毕业设计（论文）可调直流稳压电源电路的设计

1、 延延 边边 大大 学学 二二一二年一二年 二月二月 学校代码：学校代码： 1018410184 学学 号：号： 20840200552084020055 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 题题 目目： 可调直流稳压电源电路的设计可调直流稳压电源电路的设计 学学生生姓姓名名 ： 学学 院院 ： 工工 学学 院院 专专 业业： 电电 子子 信信 息息 工工 程程 班班 级级： 2 2 0 0 0 0 8 8 级级 指指导导教教师师 ： 摘 要 20 世纪 70 年代开始，出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因具有 节能效果显著的特点而得到迅速发展。电力电子电路的发展经历了整流器时代、逆

2、变器时代和变频器时代几个发展阶段。同样电源的发展也经历了这三个时代的变化。 不论是在生活上，工业上，以及军事上都需要能源（电源） ，不同的工作要求需要不 同种类的电源。电源的不同种类推广从而给人类的工作、生活带来了一定程度上的 便利。早期的电源多是线性稳压电源，内部功耗大、转换率低、体积大、重量重、 输入电压动态范围小，线性调整率低（不能设计 100-250v）使得电源的使用范围受 到一定的限制。本文设计的稳压电源以体积小、可调控范围广、效率高、应用范围 广的目的而设计的。 本设计系统采用 pwm 发生器及驱动器为核心，设计附有储能、滤波、分时导通 的可调直流稳压电源系统，具有结构简单，成本低

3、，精度高等优点，很大程度上满 足了稳压电源的应用需求。 关键词：pwm 发生器；变压器；三极管；死区时间； abstract the 1970s, there was the world energy crisis, ac motor with variable frequency speed regulation for energy saving effective remarkable characteristics and rapid development. the development of the power electronic circuits experiences th

4、e rectifier era, inverter frequency converter several times and times development stage. the same development also experienced the three times of changes. whether in life, industry, or military that needs energy (power), different work required different kinds of power supply. the power of the diffe

5、rent types of work is to promote human life with a degree of convenience. early power is linear regulated power supply, which is internal power, low conversion efficiency, big volume, heavy weight, and the input voltage of dynamic range small. the adjust rate of linear is low (cant design 100-250 v)

6、 which makes the power of the scope of application limits. in this paper, the design of regulated power supply is small, which can control range, high efficiency, wide range application of the purpose of the design. this design system adopts pwm generator and drives as the core, design with energy s

7、torage, filtering, time-sharing guide through the adjustable dc power supply system, the structure is simple, low cost, high precision of advantages, which is a great of extent, and meets the application requirements of voltage stabilizer. keywords: pwm generator; transformer; transistor; dead time

8、目 录 摘 要 .i abstract.ii 引 言.1 第一章 绪论.2 1.1 课题背景.2 1.2 国内外研究现状.2 1.3 研究目的及意义.3 1.4 主要研究内容.3 第二章 系统硬件设计.4 2.1 系统构成.4 2.2 控制部分.4 2.2.1 比较器.4 2.2.2 集成电路 ne555.6 2.2.3 pmw 波发生器.6 2.3 开关管部分.6 2.4 变压器部分.7 2.5 滤波部分.8 第三章 实际电路设计.10 3.1 半桥式开关电源.10 3.2 全桥式它激型开关稳压电源.11 结 论.12 参考文献.13 谢 辞.14 引 言 电子电路要正常工作，电源必不可少，

9、并且电源性能对电路、电子仪器和电子 设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中， 对电源的性能要求更高。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力 的可调直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计，其要求是输出 电压连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应 能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电 流。 第一章 绪论 1.1 课题背景 随着电子技术的高速发展，电子设备的应用越来越广泛，种类也越来越多，与 人们工作、生活的关系日益密切1。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电 源的

10、要求也越来越高。直流电源应用非常广泛，小至家用电器的供电电源，大至大 型发电厂、水电厂、超高压变电站、无人值守变电站作为控制信号、保护、自动操 作、事故照明、直流油泵，各种直流操作机构的分合闸，二次回路的仪表，自动化 装置的控制交流不停电电源等用电装置的直流供电电源2。与此同时直流电源的好 坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。目前，市场上各种直流电源的基本 环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器( 有时可以不用)、整流电路、滤波稳 压电路等。但由于调节性能差、过电压水平高、线路损耗大等原因给人们生活带来 了多多少少的不便。体积小、重量轻、效率高是稳压电源的总体发展方向3。 1.2 国内

11、外研究现状 目前直流电源在商业贸易中的使用已经相当普遍,但是也存在较大的局限性：内 部功耗大、转换率低（一般 45） （须加大的散热器） ；体积大、重量重，不便于微 型化和小型化（因为使用工频降压变压器） ；必须有较大容量的输入和输出滤波电容 （因为对工频进行滤波） ；输入电压动态范围小，线性调整率低（不能设计 100- 250v） ；只能用于降压输出电压不能高于输入电压。电源的发展经历了整流器时代、 逆变器时代和变频器时代几个发展阶段4。20 世纪 70 年代开始，出现了世界范围 的能源危机，交流电机变频调速因具有节能效果显著的特点而得到迅速发展。变频 调速的关键技术是将直流电逆变为 010

12、0hz 的交流电。在 7080 年代，随着变频调 速装置的普及，大功率逆变用晶闸管、大功率晶体管（gtr）和门极关断晶闸管 （gto）成为当时的主角，类似的应用还包括高压直流输电、静止式无功率动态补偿 等。但变频装置的工作频率还较低，主要局限在中低频范围内5。20 世纪 80 年代 开始，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电源的发展奠定了 基础。将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的 全控型功率器件。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使 其性能更加完善可靠，为用电设备的高效节材节能，实现小型化和轻量化，实现机 电一体化和智能化提供

13、了重要的技术基础。 传统的线性稳压电源体积大不易携带，效率低等缺点使其被列入取消的行列。 各种电子装置都需要不同电压等级的直流电源供电，近年来高频开关电源内部功率 损耗小，转换效率高，体积小，重量轻，稳压范围宽，线性调整率高，滤波效率大 为提高，电路形式多样，选择余地大已经取代了传统的线性稳压电源在6。在家用 电器中，各种节能灯的镇流器、电视机、变频空调、变频冰箱等，都采用了直流电 源供电7。 随着现代控制理论、微电子技术、计算机技术的飞速发展，现代直流电源装置 正在向大范围可调、大容量、高频化、易驱动、高功率和智能控制方向发展。使得 电子产品的更新速度达到了日新月异的地步，从而使新型可调直流

14、稳压电源电路的 开发成为趋势8。 1.3 研究目的及意义 掌控制电路，驱动电路和保护电路的工作原理及应用，了解稳压电源中击穿， 整流和滤波的防止和应用，有关变压器的加工工艺及绝缘处理。通过设计、安装、 调试等环节，提高学生的动手能力，分析问题和解决问题的能力。通过设计这种测 量范围宽、体积小、应用范围广、易于操作便于携带的直流电源，克服现有电源在 使用上存在的如结构复杂、成本过高、功率低等一系列问题。 1.4 主要研究内容 本设计系统以功率管为核心，设计一个全桥式它激型开关稳压电源电路，使其 符合测量精度高、体积小等优点的可调直流稳压电源电路。主要过程是两个三极管 分时轮流导通，传送能量使变压

15、器变压，电流通过二极管和电感 l 给电容 c 充电同 时对负载 rl供电。通过导通周期的互补，电容的充放电发生变化，这样就会使输出 电源电压的范围发生变化。 第二章 系统硬件设计 2.1 系统构成 本系统以 pmw 波及驱动器为核心，与开关管放大器、变压器、二极管、电感和 电容共同组成了全桥式它激型开关稳压电源电路的系统。 pwm 发生器 驱 动 器 开 关 管 变 压 器 整 流 滤 波 检 测 反 馈 退磁线圈 图 2.1 可调直流稳压电源电路系统结构图 如图 2.1 可调直流稳压电源电路系统结构图所示，由 pmw 波及驱动器分时导通， 经过误差放大作用、变压器变压作用、储能元件电感和电容

16、充放电作用，从而使输 出电压可变。 2.2 控制部分 本系统的控制部分由 pmw 波及驱动器构成，输出的信号是三极管分时轮流导通， 用比较器或者 ne555 组成的 pwm 波发生器都可为占空比可调的电路发生器。 2.2.1 比较器 (1)一般比较器 一般比较器只有一个比较点，满足当运放电路的同相端大于反相端，即参考电 压值大于输入电压值时 ,输出电压约为ucc； 当运放电路的同相端小于反相端，即 参考电压值小于输入电压值时, 输出电压约为-ucc。 (2) 施密特比较器 施密特比较器具有两个比较点，且比较后自动改变下一个比较点电压输出高电 平时：输出电压约为ucc；输出高电平时：输出电压约为

17、- ucc ；双电源时，设 |+ucc|=|-ucc|= 10v uh ，r1= r2 = 1k 时，urefh=5v, urefh=-5v。 + _ uref r1 r2 uo ui +5v t t -5v ui uo uref t +5v -5v +ucc -ucc +ucc -ucc 图 2.2 施密特比较器及输出电压波形 单电源构成：假设 uc=10v，r1= r2 ,uz=5v 时, urefh=2.5+5=7.5v , urefl=2.5v。 （3）矩形波、三角波发生器（双电源） t t t uc urefh urefl t1t2 uref uo +ucc -ucc + _ r c

18、 r2 r1 uref uo uc +ucc -ucc 图 2.3 矩形波、三角波发生器及输出电压波形 工作过程分析为上电后 uc=0,设为输出高电平,uo=uh ,通过 r 对 c 充电； 当 uc urefh时，输出低电平,uo = ul，c 的电压通过 r 放电；当 uc urefl时， uo = uh,重新开始充电。这时周期为: t = t1 + t2 ,由于 t1 = t2 ,可利用一 阶电路的全响应公式, us 为电源，u0 为初始电压 ，其与电源电压+ucc和- ucc 无关 - 频率稳定。 （4）可调节占空比 d 的电路 占空比定义为导通时间和工作周期的比值, 因此 ton=d

19、t, toff=(1-d) t。 （5）锯齿波发生器 rf20 时，放电时间短，形成锯齿波。 （6）正弦波发生器 可用专用的发生器集成电路产生；单片机和 da 结合产生；可利用方 波、三角波、梯形波产生。原理为在方波或三角波中滤除高频部分滤波器 个数越多，效果越好。 2.2.2 集成电路 ne555 集成电路 ne555 工作原理（timer，定时器） ，内部具有三个 r，对电源 电压进行分压，当，rs 触发器置位，输出 u3 为高电平，三极管截止；当 rs 触发器清零，输出 u3 为低电平，三极管饱和；u4 为低电平时，清零，输出 u3 为低电平设计举例。 2.2.3 pmw 波发生器 pw

20、m（pulse width modulation）占空比可变的脉冲波-频率可变、可不 变。因此改变 d 可以改变输出电压 uo 。发生器的形成为利用锯齿波、三角 波产生 pwm 波形原理 ；用比较器组成 pwm 型开关电源；用 ne555 组成 pwm 型开关电源。 当 uc uh时，输出低电平，一直到当 uc ul时，u3 = 0v，q 截止， l 的电压极性反相，l 中的能量经 d 传送到 c 和 rl，同时电容 ct中的电压经 rb放电；当 uc ul时，输出高电平 ucc； 2.3 开关管部分 （1）三级管分为 npn 和 pnp 两种，工作时 be 结正偏，bc 结反偏。 三级管的复

21、合应用（达林顿管） ，一个三级管较小，控制能力较差，为了提高 的大小，采用复合管。npn 和 pnp 三极管共有四种组合，同型管复合，, 21 异型管复合， ，型号取决于前面的管。三级管的特性为电流控制器件， 21 输入阻抗较小，输入需要输入一定的电流，才有输出电流,因此需要较大的驱动功率， 饱和时 uces20khz 以上时，f 越高 涡流越大趋肤效应越明显。 穿透深度，铜线时，20，k=1， ，f=1khz 时，h=2.1mm； f=10 khz 时， h=0.66mm10。通常频率 f 越高，穿透深度越小，趋肤效应越严重；导线选择h 原则为产生趋肤效应时，电流只流在表面的浅层部分，内部几

22、乎无电流,可用小直径 的导线多股并绕或采用扁铜带导线绕制，从而增大导线的表面面积。 2.5 滤波部分 （1）续流二极管 d 的选择 d 的正向额定电流大于等于开关管的集电极电流或负载 r 上的电流;d 的反向耐 压值大于 ui；为了减小开关引起的输出波纹电压和提高效率，二极管 d 应选用导通 速度快、反向恢复速度快的二极管;普通二极管开关速度慢，正向压降较大 0.51v，通常用在工频电流的整流 in4000 系列， in4001（100v/1a） 、in4005、in4007；快恢复二极管开关速度很快，可减少开和关时产生的损耗， 但正向压降较大 0.51v，fr107（700v/1a） 、fr

23、207（700v/2a） 、fr307 fr507；超 快恢复二极管开关速度比快恢复二极管更快，正向压降较大 0.51vher107（700v/1a） 、her207、her307；肖特基二极管开关速度最快，正向 压降小 0.20.5v，可提高效率，价格较贵 sr160（60v/1a） 、 sr260、sr360、sr560sr1100（100v/1a） 、sr2100、sr510011。 （2）输出滤波电容 c 的选择 c 过小，滤波作用减少，当纹波电压大时，过大则浪费且体积大。 第三章 实际电路设计 本设计中的可调稳压电源电路的设计主要是桥式开关电源的设计，桥式开关电 源包括半桥式开关电源

24、和全桥式开关电源，全桥式开关电源输出电压的范围比半桥 式开关电源高一倍。 3.1 半桥式开关电源 c c1 1 pwm 及驱 动器 a t c c l b d ui n1 rluo r1 q1 q2 r2 d1 o1 o2 d2 n3 n4 e c c2 2 图 3.1 半桥式开关电源 电路的特点为两管轮流工作，因此输出功率大；电容 c1=c2，因此变压器在双 极性状态工作，磁芯利用率高；电容 c1=c2，因此功率变压器初级的电压为 ui/2,电 压利用率低，不利于提高输出功率（缺点）12。 工作原理为 q1 和 q2 分时轮流通，传送能量，用于大功率场合。q1工作过程： 当 o1高电平、o2

25、 低电平时 q1通、q2不导通 n1 绕组上负，下正（电压为 ui/2） n4 的电压上正下负 d2 不导通，n3 的电压上正下负 d1 导通电流通过 d1 和电感 l 给 c 充电同时对 rl供电；q2工作过程：当 o2高电平、o1低电平时 q2通、q1不导通 n1 绕组上正下负（电压为 ui/2） n3 的电压上负，下正 d1 不导通，n4 的电压 上负，下正 d2 导通电流通过 d2 和电感 l 给 c 充电同时对 rl供电。 共态导通问题，在两个开关管轮流导通工作的开关电源中，应绝对避免两个开 关管同时导通的情况，同时导通称为共态导通。由于开关管存在 off 延迟时间，因 此输出 o1

26、和 o2之间应有最小的低电平时间，确保完全断开，最小死区时间（dead time） 。 输出电压一般 n3 = n4，而且初级线圈上的电压为 ui/2。 3.2 全桥式它激型开关稳压电源 pwm及驱 动器 ab ui n1 q1 q2 d1 o1 o2 d2 n3 n4 q3 q4 c l rl o4o3 e 图 3.2 半桥式开关电源 电路特点为 4 个功率管轮流导通（两个半桥式电路的结合)，无两个电容 c1、c2；变压器工作在双极性，磁芯利用率高；功率变压器初级电压为 ui，因此电 压利用率高。 工作原理为 q1 和 q3 工作过程：当 o1高电平、o2 低电平时 q1 和 q3 通、q2

27、 和 q4 不导通 n1 绕组上负，下正（电压为 ui） n4 的电压上正下负 d2 不导通， n3 的电压上正下负 d1 导通电流通过 d1 和电感 l 给 c 充电同时对 rl供电；q2 和 q4 工作过程：当 o2高电平、o1低电平时 q2 和 q4 通、q1 和 q3 不导通 n1 绕组上 正下负（电压为 ui） n3 的电压上负，下正 d1 不导通，n4 的电压上负，下正 d2 导通电流通过 d2 和电感 l 给 c 充电同时对 rl供电。输出电压一般 n3 = n4 而且 初级线圈上的电压为 ui，与半桥式相比输出电压大一倍。 结 论 据不完全统计，在目前所有能源中，电能约占 40

28、%，电能中 55%以上是通过各种 电机消耗的，而为各种电机供电的电源也不同。此外，电化学、电解、电镀等所需 要的整流电源，冶金工业中的中频、高频感应加热电源，直流电弧炉电源等都是电 源控制。因此电源的设计及要求也越来越高，要求电源有更高的调控范围及效率。 对稳压电源的设计需要不同元器件的配合使用，对不同元器件选择也是设计稳压电 源必须考虑的问题，元器件的选择要根据其工作状态、调控范围、制约程度等方面 综合考虑。 在本次设计中，由 pmw 波产生的占空比可变的输出电压，驱动器的驱动放大作 用，变压器范围可调的变压储能作用，储能元件电感和电容充放电作用，从而使输 出电压在一定范围内可变。采用 pwm 发生器及驱动器为核心设计的稳压电源，成本 较低且性能稳定、可调控范围广、效率高，基本达到了预期目标。而且本设计简单 易于操作，便于在各个行业上应用，元器件价格便宜使得生产成本降低，而且易于 广泛推广使用。 在这次课程设计中，运用到了很多以前的专业知识，虽然过去从未独立应用过它 们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的一 大收获。另外，要做好一个课程设计，就必须做到在设计程序之前，对所用元器件 的内部结构有一个系统的了解；在设计程序时，反复修改、不断改进，要养成注释 程序的好习惯，一个程