模电课设论文：微机断电保护直流不间断电源

1、1辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电子技术基础（模拟部分）电子技术基础（模拟部分）课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：微机断电保护直流不间断电源微机断电保护直流不间断电源院院 （系）：（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 起止时间：起止时间： I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子信息工程学院 教研室：电子信息工程学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目微机断电保护直流不间断电源微机断电保护直流不间断电源课程设计（论文）任务设计参数：1设计并制作一台串联型（连续调整式）微机断

2、电保护直流不间断电源。2输出直流电压。VVo53最大输出电流。AILM34稳压系数。05. 0rS5具有断电保护功能。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划1、明

3、确课题任务，查阅资料，理解课题设计的具体要求。 （1 天）2、构思出稳压电源的总体方案，设计整体电路的系统框图。 （2 天）3、构建不间断直流稳压电源的各个环节的具体方案及框图。 （2 天）4、绘制各部分模块的电路原理图，并说明各部分的工作原理。 （2 天）5、计算确定各元器件的参数，对系统进行仿真，分析系统的性能。 （2 天）6、撰写、打印设计说明书（1天）II指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘要本文设计的该微机断电保护直流不间断电源设计由电源变压器、整流电路、充放电控制、滤波和

4、稳幅稳压等必要电路构成，它可以广泛应用于微型计算机系统和网络应用中，可以防止微机使用过程中由于发生断电等异常现象，造成信息数据丢失或使系统无法继续运行等状况发生。设计的不间断直流稳压电源，当输入市电正常时，主电源工作，为负载电路供电，同时给备用电源（蓄电池）充电，当蓄电池充满时自动处于断开状态，停止充电；当出现异常断电情况时，电路控制系统将开关自动切换到备用电源上，使其开始放电为负载供电。关键词：断电保护、直流不间断稳压源、整流、滤波、稳压等III目录第 1 章微机断电保护直流不间断电源设计方案论证.11.1 微机断电保护直流不间断电源的应用意义.11.2 设计的要求及技术指标. 11.2.1

5、 设计要求： .11.2.2 设计参数：.11.3 设计方案论证.21.4 总体设计方案框图及分析.3第 2 章微机断电保护直流不间断电源各单元电路设计.52.1 电源变压器电路设计.52.1.1 分类.52.1.2 电源变压器的特性参数.52.2 桥式整流电路设计.62.3 滤波电路的设计.82.3.1 滤波电路的选择：.82.3.2 电容滤波电路的工作原理.82.3.3 RL、C 对充放电的影响.92.4 充放电控制系统的设计.102.5 串联反馈式稳压电路设计.112.5.1 电路组成.112.5.2 输出电压及调节范围.122.6 启动电路与保护电路的设计.122.6.1 启动电路.1

6、22.6.2 保护电路.12第 3 章微机断电保护直流不间断电源整体电路设计.143.1 整体电路以及工作原理.143.3 整体电路性能分析.16第 4 章设计总结.16参考文献.17附录：元器件清单.18 本科生课程设计（论文） 1第 1 章微机断电保护直流不间断电源设计方案论证1.1 微机断电保护直流不间断电源的应用意义当今社会已进入电子信息时代，微型计算机已经普及，但是随着计算机的普及也产生很多问题，例如：外电源突然断电导致信息丢失或系统无法运行，这样会照成一定的损失。本文设计的该微机断电保护直流不间断电源设计由电源变压器、整流电路、充放电控制、滤波和稳幅稳压等必要电路构成，它在计算机系

7、统和网络应用中，主要起到两个作用：一、是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二、是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染” ，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。因此，它可以防止使用过程中由于发生断电等异常现象，造成信息数据丢失或使系统无法继续运行等状况发生，同时这种电源具有结构简单，造价低廉，性能可靠，供电时间长，无转换时间和逆变过程等优良性能。1.2 设计的要求及技术指标1.2.1 设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理

8、的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.2.2 设计参数：1.设计并制作一台串联型（连续调整式）微机断电保护直流不间断电源。2.输出直流电压。VVo5 本科生课程设计（论文） 23.最大输出电流。AILM34.稳压系数。05. 0rS5.有断电保护功能。1.3 设计方案论证方案一： 利用 UPS 改进的工作原理UP

9、S 的中文意思为“不间断电源” ，是英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使您不致因停电而影响工作或丢失数据。从基本应用原理上讲，UPS 是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。首先，利用整流器将交流电转化为直流电，提供稳定的电压，滤波后给负载供电，同时给蓄电池供电。第二，利用蓄电池装置，当正常电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载；其容量决定了供电时间第三，

10、利用逆变器，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；最后，由静态开关控制，静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。市电输入 图 1-1 方案一简图电蓄池负载逆变器静态开关AC/DC 整流器 本科生课程设计（论文） 3方案二：利用 EPS 改进的工作原理EPS 的中文意思为“应急备用电源” ，是英语“Emergenc

11、y Power Supply”的缩写，主要采用 SPWM(交流脉带调制)技术，系统主要包括整流充电器、蓄电池组、逆变器、互投装置等部分。本方案直接使用一个蓄电池，安装在滤波电路之后，当外电源正常工作时候，一方面给蓄电池充电，另一方面经过滤波稳幅等电路为负载提供直流电源。当外电源出现故障或突然中断时，电路进行零输入响应，蓄电池开始放电，为电路提供不间断的直流稳定电压。 图 1-2 方案二简图经过两个方案对比，本设计选择第二个方案，首先，方案一电源在电路结构上复杂，并且经济价值高，其次，方案一包括逆变过程，比较复杂。通过对比，不能说方案二比方案一先进，但是方案二比方案一在结构上简洁，在成本上相比也

12、比较低，并且上手比较容易，制作起来比较简单，所需要的器件在市场上很方便的可以找到。所以本设计选择方案二。1.4 总体设计方案框图及分析整体设计方案采取第二种方案，具体阐述分析如下：本方案采用的是充放电控制系统，将此系统接在滤波下级，与后面电路连接成并联的形式，具体实行步骤：当外电源正常工作的时候，电源变压器将外电源 220V交流电压变为适合此电器使用的电压，然后经过整流滤波电路，将交流电变为直2V流电（单向脉动性直流电） ，此直流电一方面对充放电控制系统进行充电，另一方面通过稳幅稳压等措施对负载进行作业。当外电源出现断电或其他故障，不能正常的供电时，这个时候，充放电控制系统进行放电，此电量经过

13、稳幅稳压等措施对负载保持正常工作，提供不间断直流电源。充放电控制系统中包括：蓄电池一个，电磁继电器开关一个，发光二极管两个（一个发绿色的光、一个发红色的光） ，连接形式为两个发光二极管并联与蓄电池串蓄电池充电电路变压器整流、滤波电路限幅、稳压负载 本科生课程设计（论文） 4联，通过电磁继电器开关来控制蓄电池的充放电。 图 1-3 图 1-3 整体设计方案的具体框图 工作负载市电 (220V-50Hz)在？)变压器整流器稳压电路滤波器蓄电池充放电 控制系统 本科生课程设计（论文） 5第 2 章微机断电保护直流不间断电源各单元电路设计2.1 电源变压器设计 图2-1 电源变压器变压器是变换交流电压

14、、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流） 。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。2.1.1 分类 自耦变压器；高压变压器（干试和油浸试） ，变压器一般用的铁心形状有 E 型和 C 型铁心，XED 型，ED 型 CD 型。变压器按用途可分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干变式变压器、单向变压器、整流变压器、电炉变压器、电抗变压器、抗干变压器、防雷变压器、箱试变压器、试验变压器、转角变压器、大电流变压器、励磁变压器。2.1.2

15、电源变压器的特性参数 1 工作频率 f 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。 2 额定功率 P在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。 3 额定电压 U指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 4 电压比 本科生课程设计（论文） 6指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 5 响应频率指变压器次级输出电压随工作频率的变化特性 6 空载损耗指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损） ，这部分损耗很小。 7 效率 指次

16、级功率 P2 与初级功率 P1 比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。8 绝缘电阻 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。9 通频带如果变压器在中间频率的输出电压为 U。当输出电压（输入电压不变）下降到0.707U 时的频率范围，称为变压器通频带 B.10 初、次级对抗比变压器初、次级接入适当电阻 R1 和 R2，使变压器的初、次级相匹配，则 R1和 R2 称为对抗比，在阻抗相匹配的情况下，效率最高。2.2 桥式整流电路设计 图 2-2 桥式整流电路 负载 C电源 U 本科生课程设计（论文） 7 图 2-

17、3 整流过程中电流电压波形图整流原理：如图，设 D1D4 是全桥堆中的四只整流二极管，Tr 是电源变压器，次级线圈电压为，负载电压为，电流为。2VLVLI当工作在正半周的时候，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止。当工作在负2V2V半周的时候，二极管 D2、D4 导通，D1、D3 截止。整流后的波形如图 2-3 所示。从输出波形图可以看出，整流电路可以将交流电压（电流）转换成单向脉动的直流电压（电流） 。1经过傅里叶级数变换，得到负载两端电压=0.9LV2V2. 由于二极管 D1、D3 和 D2、D4 是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为=DILLRVI245. 0213 二

18、极管所承受到得最大反向电压 22VVRM 本科生课程设计（论文） 82.3 滤波电路的设计2.3.1 滤波电路的选择： 图 2-4 电容滤波电路 图 2-5 电感滤波电路电容滤波电路简单，负载直流电压比较高，纹波也较小，不足的地方是输出特性比较差，故使用负载电压比较高，负载变动不大的场合。电感滤波的特点是，整流管的导电角较大（电感 L 的反电势使整流管导电角增大） ，无峰值电流，输出特性比较平坦。其不足的地方是由于铁心的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。综合考虑干扰、可行性、方便简易性、低成本等各方面因素，本设计方案更适合选用电容滤波电路。2.3.2 电容滤波

19、电路的工作原理滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。当为正半周并且数值大于电容两端电压时，二极管 D1 和 D3 管导通，D22VCV和 D4 管截止，电流一路流经负载电阻 RL，另一路对电容 C 充电。当，导致CV2VD1 和 D3 管反向偏置而截止，电容通过负载电阻 RL 放电，按指数规律缓慢下降。CV当为负半周幅值变化到恰好大于时，D2 和 D4 因加正向电压变为导通状态，2VCV再次对 C 充电，上升到的峰值后又开始下降；下降到一定数值时 D2 和 D4 变2VCV2V 本科生课程设计（论文） 9

20、为截止，C 对 RL 放电，按指数规律下降；放电到一定数值时 D1 和 D3 变为导通，CV重复上述过程。2.3.3 RL、C 对充放电的影响电容充电时间常数为 rDC，因为二极管的 rD 很小，所以充电时间常数小，充电速度快；RLC 为放电时间常数，因为 RL 较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取决于放电时间常数。电容 C 愈大，负载电阻 RL 愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图所示。1. 有电容滤波时候设电流为 LII25 . 122. RC 越大电容放电速率越慢,一般取 253TCRLd3电容滤波电路的负载电压与的关系越 LV2V22 . 11 . 1V

21、VL2.4 充放电控制系统的设计 图 2-7 充放电控制系统 本科生课程设计（论文） 10 工作原理：当外电源正常工作的时候,V2 经过整流电路，将交流电变为直流电(单向脉动性直流电).此直流电一方面对充放电控制系统中的蓄电池进行充电,另一方面通过滤波、稳幅等措施对负载进行作业。当外电源出现断电或其他故障，不能正常的供电时。这个时候充放电控制系统进行放电。当蓄电池进行充电过程，充电控制系统两端电压大于 12V D5 导通、D6 截止，对蓄电池进行充电，并且 D5 发黄光，当电量充满的时候，充电控制系统相当于开路，无电流通过 D5-D6，发光二极管不发光，当外电源出现异常的时候，整个电路进行零输

22、入响应，蓄电池开始放电，此时 D6 导通、D5 截止并且 D6 发红光,为整个电路提供不间断直流电源。 发光二极管的作用是为了提醒用户外电源是否出现故障应及时采取措施。 此电路用到了一些元件的特别性质，像二极管的单向导电性，和发光二极管的电信号转向光信号的性质，还有蓄电池的性质。2.5 串联反馈式稳压电路设计 基准电压 比较放大 调整管 取样部分 负载 图 2-8 串联反馈式稳压电路一般结构图 本科生课程设计（论文） 112.5.1 电路组成由图可知电路由四部分组成（1）取样电路.取样电路由 R1、Rp、R2 组成的电阻分压器构成，它将输出电压Uo 的一部分取出送到放大环节,图中 Rp 是调节

23、输出电压的作用。（2）基准电压.基准电压部分由稳压管和 R 组成，稳压管上电压 VDz 是一个稳定性较高的直流电压，作为调整、比较的标准，R 是稳压管的限流电阻。（3）比较放大电路.比较放大是由运放 A 构成，是将取样电压与基准电压之差值进行放大，比较放大电路也可以采用三极管。（4）调整管.调整管由工作于线性区的功率管 T 组成，它的基极电流受比较放大电路输出信号控制，根据比较放大电路给出的信号去调整输出电压 Uo。2.5.2 输出电压及调节范围 Uo 靠滑动电阻 Rp 的调节来控制，范围为： (1) 当 Rp 动端在最上端时，输出电压最小为 Vomin 则 REFppOMINVRRRRRV2

24、21 (2) 当 Rp 动端在最下端时，输出电压最大为 Vomax，则 REFpOMAXVRRRRV2212.6 启动电路与保护电路的设计2.6.1 启动电路启动电路设置在串联负反馈式稳压电路中，作用是防止电流源难以自行导通，以致输出电压较难建立，启动电路可以给电流源提供基极电流，使基极电位上升导通，以使整个电路进行工作状态。2.6.2 保护电路 保护电路目的主要是使调整管能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗 本科生课程设计（论文） 12不超过额定值 Pcm 图 2-9 调整管保护电路图工作原理： 稳压电路正常工作时，负载电流不超过额定值，电流在 Ro 上的压降很小，故三极管 T1 截止，

25、保护电路不起作用。当负载电流超过某一定临界值后，Ro 上的压降使 T1 导通。由于 T1 中流过一个集电极电流，将使调整管 T 的基极电流被分流掉一部分，于是限制了 T 中电流的增长，保护了调整管。 本科生课程设计（论文） 13第 3 章微机断电保护直流不间断电源整体电路设计3.1 整体电路以及工作原理 图 3-1 整体电路图工作原理：1.外电源正常工作情况下，经过电源变压器作用，使外电源电压降低到合适电压，此时电压为交流电压，再经过整流桥 D1D4 两两导通的整流作用后，电压2V变成单向脉动的直流电压；由于脉动的直流电压还含有较大的纹波，需用滤波电路将其滤除，故 C1 的作用是把经过整流作用

26、后的单向脉动的直流电压中的纹波滤除；接着，电路一方面通过充放电控制系统的控制对蓄电池进行充电，另一方面通过稳压电路作用后为输出负载提供稳定的直流电压。2.当外电源出现故障的情况下，由充放电控制系统控制蓄电池开始进行放电，由于滤波与系统之间接有一个反向偏置二极管 D5，所以滤波不作用，蓄电池放出的电量直接供后面的电路进行工作。（1）充放电控制系统：当充电的时候，此时发光二极管 D6 导通发绿光，当电量充满地时候，充放电控制系统相当于开路，所以不发光；当断电时，电磁继电器开关跳到 K2，蓄电池开始放电，同时使发光二极管 D7 导通发出红光(根据两个发光二极管不同的情况下进行发光，可以提示用户电路工

27、作在何种状态)。（2）整个稳压电路由开启电路（Dz1、R1、R2、T1） 、保护电路(Ro、R3、To)、取样(R5、R6、Rp)、基准电压（R4、Dz2） 、比较放大（A） 、调整管组成（T2、T3） 。当输入电压 Vi 为一定值，且高于 Dz1 的稳定电压时，稳压管两端电压使 T1 导通，电路中调整管基极电位建立，整个电路进入正常状态。稳压电路进行工作。当稳压电路正常工作时，负载电流不超过额定值，电流在 Ro 上的压降很小，故三极管 T1的发射结未能导通即 T1 截止，保护电路不起作用。当负载电流超过某一定临界值后， 本科生课程设计（论文） 14Ro 上的压降使 T1 导通。由于 T1 中

28、流过一个集电极电流，将使调整管 T 的基极电流被分流掉一部分，就限制了 T 中电流的增长，从而起到保护调整管的作用。3.2 电路参数计算（1）电源变压器的选取：由于要求输出电压为 5V 且连续可调，则假设输出电压的范围为 4V6V；要考虑在最不利条件：交流市电 220V 电源电压降到最低、负载又最大时，输出电压仍保证为可调电压的最大值 6V；要求调整管工作在放大区，即 T1的 c、e 两端电压 Vce=3V 以上。综合考虑各种因素，稳压器的输入电压为 6+3=9V；又交流电压 220V 有 10%的波动，所以 Ui=9 *（1+10%）=9.9V，考虑负载最大的场合取 U2=Ui=10V；稳压

29、源的最大输出电流 Iom2*U2*1.11.56U2=15.6V；二是最大整流电流 Id，要求IdIo/2=3.1/2=1.55A；故整流二极管选用 2CZ54A,其参数是耐压 25V，最大工作电流为 2A。 （3）滤波电容的选取：根据桥式整流滤波电路的特性，空载时 Ul 最高位2*U2，则 Uc2*U2*1.11.56U2=15.6V；滤波电容容量的选择：由于采用桥式整流电路,输出电压为253TCRLd5V，电流为 3.1A，RL=2；因此，C=(35)*0.01/2F(1525)*100uF。电容 C1选择 3000uF,耐压为 25V 电解电容。（4）调整管的选择：要求调整管 T3 的

30、U(BR)CEO 应满足： U(BR)CEO3=2*U2*1.11.56U2=15.6V考虑到取样和放大电路的电流，集电极电流一般取 Icm3=1.5Io=1.5*3=4.5A；调整管 T3 的最大功耗：Pcm3=1.1(Ui-Uomin)*Icm3=1.1*(10-3)*4.5=34.65W因此，T3 可以选择三极管 BD243，其参数是 U(BR)CEO=45V, Icm=6A, Pcm=65W，满足要求。同理，可分析求得 T2 的相关参数为：U(BR)CEO2=15.6V；Icm2= Icm3/3=1.5A ；Pcm2=1.1(Ui-Uomin)*Icm2=11.55W；故 T2 也可以

31、选择用三极管 BD243。（5）基准电压中稳压管的选择：输出电压为 5V，所以稳压管电压 Vz2 必须小于5V，所以选择稳压管型号为 2WC7，两端电压为 3V，电流为 70mA，所以基准电压中稳压管的限流保护电阻 R 为 30。（6）取样电阻的选择：取样电阻的选取与输出电压与基准电压有关， 由于 可在 46V 范围调节，得 REFPOVRRRRV656 本科生课程设计（论文） 15当 Rp 动端在最上端时，输出电压最小为 Vomin，则 =4V；REFppOVRRRRRV656min 当 Rp 动端在最下端时，输出电压最大为 Vomax ，则 =6VREFpOVRRRRV656max解得 R5=100、R6=200、Rp=100；（7）蓄电池的选择：可持续进行稳定充放电的 10V 铅蓄电池；3.3 整体电路性能分析整个电路通过电磁继电器开关控制蓄电池的充放电，可以为负载提供不间断直流稳压电源，保护负载且维持其正常工作，防止紧急情况下意外断电故障造成不必要的损失；并且电路中存在过流保护电路，可以有效的保护稳压电路中的调整管，启动电路部分能有效的为调整管基极建立电位，使整个电路有效的进入工作状态，而且在滤波与充分电控制系统之间存在一个反向二极管，以后有效的防止蓄电池放电过程中电量的浪费。