多路输出直流电源设计

1、电子制作1 多路输出的直流电源设计电子方舟 0设计任务和要求大多数放大电路需要+12V，单片机需要+5V，有些单片机和CPLD需要3.3V。可是我们电网供电为交流220V。为此需要设计一个将交流电转换为多路直流电的装置。构如图1所示，交流220V电压经过变压器隔离后降到交流12V，然后经过整流滤波和多路稳压电路输出12V、5V和3.3V的直流电压。要求输出最大电流为1A。纹波电压小于50mV，有红色的电源指示灯。 图1 多路电源结构方框图1.基本原理分析如图2所示，一般直流电源由 降压 、 整流 、 滤波 、 稳压 四部分组成。图2 简易直流电源的方框图变压器可以将输入的交流电压从220V降低

2、到12V，并且隔离电网。整流电路的作用是将工频交流电转换为脉动直流电。滤波电路的作用是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，保留直流成分。稳压电路的作用是对整流后的直流电压进一步进行稳定。2.方案论证利用二极管的单向导电性能就可设计半波、全波和桥式整流电路。B220VRLDIN4001B220VRLD1D2D4B220VRLD1D2D3 a) 半波整流 b)全波整流 c)桥式整流图3 三种整流电路方案1半波整流如图a)所示，半波整流电路由一个二极管构成。使用元件少。输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。 方案2 全波整流电路如图b所示，全波整流电路采用有中心抽头的变压器和两个二极管配

3、合，使得在整个周期内都有直流电输出。输出电压平均值是半波整流的2倍，两个二极管轮流工作，正向电流等于负载电流平均值的一半。二极管承受的最大反向电压等于变压器副边两个绕组的峰值电压。方案3 桥式整流电路桥式整流电路有4个二极管构成，当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。对比三种整流电路可知：单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。我们选择方案3。对于稳压电路，我们选择LM7812、LM7805

4、和1117分别输出三种电压。3.元件选择和参数计算3.1 变压器的参数计算变压器的输出电压= = 如果已知输出电压和电流，变压器的输出功率= 计算出功率后，还要考虑留有20%的富余量，P= = 实际选购的变压器为 12 V, 10 W .图4 电源变压器3.2二极管的参数计算对比几种方案，建议选择型LC滤波器因为简易电源要求不高，不需要加稳压电路。因此采用桥式整流和型LC滤波电路构成。电路图如下图所示：图5 简易直流电源的电路图3.参数计算设计一个电子电路，其元件参数一定要通过计算获得。在工程实践中，不需按准确的计算结果去采购元件，一般是一个范围，然后在范围内选购元件。有经验的工程师甚至会估算

5、出元件的参数。对于一些涉及安全的极限参数（如二极管和电容的耐压值等），为了确保安全，实际采用的参数一般要比计算值高20%-100%,甚至数倍。如计算出的二极管反向耐压值约为15V，实际采用的可能是600V。3.1变压器的参数计算根据电容滤波的基本原理，变压器的输出电压为变压器的功率 实际选用，应留1020的富余量。防止变压器过热烧毁。3.2计算二极管的参数因为采用了电容滤波，输出电压为变压器次级电压的1.2倍。每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流。所以：每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半= 二极管所承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压= 实际选用二极管最大整流平

6、均电流和最高反向工作电压均应留富余量1020的富余量，以保证二极管安全工作。本项目选择 1N4007 贴片二极管，其工作电流为 1 A，反向电压为 200 V。3.3滤波电容的参数计算3.3计算电容的参数假设采用单独的电容滤波就可以满足基本条件，然后型LC滤波只不过使得电容滤波的效果更好。可根据电容滤波的基本条件来计算电容的容量:则电容的取值范围是： 电容的反向耐压值应为输出电压的1.2倍。Uc= ，实际选择的滤波电容为 。电解电容适合过滤低频信号，另外还需要配套一个104的贴片小电容用于过滤高频。 （a） 整流二极管1N4007 （a） 贴片电解电容 （b）无极电容（1206）图 5 整流管

7、和滤波电容3.4 稳压芯片 选择贴片的LM7812、7805和1117三种三端稳压芯片分别输出12V、5V和3.3V。 （a）贴片LM7812 （b）贴片LM7805 （c）贴片1117-3.3V图6 三端稳压集成电路3.5指示灯选择及其限流电阻的参数计算LED指示灯选择封装为1206的红色贴片指示灯，其工作电压约为1.5V，工作电流范围为5-15mA。根据欧姆定律，限流电阻的阻值:，根据发光二极管的电流范围，可计算出限流电阻的取值范围。电阻的下限为 = = 电阻的上限为 = = 实际选择的电阻为 ，功率为0.25W。 图7 LED指示灯和贴片电阻（1206封装）4元件测试4.1 测量变压器的

8、好坏，1）测量初级绕组的电阻。初级绕组的线圈比较细，圈数比较多，所以阻值 较大 ；2） 测量次级绕组的电阻。 次级绕组的线圈比较粗， 圈数比较少，所以阻值 较小 ；3）测量绝缘电阻。初级线圈、次级线圈和铁心三者之间的绝缘电阻值为 无穷大 。4.2 测量整流二极管的好坏，并分辨正极和负极用万用表的电阻档正反测量两次。正向电阻小，约为 。反向基本不通。4.3 测量电解电容的好坏数字万用表的电容档可以测量电容的大小。也可以采用充电法测量。4.4 测量发光二极管的好坏，并分辨正极和负极用万用表的电阻档正反各测量一次，无需读数，当发光管被点亮时， 红表笔 接正极。5 制作PCB板5.1 建立自己的原理图

9、库和封装库绘制原理图之前，应充分考虑每个元件的封装，最好是先测量元件的大小，然后绘制封装库和原理图库，并且将原理图库与封装库绑定，需要添加贴片封装元件有IN4007、贴片电容、贴片7812、贴片7805、贴片1117、贴片指示灯、贴片电阻和插座等。采用复制原理图并修改封装的方法，步骤如下：步骤1 新建一个原理图库，命名为“姓名“+“原理图库”，如”莫言的原理图库“。步骤2 复制元件到自己的原理图库。 打开“Miscellaneous devices.schlib“库，从中复制以下元件到自己的原理图库：Diode 1N4007、Cap、Cap Pol、Inductor、Volt Reg、Res3

10、、LED3。将Volt Reg复制三次，分别改名为LM7812、LM7805和1117。打开“Miscellaneous connectors.schlib“库，复制Heard2 到自己的原理图库，修改名称为”Head2SM”。步骤3 新建一个封装库，命名为“我的PCB封装库“。打开“Miscellaneous devices.pcblib“库，复制名为425、D2PAK和SOT23的封装到自己的PCB库。然后，利用元件向导自动生成DO214和1206的封装,具体参数如下：复制connectorPCB库中的HDR1X2封装到自己的封装库，改变名称为“HDR2-SM“，将多层焊盘改为顶层焊盘、将

11、焊盘的Y方向长度加倍（100mil），然后拉大边框。保存即可。步骤4 回到原理图库，修改封装名称，元件名1N4007Cap PoCapLM7812LM78051117ResLEDHead2SM封装名DO214？1206D2PAKD2PAKSOT22312061206HDR2_SM5.2 绘制原理图绘图的时候，一定要用自己设计的原理图库，因为自己的库对应的封装都是自己测量过的元件，可以跟实际尺寸一一对应。绘制好的原理图如下：5.3 绘制PCB 5.4 制作PCB板，6安装调试6.1 焊接如果采用直插工艺，需要在电路板上打很多的孔，而且电路板的面积很大，增加了成本。建议采用贴片工艺。千万注意：不要

12、一下子将所有的元件全都安装上去。要走一步看一步。第1步，焊接变压器引线。焊接引线，插上电源，测量变压器输出的交流电压。第2步，安装整流电路先安装1个二极管，测量输出电压，应为 V，用虚拟示波器观测半波整流的波形，然后安装4个二极管，测量输出电压, 应为 V，用虚拟示波器观测全波整流的波形。第3步，安装滤波电路安装1个电容滤波，测量输出电压，应为 V，用虚拟示波器观测纹波，安装LC滤波，测量输出电压, 应为 V，用虚拟示波器观测纹波。第3步，安装LM7805三端稳压电路。测量输出电压，应为 V第4步，安装指示灯电路。正常通电，指示灯应发光。6.2电路检修先大体检测一下工作电压，初步确定故障范围。

13、 测量变压器的输出电压，应为 V。 测量整流后的电压, 应为 V左右。 测量滤波后的电压， 应为 V左右。测量稳压后的电压， 应为 V如果发现故障，要分析故障可能的原因是什么。如指示灯不亮，可能的原因有 、 、 、 等变压器过热，可能的原因有 、 、 、 等7. 测试性能指标7.1所需的仪器设备 1)数字万用表。数字万用表用于测量交流电压、直流电压和纹波电压等2)大功率电阻。选择合适的负载电阻可以让电路工作在额定电流下。3）示波器。可以观测纹波电压的波形和幅度。7.2测量的步骤和方法 第1步：测量电压。直接用数字万用表测量。 第2步：测量功率。带上负载电阻，测量电压和电流，计算功率P= 第3步：测量效率。同时测量输出功率和输入功率，计算效率= 8结论与讨论8.1结论简易直流稳压电源由电源变压器、桥式整理电路、型LC滤波电路构成和LE