的虚线所示。在u2正半周，设u2由零上升，二极管d导通，u0=u2，此时电源对电容充电，由于充电时间常数很小，电容充电很快，所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度，uc=u2。当u2上升到峰值时，电容充电达到1.4u2，二极管d截止，随后u2下降，电容c向负载rl放电，放电时间常数为rlc，其值较大，所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多，此时负载电压靠电容c的放电电流来维持，u0=uc。当电容放电到b点时，ucu2，二极管d又导通，电容又被充电。充电至1.4u2后，又放电。如此重复进行，就得到输出电压的波形如图3.2（b）中实线所示。由图可见，经电容滤波后，负载电压变得平稳，且平均值提高了。桥式整流电容滤波电路的原理与半波时相同，其电路和波形如图3.3所示。图3.3 单相桥式整流电容滤波电路及其波形图（2）输出直流电压 在有滤波电容的整流电路中，要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的，工程上一般按下列经验公式进行估算。当电容的容量足够大，满足rlc（35）t/2（t为电网电压的周期）时， 对于全波或桥式整流电容滤波： uo1.1u2 （3）滤波电容的选择 为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。对于全波或桥式整流： rlc（35）t/2负载电阻 rlminuoiom=19*1.11.5=13.9欧 取。由此滤波电容为 c0.04rl=0.0413.9=2878uf 若考虑电网波动，则电容承受的最高电压为ucm=1.14u2*1.1=1.14*19*1.1=23.8v滤波电容耐压值应大于输出电压值，一般取1.5倍左右，且通常采用有极性的电解电容，因此选用标称值为3300f/30v的电解电容。 3.4稳压电路的确定3.4.1稳压芯片选择 直流稳压电路类型和设计方法有多种，本次设计采用集成元件构成稳压电路。用cw78系列和cw79系列的芯片。 包括固定三端与可调式三端稳压器，我们介绍固定三端稳压器及其典型应用。我们通常所用的7800和7900系列的稳压管如图3-4所示。图3-4固定三端式稳压稳压器的典型应用 （a）cw78xx系列典型应用 （b）cw79xx系列典型应用 在cw78xx系列中1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。cw79xx系列中1脚接地，2脚接输入，3脚接输出。其中cw78xx系列中输出为正电压，如7815则它的输出电压为+15v，而cw79xx系列中输出为负电压，如7915则输出电压为-15v，（它们的输出额定电流以字母为标志，l表示0.1a,m表示0.5a,无字母表示1.5a）但不管是输出为正电压的78系列还是输出为为负电压的79系列，它们的输入端所接入的电容c的功能是进一步滤除纹波，输出端接入的电容c能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。c最好用漏电流小的电容，如果是电解电容的话，则电容量要比图中的增加10倍。参数名称输入电压vi输出电压vo电压调整率sv(vo)电流调整串si(vo)偏置电流id最小输入电压vimin温度变化率st(vo)cw78152314.4 15.618.528.5v608171.5 图3-5.cw7815参数表本次设计选择固定集成稳压器cw7815，cw7915芯片,由于它只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。它由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路等部分组成。为了防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高电频，电路中前后分别接入电容c3=0.33uf，c5=0.1uf。它们的作用是瞬时增减负载电流时不会引起输出电压有较大的波动。 图 3-6设计稳压器电路图3.4.2稳压器的主要性能指标1. 主要性能指标（1）稳压系数s 稳压系数又称为输入稳定系数，反映输入电压vi变化时输出电压vo维持不变的能力。s越小，说明稳压性能越好。（2）电压调整率sv sv仅考虑由输入电压变化引起的输出电压相对变化量，即 sv = vo/vo100% （3）电流调整率si si 仅由输出电流的变化引起的输出电压的相对变化量，即 si= vo/vo100% （4）纹波抑制比sr sr是在输入、输出条件不变时，输入纹波电压的峰峰值vipp与输出纹波电压的 峰峰值vopp 之比，即 sr= 20lg( vipp/vopp)2.稳压电源性能指标的测试电路图： 图3.7稳压电源性能指标的测试路图4电路安装与指标测试4.1 安装整流滤波电路首先应在变压器的副边接入保险丝fu，以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。检查无误后，通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220v），用滑线变阻器作等效负载，用示波器观察输出是否正常。4.2 安装稳压电路部分 集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压ui（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），滑线变阻器作等效负载，调节电位器rp，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。4.3 总装及指标测试 将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求： ui为最高值（电网电压为242v），测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应使输出电流为最大负载电流）。 ui为最低值（电网电压为198v），测稳压器输入、输出端压差是否大于3v，并检查输出稳压情况。 如果上述结果符合设计要求，便可按照前面介绍的测试方法，进行质量指标测试。4.4制作原理图图4.1稳压电源的原理图 5课程设计心得体会时间很短，因为每天都有的忙，虽然我不是每天都在忙。从一开始的一片茫然到现在即将结束，回顾过去的一周，我惭愧的是在即将结束的时候才开始用心去做，但我深刻意识到只要用心去做，就会有意想不到的收获。这一次的课程设计告诉我生活不是想象中的那么简单。学期结束了，在上了这么久的模拟电子技术基础课程以及电力电子技术，在这次课程设计中，我发现了许多的问题。发现自己对模拟电子这门课还存在很多的不足之处，理论知识的理解不是很深。短短几天，我觉得收益颇多。 首先，从课程设计本身来说，我学到了很多东西，巩固了课堂上学到的模拟电子技术的应用知识和电力电子技术的知识。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很