多路开关直流稳压电源

1、摘 要几乎所有电子设备中都需要稳定的直流电源。但是一般的直流稳压电源只能输出一路稳压电源，很浪费且不方便。随着电子技术的讯速发展对电源的要求越来越高。针对老式电源只能输出一路稳压电源的缺点，提出了基于集成稳压器可以输出多路电源的多路稳压电源变压器。本设计的直流稳压电源是将电网输入的220v的交流电压变成整流电路所需要的电压，再由单相桥式整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压，然后由电容滤波器将脉动直流电压滤除纹波，变成纹波小的电压，最后通过稳压器输出稳定电压+5v、+12v、-12、+24v和正可调的直流电压。根据多路稳压电源的设计要求，本课题采用了三端集成稳压器78系列、79系列等设计了一个

2、可固定输出+5v、+12v、-12、+24v并能通过lm317实现输出正可调的直流稳压电源。设计中主要通过硬件来完成其稳压电源的要求，采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流和滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5v、12v、+24v并能可调输出1.224电压。 本课题设计的稳压电源具有成本底，体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等优点，被用于各种晶体管仪器、仪表、教学、自动控制系统与设备的直流电源。关键字：变压器，整流桥 ，滤波 ，稳压器目 录前言第1章 方案论证011.1 设计要求01 1.1.1 基本要求01 1.1.2 扩展要求011.2 方案比较011.2.1 总体设计方案比较

3、051.2.2 各模块方案选择和论证061.3各元器件参数计算及选择061.4.1电源变压器的选择061.4.2集成稳压器电路形式的选择061.4.3整流二极管及滤波电容的选择07第2章 系统的硬件设计与实现082.1 系统硬件的基本组成082.2电路设计082.2.1 降压 整流 滤波082.2.2 稳压输出10第3章 系统测试133.1 测试仪器133.2 指标测试133.3 系统实现的功能16结束语参考文献附录1元器件清单附录2 总电路图致谢前 言 随着电子技术迅速发展，对电子设备的电源要求越来越高。几乎所有电子设备中都需要稳定的直流电源。稳压电源具有体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等

4、优点，所以被广泛的作为各种晶体管仪器、仪表、教学、自动控制系统与设备的直流电源。精密稳压、稳流电源还可作为检定某些电工仪表用的稳压、稳流电源。因此，直流稳压电源是科研、生产、教学和维修等单位常用的必备仪器。目前国产直流稳压电源按集成稳压器种类主要可以分成两大类。稳压器中调整元件工作在线性放大状态的称为线性稳压电源，调整元件工作在开关状态的称为开关稳压电源。本课题做的是开关直流稳压电源，根据课题的设计要求，采用了由三端集成稳压器78系列，79系列设计了一个可固定输出+5v、+12v、-12、+24v并能实现输出正可调的稳压电源。本课题可以用在教学实验中小型设备的电源，还可以做为日常生活中小型电子

5、设备供电如收音机，随身听等的电源。第1章 方案论证1.1设计要求1.1.1 基本要求 （1）稳压电源：在输入电压(22022)v、(50+1)hz、a可固定输出+5v 1.5a12v 0.5a+24v 0.5a b. 电压调整率sv0.2%c. 纹波电压:; 1.1.2 扩展要求 1、输出电压可调范围为+1.2v+242、具有过流、过压保护功能1. 2方案比较1.2.1 总体设计方案比较稳压电源的设计可以通过几种方法实现，根据具体的设计要求，通过比较论证来确定我们到底要用哪个方案。方案一：采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5v、12v、+24v

6、并能可调输出1.224电压。如图1.1所示。 但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响很大，因此所设计的指标不高，而且使用的器件较多，连接复杂，体积较大，供耗也大，给焊接带来了麻烦，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度也受到影响。图1.1 直流稳压电源基本组成框图方案二：采用fpga作为控制器的简易数控直流电源设计方案如图1.2所示。设计方案采用fpga作为控制器完成数控部分、键盘、显示器接口控制。输出部分采用d/a0832与运算放大器ua714，输出电压波形由fpga的输出数据控制，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。显示数据由fpg

7、a提供。利用软件和硬件结合的方法来设计稳压电源，其精度和稳定性都有所提高；但是，采用fpga来设计的成本很高，性价比很差。输出变压整流调整管系统电源比较放大电源取样dac键盘扫描bcd计数bcdled+/-识别bcdhed图1.2 采用fpga的简易数控直流电源设计方案方案比较：以上两种方案均可以达到输出稳压电源的要求。方案一是利用纯硬件来实现其功能的，方案二是以fpga为核心控制器件，采用软硬件结合来实现的。方案一的成本要比方案二低很多，性价比也比方案二好很多；但是方案一的稳定性和精度都没方案二要高，而且方案二还可以用modelsim xe 5.3d软件进行仿真和调试等。设计人员可以充分利用

8、vhdl硬件描述语言方便的编程，提高开发效率，缩短研发周期,易于进行功能的扩展，实现方法灵活，调试方便，修改容易。但考虑到稳压电源的实用性，虽然方案一的精度和稳定度不及用fpga来实现的精度和稳定度高,但是用于做稳压电源已足够了.我们采用第一种方案来进行稳压电源的设计。1.2.2 各模块方案选择和论证（1）变压器选择模块由于设计中要求可以输出正、负稳定电压，则对于每一种需要固定输出的电压和可调电压，都必须由输出电压极性相反的两片集成稳压器实现。而两芯片输入端需要分别加上极性相反的电压，所以在选择变压器时，有两种方案：方案一：选用两个变压器，然后把一个变压器的负极和另一个变压器的正极连接起来作为

9、参考地（即电势为0）。如图1.2.1（a）所示。方案二：选用一个带中间抽头的变压器，从中间抽头引出一条线作为参考地。如图1.2.1（b）所示。方案比较：由于变压器的体积比较大，所以在电路中应尽量避免使用太多变压器，另外带中间抽头的变压器也非常常见，经分析选用方案二。 （a）带中间抽头的变压器 （b）普通变压器图1.2.1 变压器的基本连接 （2）整流电路模块整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。但是这种直流电的幅值变化很大。它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路。由于单相桥式整流电路的纹波电压小

10、，输出电压比较高，晶体管所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率高，所以我们选取单相桥式整流电路实现设计中的整流功能。单相桥式整流电路如图1.2.2所示。图1.2.2单相桥式整流电路（3）滤波电路模块滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，对于滤波电路的选择有以下两种方案。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，在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感有平波的作用。在电感滤波电路中，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦

11、，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰。一般用只用在低电压、大电流场合。方案二：采用电容滤波电路。由于电容在电路中也有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，也就是电容具有平波的作用。电容滤波电路简单，负载直流电压比较高，纹波也较小，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。图1.2.3（a）、（b）为电容滤波电路，.（c）为电感滤波电路基于以上的分析，选用方案二。 （a）型滤波电路 （b）倒型滤波电路 （c）型滤波电路图.滤波电路的基本形式（4）稳压电路模块稳

12、压电路主要用于提供更加稳定的直流电源。考虑整流滤波电路的输出电压和理想直流电源还有相当的距离，主要存在两个方面的问题：第一，当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随之发生变化；第二，当电网电压波动时，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响应的发生变化。因此，在系统中采用三端集成稳压器来实现其功能。三端集成稳压器的组成框图如1.2.4所示。+输出端+u1输入端启动电路基准电源调整管放大电路保护电路采样电路u0图1.2.4 三端集成稳压器的组成其中，调整管接在输入端与输出端之间，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。

13、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与基准电压成正比，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部分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，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被短开，一面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。1.4各元器件参数计算及选择1.4.1电源变压器的选择变

14、压器副边输出电压变压器副边输出电流,故取i2=2a变压器副边输出功率变压器的效率为=0.7，则原边输入功率.由上分析,副边输出电压可取40v,输出电流为2a,为留有余地,一般选功率为100w的变压器.1.4.2集成稳压器电路形式的选择7800,7900系列集成稳压器由于输出电压决定于集成稳压器为使电路正常工作，要求输入电压u1比输出电压uo至少大(2.53)v。输入端电容c1 用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.11f。输出端电容c2、c3 用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。v是保护二极管，用来防止在输入端短路时

15、输出电容c3 所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。1.4.3整流二极管及滤波电容的选择整流二极管选1n4001,其极限参数为,而,因为,而所以滤波电容为,电容c的耐压应大于.所以我们选用4700的电容第2章 系统的硬件设计与实现2.1 系统硬件的基本组成本题是一个可实现固定输出和可变输出的稳定电源，在设计中运用了降压整流滤波技术和稳压输出技术，所以系统可分为降压整流滤波部分和稳压输出电路部分。降压整流滤波部分：系统利用带中间抽头的变压器，实现降压并同时输出正、负电压的作用，然后通过单相桥式整流、电容滤波电路，输出纹波较小的直流电压，驱动下一级的稳压电路。稳压电路部分：采用三端集成稳压器lm78

16、xx和lm79xx实现可固定输出稳定电压的要求；采用三端可调式集成稳压器lm317和lm337实现正、负可调电压的稳定输出。2.2电路的设计2.2.1 降压整流滤波（1）由于实际的输入电源都是220v的交流电，而在稳压电路中所有的芯片的输入电压一般是10v40v的直流电压，所以为了能驱动稳压器，我们需要把输入的220v交流电压转换为低压直流电。在本设计中采用了一个带中间抽头的变压器和两个单相桥式整流、电容滤波电路来实现。具体电路如图2.2.1所示。图2.2.1 降压整流滤波电路首先，当接通电源后，经过变压器t1（k1=220v/40v）将交流电网电压u1（如图2.2.2 （a）所示）变成整流电

17、路要求的交流电压u2=u2sinwt；其中u2=u1/k1=220v/220v/40v=27v其中k1为变压器的变比。u2波形如图2.2.2（b）所示。变压器输出电压u2 通过单相桥式整流tf1变换为单方向的脉动电压u3。在整流过程中，四个二极管两两轮流导通。当u2为正半周时，二极管vd1和vd3因加正向电压而导通，vd2和vd4因加反向电压而截止；反之，当u2为负半周时，二极管vd2 和vd4因加正向电压导通，而二极管vd1和vd3因加反向电压而截止。从而实现了输出单向的脉动电压u3，u3波形如图2.2.2（c）所示。由于经整流后的单方向脉动电压包含着很大的脉动部分，所以在整流桥的后面接入了

18、大小为3.3u和2200u的电容来尽可能的将脉动部分滤掉，得到纹波较小的电压u4。滤波后电压u4波形如图2.2.2（d）所示。也就是输出的正向电压u5。此外，大小为1k的r1、r2是为了防止产生自激而设定的。保险丝f1是为了防止电路过大而设定的，起到过流保护的作用，允许通过的最大电流是2a。 同理，可以得出反向输出电压-u5。（e）（d）u5（c）（b）（a）tu440vtu340vtu240vtu1vt图2.2.2 各部分电压波形图2.2.2 稳压输出由降压整流滤波部分所输出的正向电压，通过集成稳压管lm7805、lm7812和lm317可分别输出+5v、+12v、+24v和+1.224v可

19、调电压。而由降压整流滤波部分所输出的负向电压，通过集成稳压lm7912输出的负向电压 -12v稳定电压。在稳压输出部分主要采用集成稳压管来实现题目所要求的功能。下面简单介绍一下题目中所用到的三端集成稳压管。（1）三端固定输出集成稳压器。设计中所使用的7800系列和7900系列便是三端固定输出集成稳压器。它们的使用十分方便，只有三个引出端：输入端、输出端和公共端，电路符号如图2.2.3所示。 （a）lm7800系列 （b）lm7900系列图2.2.3 三端集成稳压器的电路符号7800系列的工作原理方框图如图2.2.4所示。由于7800系列三断集成稳压器的所有主要部分都已集成在管心上，通常在使用时

20、需接到整流滤波电路之后，而不必外接其他元件即可工作，这样就可简化电路板的设计，减小电源部分的体积。7900系列是负压输入、负压输出，工作原理和7800系列基本相同。输出输入基准电压比较放大器过热保护 过流及安全区保护调整元件取样电路地 启动及偏置电路图2.2.4 78系列三端集成稳压器内部方框图图2.2.5为两种稳压电源的应用电路。图（a）为78系列的应用电路，可实现正向的固定输出；图（b）为79系列的应用电路，可实现反向的固定输出。在两电路中，输入端电容ci用以旁路高频干扰脉冲及改善纹波。输出端所接电容c0起改善瞬态响应特性、减小高频输出阻抗的作用。一般输出端无须接入大电解电容。当在输出端使

21、用大电容，且输出电压高于6v时，应在输入、输出端口跨接保护二极管，以防输入端短路时，输出电容通过稳压器进行放电使稳压器损坏；在输出端、地端口跨接保护二极管，可以防止输出端与地短路时，co上的电压损坏稳压器，从而起到了短路保护的作用。此外，78系列和79系列稳压器自身也具有完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路，因而它的工作是比较可靠的。 （a）78系列 （b）79系列图2.2.5 三端固定输出集成稳压器的典型应用电路（2）三端可调式稳压器lm317。这个系列的三端集成稳压器内部由恒流源、基准电压、误差放大器、调整管和保护电路等组成。其内部框图如图2.2.6所示。输出电压可在1

22、.2v24v范围内可调节，其他的电气技术指标、封装形式与固定输出三端集成稳压器基本相同。uoiadj50ufui1.25v调整管基准电 压+ 误差放大器保护电 路恒流源图2.2.6 lm317系列内部组成框图三端可调输出集成稳压器lm31的典型应用电路如图所示。输出电压u0可通过电位器rp2来调节，在忽略调整端电流iadj（一般为0.0050.1ma）时，u0与rp2的关系为 ：式中1.25是集成稳压器输出端与调整端之间的固有参考电压uref。此电压加于给定电阻r1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器rp2，电阻r1取值120240欧姆，与rp2并联电容c2可进一步减小输出电压的纹波

23、。二极管vd的作用是防止输出端与地短路时，c2上的电压损坏稳压器；也可以在输入端和输出端跨接一个二极管，用来防止输入端与地短路时损坏稳压管。rp2之值，可由输出电压最小值uomin和最大值uomax，根据式uo=1.25（1+rp2/r1）分别求出rpmin和rpmax而确定，一般选用精密电位器。lm317型稳压器的输出端不接电容也能工作，但是，由于其放大器是在1 ：1的深度负反馈下工作的，当输出端负载为容性的某些值时，稳压器有可能出现自激现象，为此，在输出端至地间接一个1uf左右的钽电阻。（a） 输出正电压第3章 系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度,我们对系统中的关键部分用进行了测试.

24、3.1 测试仪器测试使用的仪器设备如下所示：（1）yb4365双跟踪示波器（2）数字万用表3.2 指标测试稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。测试电路如图3.2.1。这些质量指标的含义，可简述如下。图3.2.1 稳压电源性能指标测试电路（1）纹波电压纹波电压是指叠加在输出电压u0上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值，u0pp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因u0不是正弦波，所以用有效

25、值衡量其纹波电压，存在一定误差。（2）稳压系数及电压调整率稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即su =电压调整率：输入电压相对变化为10%时的输出电压相对变化量，即稳压系数su和电压调整率ku均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即。（3）输出电阻及电流调整率输出电阻：放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压量与输出电流变化量之比的绝对值，即 电流调整率：输出电流从0变到最大值imax时所产生的输出电压相对变化值，即输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。按照图3.2

26、.1所示测试电路把做好的稳压电源接如电路，（1）在负载电流、环境温度不变的情况下，该改变输入电压，测量实际的输出电压。测量的数据如表3.2.1所示。（2）在放大器的输出电阻相同，且输出电压不变时，改变负载的阻值，记录实际的输出电压和输出电流。测量数据如下表所示。表3.2.1 正5v稳压电源输出电压的稳压系数测试表实际输入电压正5v实际输出电压+5v电压纹波电压正5v电源稳压系数18v5.042v2.6 mv020v5.042v2.8 mv022v5.042v3.1 mv024v5.042v3.2 mv026v5.043v3.4 mv0.002628v5.042v4.0 mv0.0026表3.2

27、.2 正、负12v稳压电源输出电压的稳压系数测试表实际输入电压+12v实际输出电压-12v实际输出电压+12v电源纹波电压-12v电源纹波电压+12v电源稳压系数-12v电源稳压系数18v-12.110v12.002v3.03.600.000520v-12.110v12.000v3.44.00.0.001722v-12.113v12.003v3.23.90.00250.002724v-12.122v12.000v3.23.60.00100.003026v-12.124v12.002v4.14.00.00210.002228v-12.122v12.006v3.74.20.00230.0045表3

28、.2.3在电阻固定在某一位置时可调稳压电源的稳压系数测试表实际输出电压正向实际输出电压负向实际输出电压正向纹波电压负向纹波电压正向稳压系数负向稳压系数18v8.982v13.446v2.9 mv4.1 mv0.00040.003320v8.982v13.449v 3.1 mv4.3 mv00.002222v8.983v13.451v 3.4 mv4.1 mv0.00120.001624v8.982v13.449v3.3 mv4.5 mv0.00130.001826v8.985v13.453v3.4 mv4.4 mv0.00430.003928v8.984v13.151v3.5 mv4.3 mv0.00160.0021根据上表所示，多档稳压电源可以达到设计的要求。3.3 系统实现的功能系统实现的功能有：（1）固定输出电压+5v、12v、+24v；（2）输出正可调稳定电压，输出电压的调节范围为+1.2v+24v（3）具有过流及短路保护功能经过对系统的降压整流滤波部分和稳压输出部分的仿真测试，本设计基本达到设计制作要求和部分扩展功能。结束语本系统以三端集成稳压器为核心部件，利用变压器技术、电路整流、电路滤波和