数显式直流稳压电源电路设计

1、题 目: 数显式直流稳压电源电路设计 英文题目: Digital DC power supply circuit design 摘 要本文主要设计并制作数字显示的直流稳压电源。本电源作为一个微型启动器，具有可调整电压，调压范围是1.25V-20V，而且具备输出电压可以显示的功能。本文介绍了直流稳压系统的总体的设计方案，它主要由变压器部分、整流滤波部分、稳压部分、电压数字显示部分和输出部分组成。电源的稳压部分用三端集成稳压管LM317完成，数字显示部分用ICL7107芯片完成。ICL7107是一种市场上应用非常广泛的集成芯片，内置程序，可以直接驱动LED数码管。本设计的显示部分是采用ICL710

2、7芯片制作LED显示的数字电压表，并联到输出端，完成电压显示的功能。本电源具有设计简单灵活，成本低，效率高，调整精度高等优点，在市场上有很好的应用前景。Abstract Today's society people greatly enjoy the convenience of electronic equipment, electronic equipment, but any more than there is a common circuit - power supply circuit. Large supercomputers, small pocket calculat

3、or, all electronic devices must be more support in the power circuit to work properly. Commonly used with AC and DC power supply of the points, of course, the power supply circuit style, complexity vary widely. Undeniable power has been widely used in all aspects of our lives, so learn and understan

4、d the power of production principles and techniques for our production and development and many have a positive meaning. As characteristic of electronic technology, electronic circuit design equipment for the power requirement is to provide a steady, full of energy load requirements, and usually req

5、uire a stable DC performance. This can provide a stable DC power supply is DC regulated power supply. DC power supply in power supply technology plays a very important position. In this paper, design and production figures show that the DC power supply. The power supply as a mini-starter with adjust

6、able voltage regulator range 1.25-20V, and output voltage can be displayed with the function. This article describes the display section and the output DC component. Power supply regulator part of the integrated three-terminal regulator with a LM317 completed, the digital display section complete wi

7、th TCL7107 chip. TCL7107 is a very broad application on the market integrated chip, built-in program, you can directly drive LED digital tube. The design of the display part of the chip is produced using TCL7107 LED display digital voltmeter, in parallel to the output voltage display function to com

8、plete.目 录1 前言11.1 稳压直流电源的研究背景11.2 课题的主要内容11.2.1 电源的输出控制11.2.2 稳压直流电源的功能21.2.3 性能指标21.2.4 论文的总体结构22 方案的选择和设计思路32.1 方案设计与论证32.2 芯片的选择42.2.1 LM317三端可调节稳压器42.2.2 ICL7107三位半LCD/LED显示A/D转换器53 可调稳压直流电源的设计73.1 可调稳压直流电源的基本组成73.2 整流滤波电路83.2.1 整流电路83.2.2 滤波电路113.3 稳压电路133.4 过流保护163.5 显示电路183.5.1 参数的计算193.5.2 元

9、件的选择203.5.3 ICL7107的校准213.5.4 ICL7107的供电电源214稳压直流电源的测试234.1 电源的输出显示精确度与纹波测试234.2 负载能力测试285 稳压直流电源的实物图305.1 通电后的工作情况305.2 电源实物图306 结语316.1 结论316.2 体会31致谢33参考文献34英文摘要35附录1 前言1.1 稳压直流电源的研究背景最大输入输出电压差：40V DC；最小输入输出电压差：3V DC为获得较高的输出电压值，LM317稳压器的调节端与地之间的电阻R2值及其压降往往较大，在R2两端并接一个不小于10uF的电容C3，可有效地抑制输出端的纹波。由于稳

10、压器在11的深度负反馈下工作，当输出端负载为容性的某一值时，稳压器有可能出现自激现象。因此，在稳压器的输入端接入0.1uF的电容C2，输出端接入10uF的电解电容C5，提供足够的电流供给，同时可以防止可能发生的自激振荡以及减小高频噪声和改善负载的瞬态响应。当输入端发生短路时，C5通过稳压器的调整管放电，C5值较大，则放电时的冲击电流很大，电压会通过稳压器内部的输出晶体管放电，可能造成输出晶体管发射结反向击穿。为此，在稳压器两端并接二极管D6，输入端短路时C5通过D6放电，保护LM317稳压器。 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流

11、电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用单相桥式整流电路。单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。桥式整流电路原理图如图6所示。图6 桥式整流电路原理图选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM和正向电流IF。由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过

12、二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。流过整流管的平均电流：式中Ii 为稳压器的输入电流，IR1、IR2、Iadj 分别为流过R1、R2，以及调整端的电流，则：考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的23 倍。二极管最大反向电压：式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui为整流输出电压(即稳压器输入电压)。为了保证稳压器LM317稳定运行，输入电压Ui与输出电压U0之差一般在515V范围，取Ui-U0=10V，得：设计时可考虑一定的余量。根据计算，1N4007的二极管符合设计要求，可以用作整流桥。桥式整流电路电压和电流波形如图7所示。故Rl上得到单方向全波脉动的

13、直流电压。这样，四个二极管组成的整流桥就完成了整流的功能。 滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。所以我们需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。对于滤波电路的选择有两种方案：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，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，当电流减小时，它有可以把能量释放出来，是负载电流比较平滑，有平波的作用。在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，而且容易引起电磁干扰。一般的情况下只适用

14、于低电压，大电流的场合。电感滤波电路图如图8所示：图8 电感滤波电路方案二：采用电容滤波电路。由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，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。电容滤波电路原理图如图9所示。图9 电容滤波电路经过分析，最终决定采用方案二。滤波电解电容C的选择原则是：取其放电时间常数RLC大于充电周期的35 倍，其耐压值必须大于脉动电压峰

15、值。对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C的充电周期等于交流电源周期T的一半，即C(35) T2RL，式中RL为整流后的等效负载电阻，经过考虑，本设计取C为2200uF。 LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。 稳压电源的输出电压可用下式计算：仅仅从公式本身看，R3、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R3和R2的阻值是不能随意设定的。1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性

16、能，R3应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D5，D6用于保护LM317。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo1.25V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo1.25V45V），所以R2/R3的比值范围只能是028.6。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳

17、压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，LM317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用LM 317稳压块制作稳压电源时，没有注意LM317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时,必须保证R10.83K和R223.74K两个不等式同时成立,才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。当然在317稳压块的输

18、出端并联泄流电阻R(如图所示),也可以为317稳压块提供最小稳定工作电流。但是,由于并联的泄流电阻不能随输出电压的变化而变化,如果要保证317稳压块在输出电压为1.25V时,其输出电流大于其最小稳定工作电流,则在317稳压块的输出电压为37V时,流过泄流电阻的电流就太大了,这样不仅浪费了电能,而且增加了317稳压块的负担,不是一种妥当的办法。通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。输入至少要比输出高2V，否则不能调压。输入电要最

19、高不能超过40V。输出电流不超过1A。输入12V的话，输出最高就是10V左右。由于它内部还是线性稳压，因此功耗比较大。当输入输入电压差比较大且输出电流也比较大时，注意317的功耗不要过大。一般加散热片后功耗也不超过20W。LM317属于深度负反馈的稳压电路，其功耗比较大，所以有必要讨论一下LM317稳压模块的散热问题。稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温TJM,当T<TJM时稳压器才能正常工作。因此，稳压器的散热能力愈强, 结温就愈低，它所能承受的功率也愈大。稳压器的散热能力取决于它的热阻给半导体器件加散热片后可减小总热阻。若令R1 表示从结到器件外壳的热阻，R2 表示从器件外壳到散

20、热片表面的热阻，RA 表示从结到散热片表面的热阻，则RA=R1+R2。若令Rd 表示散热片到周围空气的热阻，R表示加散热片后结到空气的总热阻，则R=RA+Rd。设集成稳压器的最高允许结温为TJM，最高环境温度为TAM，加散热器后器件的功耗为PD，则有关系式：所以器件的最大功耗必须满足PDMPD。在目前，各种直流电源产品的应用非常广泛，电源技术已经比较成熟。但是，基于成本的考虑，对于电源性能要求不是很高的场合，可采用带有过流保护的集成稳压电路，同样能满足产品的要求。过流保护电路作为电源电路中不可缺少的一个组成部分，能够有效地保护电子元件，根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式，而直流电机电

21、源较宜采用关断方式。过流保护电路首先要有一个电流取样环节，常用做法是串联一个小电阻或者是霍尔元件来获得电流信号。由于霍尔元件体积比较大，价格昂贵，因而考虑采用串联一个小电阻的方法。电路的过流保护原理图如图12所示。R6为取样小电阻。当电源工作时，稳压器输出端输出正向直流电压，电机开始启动。由于直流电机启动瞬时电流iout较大(约为额定电流的810倍)，iout流过小电阻R6，并经R5对C4充电。通过设定R6、C4的值，使充电时间大于电机启动时间，Q1(9013)处于截止状态，电机启动到稳定状态后，电流恢复到工作电流。一旦电机发生短路或堵转，使电容C4两端电压达到Q1的导通电压，则Q1导通，强制

22、稳压器的输出电压降为基准电压1.25V。电机启动时必须满足充电时间大于启动时间，Q1不导通，电机才能正常启动。由于启动电流很大，一般是额定电流的47倍，可看成不变，设为I=5I0。根据图15，可得以下公式：由于R4R5，所以iR5iR5因此i约等于iR5。此时为一阶零状态输入响应，求解得：假设电容C4的电压达到0.7V为充电时间，得：设电机负荷在额定状态下运行，电机电流I0已经稳定。电机短路或堵转后，电流突然增大到短路电流IS，电容C4开始充电。考虑一定的设计余量，取保护电流设定值IG<IS，式(1)同样成立此为一阶全响应方程，初始条件uc4 (0+)=I0iR5, 强制分量uc4 ()

23、=IGR5, 求解得：,则必须小于允许短路时间t,即：uc4在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而广泛应用于测量领域。制作数字电压表有很多种方法，现在市面上很多种芯片都可以用作数字电压表的核心。可以用ADC0

24、808集成电压转换芯片和AT89C51单片机设计制作数字电压表，具体方法是A/D转换器在单片机的控制下完成对模拟信号的采集和转换功能，最后由数码管显示采集的电压值。这种方法具有精度高和稳定的优点而且功能强大，但是手工制作电路的话比较复杂，而且需要编程。所以最终决定用ICL7107芯片制作数显电压显示电路。ICL7107是应用得比较成熟的芯片，二这种三位半的ADC的显示精度对于本设计已经足够了。基于ICL7107的数显电压显示电路简单可靠，虽然它只是三位半的AD转换器，但是已经可以满足日常的电压测量或者电压显示的要求，所以这种电路应用非常广泛，它的具体电路原理图如图13所示。图13 基于ICl7

25、107的数显电压显示电路原理图ICL7107本身带有段式输出，直接连接到LED上就可以显示了，显示用的数码管应为共阳极数码管。系统时钟由IC的38、39、40脚决定。内部振荡频率为48Hz，显示每秒刷三次。 振荡器频率：fosc = 0.45/RC   Cosc > 50pF   Rosc > 50K  fosc = 48K Hz (典型值)振荡周期：Tosc = RC/0.45 所以，38脚的C4取100pF，39脚的R5取100K。积分电路由IC的27、28脚决定。 积分时钟频率：Fclock = Fosc / 4&#

26、160;   积分周期：Tint = 1000 ×(4/Fosc) = 1000 ×(4/48K) = 83.3ms 满量程模拟输入电压：Vinfs = 200mV (典型值) 最佳积分电流：Iint = 4uA 积分电压：Vint = 2V 积分电阻：Rint = Vinfs / Iint = 200 mV/ 4uA = 50K 积分电容：Cint = (Tint)(Iint) / Vint = 83.3ms × 4uA / 2 = 0.166 uF 所以，27脚C3取0.22uF， 28的R4取47K。C2用于防止系统噪音的影响以及过载输入时电路的恢

27、复，29脚的C2取0.47uF。 参考电容：0.1uF < Cref <1uF C1为参考电容，我们取0.1Uf。电阻R2用于调整参考电压，参考电源为0200mV可调。R3用于电压校准。 参考电压与输入电压的关系为：Vin = 2×Vref 如果要求电压表的量程0199.9mV，参考电压应设置为100mV。 如果需要需要测量的电压大于200mV，就要通过分压电路来实现。由于我们电源的指标是512V，所以要求电压表的量程为020V。 下面以20V来进行分压电阻（Rx）的计算，这里我们设定R4形成的参考电压为100mV，R2为1K，落在R2上的电压降为2×100mV

28、 = 0.2V，Rx计算如下： 为了方便电阻选择，选用100 K电阻，其误差可通过调整R2来弥补。 元件的选择制作时，显示用的数码管为共阳型，2 K可调电阻最好选用多圈可调精密电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其他器件选用正品即可。R1选用100K的金属膜电阻，R2选用2K的多圈可调精密电阻，R3选用24K的金属膜电阻，R4选用1K的多圈可调精密电阻，R5选用47K的金属膜电阻，R6选用100K的金属膜电阻。C1选用0.22uF的CCB电容，C2选用0.47uF的CCB电容，C3选用0.1uF的陶瓷电容，C4选用100 pF的CCB电容。 ICL7107的校准首先，先校准参考电压，用万用

29、表测IC的35和36之间的电压，是否为100mV，如不是，则需要调节电位器R4使两端电压为100mV。然后，用万用表测电源的输出，如9.50V，然后通过调节电位器R2，使LED上的数值与万用表上的一致。这样，校准工作就算完成了。经过校准后，ICL7107和万用表的绝对误差只有0.01V。 ICL7107的供电电源如图18所示，ICL7107芯片需要+5V和-5V的双电源供电。所以需要额外做一个供电电源，以下有三种方案：方案一：用7805和7905三端集成芯片提供+5V和-5V的电压，正负5V供电电源电路原理图如图14所示。图14 正负5V供电电源原理图这种电路时标准的双电源电路，能够稳定提供正

30、负5V的直流电压，但是需要用到7805和7905稳压模块，增加了电路成本。方案二：利用LM317集成稳压模块做一个+5V的电源，再利用ICL7660芯片把+5V电源变成-5V的电源。ICL7660是哈里斯公司采用CMOS工艺制成的高效率、小功率、低压直流电源变换器，亦称DC/DC电压转换器，国 产型号为5G7660，它不仅能将单电源转换成对称输出的双电源，还能通过几片串联方式获得多倍压输出，其空 载时转换效率高达99.7%，带负载后转换效率仍可达95%，ICL7660本身耗电小于0.5mA，却能向负载提供1020mA 的电流，其外围电路十分简单，只需接两只电容即可工作。ICL7660+5V转-

31、5V电路原理图如图15所示。图15 ICL7660+5V转-5V电路原理图这种方案也是比较常用的方案，但是缺点也是增加了电路成本。方案三：用LM317集成稳压模块制作一个+5V的电源，然后用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V2.8V为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使

32、用。完整显示电路就如图16所示。图16 单电源供电的ICL7107电路原理图经过考虑，最终选择了方案三，因为这样做既节省成本，又方便焊接且满足设计要求。经过测试，数显电压表正常工作。1 稳压直流电源的测试4.1 电源的输出显示精确度与纹波测试测试方法为空载状态下电源的输出接万用表和示波器然后将电源的输出显示数值与万用表显示数值相比较，在示波器上可以观察到电源的纹波还有最大值、最小值和峰-峰值。电源的测试数据如表3所示。表3 电源的测试数据电源显示数值（V）万用表实测值（V）最大值Vmax（V）最小值Vmin（V）峰-峰值Vpp（V）1.251.261.601.006002.012.012.20

33、1.804003.013.013.202.804004.004.004.203.804004.994.985.204.804006.006.006.205.804007.017.007.206.804008.007.988.207.804009.008.999.408.8060010.009.9810.29.8040011.0010.9711.210.640012.0011.9712.211.840013.0012.9713.212.840014.0013.9614.213.840015.0014.9515.214.840016.0015.9516.215.840017.0016.9517.2

34、16.840018.0017.9418.217.660019.0018.9419.218.660019.9919.9120.219.6600随机抽取的几组数据如表4所示。表4 电源的测试数据（随机）电源显示数值（V）万用表显示电压数值（V）最大值Vmax（V）最小值Vmin（V）峰-峰值（V）3.303.303.603.006004.734.735.004.604007.767.748.007.604009.719.699.809.6020011.3811.3511.611.060014.5014.4614.814.260017.4817.4217.617.2400万用表测试数据的折线图如图1

35、7所示。其中系列1为电源显示数值，系列2为万用表实测值图17 测试数据的折线图1示波器测试数据的折线图如图18所示。其中系列1为电源显示数值，系列2为最大值，系列3为最小值。图18 测试数据的折线图2纹波是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值， 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。纹波的示意图如图19所示：图19 纹波的示意图电源显示1.25V、3.30V、4.73V和9.71V时在示波器上的截图如图20、图21、图22、图23所示。图20 电源显示1.25V时在示波器上的截

36、图图21 电源显示3.30V时在示波器上的截图图22 电源显示4.73V时在示波器上的截图图23 电源显示9.71V时在示波器上的截图4.2 负载能力测试测试方法为：在直流稳压电源的输出端接可变电阻，用万用表测出电源的各种负载参数。将变阻器的阻值调至100，使电源的输出为512V，1V为步进，测出电流的数值。电压和电流的对应数值如表5所示。表5 负载阻值100时不同电压下的电流数值电压（V）电流（mA）5.0247.56.0156.77.0068.88.0376.58.9988.210.0196.711.01106.812.00115.9将使电源的输出为9V，改变变阻器的阻值，20为步进，测出电流的数值。电阻与电流的对应数值如表6所示。表6 输出电压9V时不同负载阻值下的电流数值电阻()电流（mA）10086.812073.214065.216052.618047.7将使电源的输出为12V，改变变阻器的阻值，20为步进，测出电流的数值。电阻与电流的对应数值如表7所示。 表7 输出电压12V时不同负载阻值下的电流数值电阻()电流（mA）100118.812099.314084.116072.