直流稳压电源充电器设计毕业论文.doc

目 录摘 要3一、选题背景41.1设计目的41.2设计意义41.3设计的内容要求41.4发展概况4二、方案论证52.1直流稳压电源的基本原理52.2直流稳压电源的种类及选用6三、设计论述73.1变压器工作原理73.2整流滤波电路93.2.1整流电路93.2.2滤波电路103.3稳压电路11四、结果分析134.1 电路的误差分析134.2 稳压电路的质量指标13五、总结14六、参考文献17七、致谢18八、附录19直 流 稳 压 电 源 充 电 器摘 要电子设备一般都需要直流稳压电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。所有手机充电器其实都是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。这次设计的万能充电器为宽电压充电器，具有安装调试方便、工作稳定、耗电省等优点。它是由市电整流电路、他励振荡电路、高频扼流电路、低压整流电路、充电自动监控电路等部分组成。在散件的组装过程中除可进一步的学习电子技术外，还可以掌握电子安装工艺，了解测量和调试技术，一举多得。关键词：直流稳压 万能充 原理设计 一、选题背景1.1设计目的1.通过本次课题的设计,掌握模拟电路系统的设计方法，设计步骤。2.学会直流稳压电源及充电器的设计方法和性能指标测试方法。3.培养实践技能以及分析和解决实际问题的能力。1.2设计意义1.通过专业设计，进一步巩固加深所学的基础理论、基本技能和专业知识；2.在专业设计过程中着重培养独立工作、独立思考并运用已学的知识解决实际问题的能力，同时培养独立获取新知识的能力；3.通过专业设计加强对调研调查、资料获取、实验方法、数据资料的综合处理、计算机应用等最基本的工作实践和科研能力的培养。1.3设计的内容要求1.设计并制作一个连续可调直流稳压电源及充电器，主要技术指标要求 （1）输入：交流220V-50Hz（2）最大输出：直流4.25V-150mA2.设计电路结构，画出实用原理电路图，计算确定元件参数，选择电路元件。3.自拟实验方法、步骤及数据表格。1.4发展概况自六十年代起，第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。我国在此方面的起步较晚，1973年才开始这方面的研究工作，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅速。在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。因此，直流稳压电源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距。近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，稳压电源具有以下的一些优越性:1.效率高 2.稳压范围宽3.体积小重量轻 4.安全可靠二、方案论证2.1直流稳压电源的基本原理直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路所组成，图2-1为直流稳压电源基本原理框图。图2-1基本原理框图基本原理：1.电源变压器：电源变压器的作用是将220V的交流电压变换为可以提供整流滤波电路所需的电压。2.整流电路：利用单向导电元件二极管，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。3.滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。4.稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。2.2直流稳压电源的种类及选用直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：1.化学类稳压电源我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池。在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。2.线性稳压电源线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。优点：稳定性高、纹波小、可靠性高、易做成多路、输出连续可调的成品。缺点：体积大、较笨重、效率相对较低。3.开关型直流稳压电源与线性稳压电源不同的一类稳压电源就是开关型直流稳压电源，按起开关作用的振荡电路组成形式分有自激开关式和他激开关式；按起稳压控制作用的脉冲占空比形式分有脉宽调制式和频率调制式。它和线性电源的根本区别在于它的调整管不是工作在线性区，而是饱和区及截止区即开关状态。开关电源因此而得名。优点：体积小，重量轻，稳定可靠。缺点：相对于线性电源来说，电路复杂，成本较高，输出纹波电压大。下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：（1）AC/DC电源该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供AC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压。（2）通信电源通信电源其实质上就是AC/DC变换器式电源，只是它一般以直流48V或24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。（3）电台电源电台电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定。为防止AC电网断电影响电台工作,而需要有电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换的功能。（4）模块电源随着科学技术的飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比的要求越来越高，模块电源越来越显示出其优越性。它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。目前，目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。AC/DC模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算的。（5）特种电源高电压小电流电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。三、设计论述3.1变压器工作原理图3-1为单相变压器原理图。通常把与电源相连接的绕组称为一次绕组，与负载相连接的绕组称为二次绕组。为讨论方便，一般规定：凡与一次绕组有关的各量都在其下角标以“1”，而与二次绕组有关的各量都在下角标以“2”，例如，一次、二次电压、电流分别用U1，U2，I1，I2表示，匝数分别用N1，N2表示。 N1 N2 + u1 - + Z - + - 图3-1 变压器工作原理当变压器的一次绕组接入交流电压u1时，在一次绕组中便有交流电流流过，并产生交流磁通。该磁通的绝大部分通过铁心同时穿过一次、二次绕组，称为主磁通；在一次绕组产生的交流磁通中，还有很少一部分通过周围空气闭合，称为漏磁通。通常漏磁通很少，为讨论问题方便而把它忽略不计。当主磁通同时穿过一次、二次绕组时，就在两个绕组中分别产生与电源频率相同的感应电动势E1和E2。当忽略一次、二次绕组的直流电阻和漏电磁通时,有U1=E1,U2=E2,U1/U2=E1/E2=N1/N2=K式中,K为变压器的变化,即变压器一次、二次绕组的匝数之比。上式表明，变压器一次、二次侧的电压之比等于匝数之比。当K1时,U1U2，为降压变压器；当 K1时，U1U2，为升压变压器。由以上分析可知，变压器从电网上吸收能量并通过电磁感应，以另一个电压等级把电能输送给负载。在这个过程中，变压器只起到能量的传递作用。根据能量守恒定率，在忽略了损耗的情况下，变压器输入、输出的视在功率相等,即U1I1=U2I2I1/I2=U2/U1=1/K上式表明,变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且一次、二次电流之比等于匝数之反比，即变压器具有变流功能。3.2整流滤波电路整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有单相半波整流滤波、全波整流滤波、桥式整流滤波等。各滤波电容C满足RLC（35）T/2，其中T为输入交流信号的周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。图3-2整流滤波电路图3.2.1整流电路图3-3 是单相半波整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管V和负载电阻RL组成。1.工作原理当电源变压器T的初级接交流电压为u1时，在次级就感应出交流电压就为u2，它的瞬时表达式是u2=1.414U2sint式中u2为瞬时值，U2 是交流电压有效值，为角频率，t为相位角。当u2为正半周即为正值时，二极管V导通，电流iV自上端经二极管V、自上而下的流过负载RL到下端，因为二极管正向压降很小，可认为负载两端电压uL与u2几乎相等，即uLu2。当u2为负半周即为负值时，二极管V截止，通过负载RL上的电流iV=0, 图3-3单相半波整流电路负载上的电压uL =0。可见，在交流电u2 工作的全周期内，RL上只有自上而下的 单方向电流实现了整流。u2、uL、iL 相应的波形如图3-3(b)所示。可以看出他们的大小是波动的，但方向不变.这种大小波 动但方向不变的电压和电流,称为脉动直流电(它的波形不平滑，通常称为含有交流成分或纹波成分)。由uL 的波形可见，这种电路仅利用了电源电压u2 的半个波,故称为半波整流电路，它输出的是半波脉动直流电。2.负载及二极管上的电压和电流半波整流输出的电压或电流是用半波脉动直流电压或电流的平均值表示的。理论和实验都证明，负载两端电压uL与变压器次级电压有效值U2 的关系是uL=0.45 U2流过负载的电流iL是iL=uL/RL=0.45 U2/RL由电路图可知，流过整流二极管的正向工作电流 iV 和流过负载RL 的电流iL相等，即iV=iL=0.45 U2/RL当二极管截止时，它承受的反向峰值电压uRM 是u2 的最大值，即uRM1.41 U2选用半波整流二极管时应满足下列两个条件：(1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；(2)二极管允许的最大整流电路应大于流过二极管的实际工作电流。3.2.2滤波电路滤波电路常用于滤去整流输出电压中的交流分量，即纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，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，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，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L也有平波作用。滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。3.3稳压电路稳压电路根据调整原件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与负载连接方法，可分为并联型和串联型。根据调整原件工作状态不同，可分为线性和开关型稳压电源。本次设计采用的是开关型稳压电源。关于开关型稳压电路的工作原理在前面介绍的直流稳压电源种类及特点里已有叙述，这里不再重复。图3-4 稳压电源电路原理图开关稳压电源的类型：1.按起开关控制作用的振荡电路组成形式分：自激开关式调整管又兼做开关作用的振荡电路器件；他激开关式由独立器件组成振荡电路，其输出脉冲以开关方式去控制调整管。2.按起稳压控制作用的脉冲占空比形式分：脉宽调制式（PWM）由输出直流电压误差来改变控制调整管开关脉冲占空比，而脉冲频率不变；频率调制式（PFM）起开关作用控制器的输出脉冲的占空比不变，而只改变其频率。图3-5 他激开关型稳压电源原理框图图3-6 他激开关型稳压电源原理电路四、结果分析4.1 电路的误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:1.测输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差; 2.电流表内阻串入回路造成的误差;3.测纹波电压时示波器造成的误差;4.示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差。可以通过以下的方法去改进此电路:1.减小接触点的微小电阻;2.根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;3.测纹波时示波器采用手动同步;4.采用精确度更高的仪器去检测。4.2 稳压电路的质量指标稳压电源的技术指标分为两大类：一类是特性指标，用来表示稳压电源规格，包括允许输入电压、输出功率或输出直流电压、电流范围等；另一类是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、负载调整特性、输出电阻、纹波抑制比及输出电压随温度变化的温度系数指标等。测试电路如图4-1所示图4-1稳压电源性能指标测试电路1.稳压系数Sr稳压系数又称电压调整特性。其定义为在负载不变的条件下，稳压电路的输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即该指标反映了电网电压波动对稳压电路输出电压稳定性的影响。一般Sr为10-2-10-4 。一般电网电压波动极限为10% ，则取UI/UI = 10% ,在这个条件下，输出电压相对变化量UI/UI称为电压调整率。2.负载调整特性SI其定义为输入电压UI不变时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，即该指标反映了负载变化对输出电压稳定性的影响。3.输出电阻RO其定义为输入电压UI 不变时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，即其含义与SI 相似。当RO 越小，负载变化对UO 变化影响越小，表示带载能力越强。一般RO 1 。4.纹波抑制比SR其定义为稳压电路输入纹波电压峰值UIP 与输出纹波电压峰值UOP 之比，并取电压增益表示，即该指标反映稳压电路输入电压U1 中含有100Hz交流分量峰值或纹波电压有效值经稳压后的减小程度。一般输出电压峰值UOP 为几毫伏至几百毫伏。SR 越大，表示UOP 越小。五、总结毕业设计是我们大学学习过程中一个十分重要的环节。在我们即将毕业的时候，毕业设计成为我们离开校园的最后一课。这对我们来说意义非常重大。是锻炼我们运用所学知识正确分析和解决实际问题的一个重要方面，也是培养应用型专门人才的要求。经过近一个月的选题研究，从选题和资料、分析和计划、实际产品设计、调试维护阶段、毕业设计说明书写等等中，我对电子产品的制作有了更深刻的理解,对于所选的课题，我们都是经过反复的研究才确定的。综合我们所学的知识以及成品制作的可靠性，我选择了直流稳压电源充电器作为我们的毕业设计课题。通过这次毕业设计我学到了很多电路知识,电脑知识，以及相关软件的知识，如Protel 99se、Microsoft Office等等，特别是通过本次毕业设计巩固我所学过的专业知识。在本次设计的过程中，有以下问题需要注意：1.元件（1）变压器四脚的为初级，二脚的为次级。（2）USB接口在安装过程中除了将信号线焊接好外，还应当将外壳的固定脚焊接牢固。（3）开关K在安装过程中除了将信号线焊接好外，还应当将外壳的固定脚焊接牢固。（4）NM369集成电路起充电监控和指示作用。安装过程中注意方向不要焊反，焊接过程要快以免烧坏集成块。（5）指示灯在安装过程中要注意高度的调节。（6）注意稳压二极管与普通二极管不要混用。2.安装工艺（1）在动手焊之前先布置一下元件的焊接形态，先焊低矮和耐热的元件（如电阻、稳压管、二极管），然后再焊大一点的元件（如电解电容、开关、变压器、USB接口），最后焊怕热的元件（如三级管、集成电路）。（2）电阻的安装高度要统一。（3）瓷片电容和三极管的脚装的高度不要太矮，也不要超过变压器的高度。电解电容紧贴线路板卧式安装焊接，太高会影响后盖的安装。（4）变压器注意不要反复焊接以免将固定脚弄松动。（5）USB接口的焊接要快，以免烫坏塑料部分而导致接触不良。3.设计产品的特点（1）美观简约，方便携带。（2）产品操作简单，可对绝大多数数码产品使用的锂离子电池充电 (适应用于所有的手机电池、小灵通电池、数码相机电池等) 。（3）充电安全可靠，效率高，速度快。（4）电池有自动保护功能，当电池充足电时，充电器会自动停止充电，从而避免不必要的额外电能损耗。六、参考文献1韩广兴，王春进，韩雪涛.电子产品装配技能上岗实训.北京：电子工业出版社，20082张成叔.计算机文化基础.北京：中国铁道出版社，20083丁学恭，楼晓春.电工基础.保定：北京理工大学出版社，20074孙津平.数字电子技术.陕西：西安电子科技大学出版社，20075张瑾，张伟，张立宝.电路设计与制板Protel 99SE入门与提高.北京：人民邮电出版社，2009七、致谢经过一个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同班同学的支持，想要完成这个设计是难以想象的。时光匆匆飞逝，两年的努力与付出，随着论文的完成，终于让我在大学的生活得以划下完美的句点。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢老师，因为论文是在老师的悉心指导下完成的。老师丰富的专业知识，严谨的治学态度，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力都对我影响深远。其次要感谢和我同一个指导老师的所有同学，在我毕业设计、毕业论文创作过程中，与他们的探讨交流使我受益颇多。同时，他们也给了我很多无私的精神上以及物质上的帮助和支持，我在此深表谢意。最后，向我的亲爱的室友和其他的兄弟姐妹们表示深深的谢意，谢谢大家给予我的爱的理解，大家的关心和支持是我不断前进的动力。学无止境。明天，将是我终身学习的另一个新的开始开始。八、附录图7-1电路原理图图7-3 PCB板图表7-1 试验套件清单序号名称型号规格位号数量序号名称型号规格位号数量1三极管8050VT3124充电管理集成块NM369KIC12三极管1815VT2、VT4225集成块插座8脚13三极管13001VT1126变压器T14二极管1N4007VD3127导线黑色45二极管1N4148VD4、VD2228电源活动插头2脚16稳压管5.6VVD1129电源导电压片压活动插头27稳压管6.2VVD5130电源塑料压片18电阻器6.2R7131电池活动触片接触电池触点29电阻器10R6132输出导电片210电阻器220R8133输出塑料压片111电阻器470R1、R10234钢轴5CM长112电阻器1KR3、R4、R5335扭簧左、右扭簧213电阻器2KR9136LED灯限高塑料筒214电阻器3.3MR2137半圆夹板115瓷片电容104C4138企鹅嘴116涤纶电容472JC1139企鹅肚117电解电容10FC2140企鹅眼睛塑料118电解电容330FC3141企鹅前后外壳前、后外壳119基准发光管红光LED4142单面胶120高亮度发光管白光LED3143自攻螺丝2X8MM321双色发光管红绿光LED1、LED2244带垫圈自攻螺丝1.7*6MM222两波段开关K145电路板123USB插座USB119