直流稳压电源论文曾林芳.

1、宜宾学院毕业设计专 业：申L子工程学生姓名：曾林芳指导教师：李庆设计题目：直流稳压申源摘要直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。直流稳压 电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使直流稳压电源进入更广泛的应用领 域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要以半桥变 换电路为开关电源的主电路，设计一台品质优良的直流开关稳压电源。直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵，其控制电路亦比较复杂，另外，开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲 击的能力较差。因而开

2、关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多，这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合，构成完善的保护系统。直流高压稳压电源的长期稳定性主要受温度的影响，文中分析了直流高压稳压电源的构成原理，建立了温度稳定性的数学模型，给出 了精确和可行的定量计算方法，并应用到具体的实例中加以验证，说明了该模型的应用价值，对 直流高压稳压电源的设计具有理论指导作用。关键词：稳压器半桥变换电路数学模型应用价值abstract of a thesisDe regulated power supply with the cha

3、racteristics of high efficiency, small volume, light weight, obtained the rapid development in recent years. Dc regulated power supply high frequency is its development direction, high frequency, the miniaturization of switch power supply, dc regulated power supply and to enter into a wider range of

4、 application fields, especially in the high and new technology in the field of application, promoted the high-tech products of miniaturization, light change. This article mainly to transform half bridge circuit for the main circuit of switching power supply, design a high quality of dc regulated pow

5、er supply switch.Dc switching voltage stabilizer used in high-power switching devices more expensive, the control circuit is also more complex, in addition, the switching voltage stabilizer load is usually with a high degree of large integrated device installed electronic systems. The transistor and

6、 the integrated device resistance electric and thermal shock ability is poor. Thus switching voltage stabilizer protection should take into account voltage regulator itself and the safety of the load. Many different kinds of protection circuit, introduced here polarity protection, procedure protecti

7、on, over current protection, over-voltage protection, under voltage protection and overheat protection circuit.Usually chooses to combine several protection methods, improve the protection of the system. Dc regulated power supply high long-term stability is mainly affected by temperature, this paper

8、 analyses the composition of dc regulated power supply high principle, has established the mathematical model of temperature stability, accurate and feasible quantitative calculation method is given, and applied to the concrete instance verified, illustrates the application value of the model, the d

9、esign of dc regulated power supply high with theoretical guidance.Keywords: voltage stabilizer and a half bridge transformation circuit mathematical model of applied valueii目录第一章直流稳压器原理 3第二章直流稳压电源简介 62.1直流稳压电源的构成 62.2直流稳压电源的分类 62.3直流稳压电源的技术指标 7第三章直流稳压电源的设计 8 3.1设计目的及要求 8 3.2设计步骤及思路 9 321直流稳压电源设计思路 1

10、0 322直流稳压电源原理 8 323 总体电路图8 3.3单元电路设计与原理说明 9331 电源变压器10332整流电路9333滤波电路103.3.4 稳压电路 10335元器件选择和电路参数计算说明 12 3.4 电路板的设计 13第四章电路仿真15 4.1测试要求154.2测试结果和计算结果分析 15 4.3 电路的误差分析与改进 16附表：见最后19第一章 直流稳压器原理直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。 由于操作失误或者意外情况会 将其极性接错 ,将损坏开关稳压电源。 极性保护的目的 ,就是使开关稳压器仅当以正确 的极性接上未稳压直流电源时才能工作。 利用单向导通的器件可以

11、实现电源的极性保 护。最简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电 流, 因这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。 在较大功率的场合 ,则把极性 保护电路作为程序保护中的一个环节 , 可以省去极性保护所需的大功率二极管 ,功耗 也将减小。为了操作方便 , 便于识别极性正确与否。一、极性保护 直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。 由于操作失误或者 意外情况会将其极性接错 , 将损坏开关稳压电源。 极性保护的目的 ,就是使开关稳压器 仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。 利用单向导通的器件可以实现电 源的极性保护。简单的极性保护电路如图1所示。由于

12、二极管D要流过开关稳压器的 输入总电流 ,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场 合, 则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节 , 可以省去极性保护所需的大功率 二极管,功耗也将减小。 为了操作方便 ,便于识别极性正确与否 ,在图 1 中的二极管后 , 接指示灯。二、程序保护开关稳压电源的电路比较复杂 , 基本上可以分为小功率的控制部分和大 功的开关部分。 开关晶体管则属大功率， 为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安 全, 必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。 为此, 要保证正确的开机程序。 开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器在开机瞬间

13、, 滤波电容器 会流过。很大的浪涌电流 , 这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌 电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化 ,并使输入保险丝熔断。 另外, 浪涌 电流也会损害电容器 ,使之寿命缩短 , 近年来，随着微机、中小型计算机的普及和航空 航天数据通信， 交通邮电等事业的讯速发展， 以及为了各种自动化仪器、 仪表和设备 配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺 寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通 / 断、远距离操作和信息保护等功能提出了更 高的要求。对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开 关稳压电源具有以下的一

14、些优越性 :1 ）效率高 开关稳压电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小， 因此功率消耗小而效率高，通常可达到 80%-90%以上。功耗小使得机内温升亦低，周 围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏， 有利于提高整机的可靠性和稳定性。 而 传统的线性稳压电源的晶体管一直工作在放大区， 全部负载电流都通过调整管， 因而 损耗大，效率低，一般只在 50%左右，功率等级也比较低。2）稳压范围宽 从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的， 因而调压范围小。开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实 现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，

15、在交流电压变化较大时，开关稳压电源仍 能达到很好的稳压效果。3）体积小重量轻开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，这样可省去笨重的电源变压器 （为了和高频变压器相区别， 电源变压器又称为工频变压器 ），使电源的体 积大大缩小， 重量减轻。 在隔离式开关电源中， 高频隔离变压器由于频率高而可以使 体积小、重量轻。4）安全可靠开关稳压电源一般都有辅助电路， 以提供自动保护功能。 正因为直流稳压电源有 着这多方面的优点 , 所以对它的研究有着重要的意义 , 这不仅是对自己所学知识的总 结，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。稳压电源的核心元件是 LM337它是一片大

16、电流可调稳压集成电路，。该集成电 路在采用一般接法时，其输出电压范围是 1. 237V。为了进一步拓宽其输出电压的 范围，本电路对其传统应用电路进行了一些改进。 现简单介绍如下：LM337要求输入、 输出端最大电压差不能超过40V,这就限制了它的最高输出电压。当电源输出电压较 低、电流比较大时，功耗全部消耗在 LM337上，造成集成电路发热严重。为了解决这 个问题，在本电源的设计中，将 LM337输入端电压改为分段可调型。由开关 K1-2控 制 JI J9 这九个继电器，将不同的交流电压切换到整流桥的输入端，整流后得到高 低不同的直流电压输入到 LM337中，这样就降低了稳压块的输入电压，同时

17、开关K11同步切换LM337调整端的分压电阻，使调整端的基准电压不断改变，输出端电压 就以每档5V的规律变化。这样一来LM337的输入、输出电压差就被限制在一个较小 的范围内。不但降低了稳压集成电路的损耗，而且提高了最大输出电压。LM337在内部设有1. 2V的基准电压，而输出电压要比调整端电压高，这样就使 LM337的输出电压最低只能是1.2V。为使其输出电压能从零开始，本电源设计用R10 DW曙元件组成-1 . 2V的基准电压，使LM337的调整端电压降至-1 . 2V,这样既保证 了输出端比调整端高的要求，又能使输出电压从零伏开始。如果稳压集成电路的输入端接入较高的电压，而输出端恰好是空

18、载，此时开机， LM337很艮容易由于过电压而在瞬间损坏。为了解决这个问题，在LM337的输入端加入了由 VT1 组成的输入电压限制电路，实际上就是一个射极跟随器，用这个电路保证LM337的输入输出电压差最高为5V,从而避免了因过电压损坏集成电路。主要是用来保护LM337不被击穿，选27V、1W的稳压管即可，DW2急压值为1.2V, 可选用2CW10或2CW50也可以用两只2CK2串联起来代替，但要注意接入的极性（正 好与图1。1中相反）。D1D4使用参数大于6A耐压100V的整流二极管或全桥。电 源变压器T的功率要大于300乂稳压集成电路的型号LM337K要用金封的。J1J9 选用优质6V小

19、型继电器，触点电流要大于 5A。输出电压微调电位器 W选用WXD3-13 精密多圈线绕电位器。电压档位选择开关K1选用2X9的小型波段开关。R*为电流表 取样电阻，可根据所选用的表头灵敏度不同，截取一定长度的导线绕制，如果要提高 输出电压显示精度，可将电压表 V换成市售成品数字式直流电压表直流稳压输出范围DC 024V:最大输出电流3A;电压调整率 0. 001%/V;纹波系数0. 002%:等效内阻w 0. 15Q ;稳压系数0.005 %。第二章直流稳压电源简介 2.1直流稳压电源的构成许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也 需要直流电源，实验室更需要独立的

20、直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性， 在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要 由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流 电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即波纹电压），是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。 2.2直流稳压电源的分类直流稳压电源的发展已有几十年的历史，已从分立器件发展到集成电路。集成稳压电路具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率集成电

21、路的发展， 集成稳压电路已有多个品种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品， 已成为直流稳压电源的主流产品，特别适用于小型电子设备使用。目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类：1、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压，例如，1只电阻和1只稳压管即可构成参数型稳压器。反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变 化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的 目的。2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件 与负载并联的称为并联式稳压器

22、，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线 性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开 关稳压器和分立元器件组成的稳压器。 2.3直流稳压电源的技术指标稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，前者标识稳压电源的功能又称试用指标，后者反映了稳压电源质量的优劣。1、特性指标2、输入电压及适用范围。3、输出电压及输出电压调整范围4、额定输出电流（指电源正常工作时的

23、最大输出电流）以及过流保护电流值。（1）电压调整率负载电流I 及温度T不变而输入电压 U变化时，输出电压U0的相对变化量 U0/UoSj 二U U。Ui与输入电压变化量 U之比值，称为电压调整率，即 00% Io T T =0一般直流稳压电源的电压调整率 Su为1% 0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性 能越好。电压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化-10%时, 输出电压的变化量 U，单位为毫伏。（2）稳压系数稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，Uo UoUi UiT /式中，u为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。一般情况下

24、Sr在10-210-4数量级。显然，Sr越小稳压电路输出电压的稳定性越 好。（3）负载调整率（亦称电流调整率）在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对 变化量用百分数表示Si 二100% U 0 1 0 2 0 maxT z0（4）输出电阻（内阻）当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R），亦称内阻，即R= U0 I0 Ui 2 T -T其单位为欧。R）的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。 R）越小负载能力越强，一般 R）r1。（5）最大纹波电压与纹波抑制比叠加在输出电压上的交流分量的峰一峰值称为最大纹波电压Uip

25、-p，一般为毫伏级。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大。因此，纹波电压应在额 定输出电流情况下测出。纹波抑制比 S定义为稳压电源输入纹波电压峰一峰值 Uip-p与输出纹波电压峰 峰值 UIP*之比，并取对数，即Sr=20 lgU ip-pU op-p单位为分贝（dB）。在质量指标中第（1）、（2）项是描述输入交流电压变化对输 出电压影响的技术指标，第（3）、（4）项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标， 第（5）项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。第三章直流稳压电源的设计 3.1设计目的及要求（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验， 掌握模拟电路设计的基

26、本方法、 设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。（4）设计并制作一个开关稳压电源，主要技术指标要求： 该电源的技术参数：直流稳压输出范围DC 024V:最大输出电流3A; 电压调整率 0. 001%/V;纹波系数 0. 002%:等效内阻w 0. 15Q ;稳压系数 I2*U2=4.8W2、选择整流电路中的二极管变压器的副边电压U2=16V桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：16桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：0.3查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBr=5

27、0V16V最大整流电流If=IA0.3A3、滤波电路中滤波电容的选择滤波电容的大小可用式C/11/( t*I)求得。(1)求厶U :根据稳压电路的稳压系数的定义：设计要求厶 Ub 兰5mV SrO.005 , U= -12V +12V , U=16V代入上式，则可求得 U=A UO/ (U0*Sr);(2)滤波电容 &, t=O.O1S设定 I O=I 0ma=1.2A则可求得Co注意：因为大容量电解电容由一定的绕制电感分布电感， 易引起自激振荡，形成高频 干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应， 抑制 高频干扰。 3.4电路板的设计原理图设计是整个Protel9

28、9se工程的开始,是PCB文档设计乃至最后制版的基 础。一般设计程序是：首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小，即建立工作平 面；然后从元器件库中取出所需元件放到工作面上，并给它们编号、对其封装进行定义和设定；最后利用Protel99se提供的工具指令进行布线,将工作平面上的元器件用 具有电气意义的导线、符号连接起来，对整个电路进行信号完整性分析，确保整个电路 无误。3.4.1电路板的规划电路板规划的主要目的是确定其工作层结构，包括信号层、内部电源/接地层、机 械层等。通过执行菜单命令 DesignBoard Layers，在打开的对话框中可以控制各层 的显示与否，以及层的颜色等属性设置。如

29、果不是利用PCB向导来创建一个电路板文件的话,就要自己定义PCB的形状和尺寸。绘制时需单击工作窗口底部的层标签， 再由PlaceKeepout命令来单独定义。该操作步骤实际上就是在Keep Out Layer(禁止布线层)上用走线绘制出一个封闭的多边形，而所绘多边形的大小一般都可以看作 是实际印制电路板的大小。3.4.2元器件的选择对元器件的选择要严格遵循设计要求，在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用 peotel99se自带的库，当很难找到 合适的，可以自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH勺元件库。P

30、CB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH勺元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。3.4.3 PCB电路板生成的流程1、生成网络表在原理图里面加好封装，保存，ERC佥查，生成元件清单检查。生成网络表。2、建立 PCB选择好公制， 捕获和可见删格大小， 设计好外框 （向导或自己画 ），然后放好固 定孔的位置，大小（3.0mm的螺丝可以用3.5mm的内孔焊盘，2.5的可以用3的内孔）， 边缘的先改好焊盘，孔大小，位置固定。3、布局调用网络表，调入元件，修改部分焊盘大小，设置好布线规则，可以改变标号 的大小，粗细，隐藏标称值。然后先把需要特殊位置的元件放好

31、并琐定。然后根据 功能模块布局，（可以用SCF里面选择过度到PCB里面选择的方式），一般不用X， 丫进行元件的翻转，而是用空格旋转。对于一个功能模块先放中心元件，或大元件， 然后放旁边的小元件， （比如集成块先放，然后放直接和集成块两管脚直接相连的 元件，再放和集成块一个管脚相连的元件， 而且类似的元件尽量放在一起， 比较美 观也要考虑后面连线的方便性 ）。当然一些特殊关系的元件先放，比如一些滤波电 容和晶振等需要靠近某些元件的先放好。还有会干扰的元件先整体考虑要离远点。 高低压模块要间隔6.4mm以上。要注意留出散热片，接插件，固定架的位置。一些 不能布线的地方可以用 FILL。还要考虑散热

32、，热敏元件。电阻，二极管的放置方 式：分为平放与竖放两种：（1）平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时，两个焊盘间的距离一般取 4/10英寸，1/2W 的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸；二极管平放时，1N400X系列整流 管，一般取3/10英寸；1N540X系列整流管,一般取45/10英寸。（2）竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖 放，竖放时两个焊盘的间距一般取 12/10 英寸。4、布线：先设置好规则里面的内容， VCC GND大功率等大电流的线可以设置的宽点 （0.5mm-1.5mm）

33、,般1mn可以通过1A的电流。对于大电压的线间距可以设置大点， 一般1mm为1000V。设置好了，先布VCC GND等一些比较重要的线。注意各个模 块的区分。对单面板最好可以加一些条线。加过孔，不一定横平竖直，集成块的焊 盘间一般不走线，大电流的宽线可以在 solder 层画上线，以便后面上锡；走线用 45 度角。5、手工修改线：修改一些线的宽度， 转角，补泪地或包焊盘 （单面板必须做 ），铺铜，处理地线。第四章电路仿真 4.1测试要求1、测试并记录电路中各环节的输出波形。2、测试稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。固定输出+5V时最大输出电流0.3A和固定输出_12V时最大输出电流0.1A3、测量输出电阻FL4、测量稳压系数。用改变输入交流电压的方法，模拟 U的变化，测出对应的输出直流电压的变化, 则可算出稳压系数