毕业设计（论文）-可调直流稳压电源电路的设计

1、学校代码： 10184学 号： 2084020055 延 边 大 学本 科 毕 业 论 文 题 目：可调直流稳压电源电路的设计学生姓名： 学 院：工学院专 业：电子信息工程班 级：2021级指导教师：二一二年 二月摘 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开展。电力电子电路的开展经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代几个开展阶段。同样电源的开展也经历了这三个时代的变化。不管是在生活上，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

2、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，本钱低，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；AbstractThe 1970s, there was the world energy crisis, ac motor with variable frequenc

3、y speed regulation for energy saving effective remarkable characteristics and rapid development. The development of the power electronic circuits experiences the rectifier era, inverter frequency converter several times and times development stage. The same development also experienced the three tim

4、es of changes. Whether in life, industry, or military that needs energy (power), different work required different kinds of power supply. The power of the different types of work is to promote human life with a degree of convenience. Early power is linear regulated power supply, which is internal po

5、wer, 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) which makes the power of the scope of application limits. In this paper, the design of regulated power supply is small, which can control r

6、ange, 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 storage, filtering, time-sharing guide through the adjustable DC power supply system, the structure is simple, low cost, high precision of ad

7、vantages, which is a great of extent, and meets the application requirements of voltage stabilizer. Keywords: PWM generator; Transformer; Transistor; dead Time目 录 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc325626287 h IAbstract PAGEREF _Toc325626288 h II引 言 PAGEREF _Toc325626290 h 1第一章 绪论 PAGEREF _Toc325626291 h 2

8、1.1 课题背景 PAGEREF _Toc325626292 h 21.2 国内外研究现状 PAGEREF _Toc325626293 h 21.3 研究目的及意义 PAGEREF _Toc325626294 h 31.4 主要研究内容 PAGEREF _Toc325626295 h 3第二章 系统硬件设计 PAGEREF _Toc325626296 h 42.1 系统构成 PAGEREF _Toc325626297 h 42.2 控制局部 PAGEREF _Toc325626298 h 42.2.1 比拟器 PAGEREF _Toc325626299 h 4 集成电路NE5556 PMW波发

9、生器62.3 开关管局部62.4 变压器局部72.5 滤波局部8第三章 实际电路设计103.1半桥式开关电源103.2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，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到达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

10、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开展，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根本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器( 有

11、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开展方向3。1.2 国内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。电源的开展经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代几个开展阶段4。20世纪70年代开始

12、，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开展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz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开展，为现代电源的开展奠定了根底。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。新型器件的开展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性

13、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了重要的技术根底。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、计算机技术的飞速开展，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

14、向开展。使得电子产品的更新速度到达了日新月异的地步，从而使新型可调直流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、本钱过高、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。

15、主要过程是两个三极管分时轮流导通，传送能量使变压器变压，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涉及驱动器为核心，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。 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涉及驱动器分时导通，经过误差放大作用、变压器变压作用、储能元件电感和电容充放电作用，从而使输出电压可变。2.2 控制局部本系统的控制局部由PMW涉及驱动器构成，

16、输出的信号是三极管分时轮流导通，用比拟器或者NE555组成的PWM波发生器都可为占空比可调的电路发生器。 比拟器(1)一般比拟器一般比拟器只有一个比拟点，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) 施密特比拟器施密特比拟器具有两个比拟点，且比拟后自动改变下一个比拟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- UCC ；双电源时，设|+UCC|=|-UCC|= 10V UH ，R1= R2 = 1K时，UrefH=5V, UrefH=-

17、5V。图2.2施密特比拟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 -

18、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=DT, 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局部滤波器个数越多，效果越好。 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。 PMW波发生器PWMP

19、ulse 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 ；用比拟器组成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 开关管局部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

20、三极管共有四种组合，同型管复合，, 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，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；导线选择原那么为产生趋肤效应时，电流只流在外表的浅层局部，内部几乎无电流,可用小直径的导线多股并绕或采用扁铜带导线绕制，从而增大导线的外表面积。2.5 滤波局部1续流二极管D的选择D的正向额定电流大于等于开关

21、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， IN4001100V/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，FR107700V/1A、FR207700V/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0.51VHER107700V/1A、HER207、HER307；肖特基二极管开关速度最快，正向压

22、降小 0.20.5V，可提高效率，价格较贵SR16060V/1A、SR260、SR360、SR560SR1100100V/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，过大那么浪费且体积大。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

23、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 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，应绝对防止两个开关管同时导通的情况，同时导

24、通称为共态导通。由于开关管存在OFF延迟时间，因此输出O1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

25、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%，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

26、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，本钱较低且性能稳定、可调控范围广、效率高，根本到达了预期目标。而且本设计简单易于操作，便于在各个行业上应用，元器件价格廉价使得生产本钱降低，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、不断改良，要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方