七、电源设计设计制作报告.doc

电源设计
作者:1111111111111
辅导教师：1111111111111111
摘 要
就像水是人的生命之源，电源则是电路的能量来源。本文设计制作了一个集稳压、稳流、DC-DC变换和变频于一体的高稳定电源。采用TL494组成的降压型DC—DC稳压电路和LM324组成的线性稳压电路组成稳压电路，LM324组成稳流电路,DC-DC变换电路由TL494和高频电压器构成,变频则由单片机控制，通过软件实现。采用LCD12864液晶显示主芯片温度和输出电压，数码管显示输出电流.本电源功能全面,输出稳定可调，在工业生活中具有很大用途.
关键字：稳压 稳流 DC—DC变换 变频
一、引言
电源作为电路的能量来源，在电路中起着关键作用。设计并制作交流变换为直流的稳定电源并进行变频电源设计，要求如下:
(1)基础部分
① 稳压电源。在输入电压220V、50Hz电压变化范围＋15％~－20％条件下：
　　a．输出电压可调范围为+9V～+12V
　　b．最大输出电流为1.5A
　　c．在输入电压220V变化范围＋15％～－20％下，空载到满载的电压调整率≤0.2％
　　d．最低输入电压下，满载的负载调整率≤1％
　　e．最低输入电压下，满载时，纹波电压(峰—峰值）≤5mV
　　f．输出电压9V、输入电压220V下，满载时,效率≥40%
　　g．具有过流及短路保护功能
② 稳流电源。在输入电压固定为＋12V的条件下：
　　a．输出电流:4～20mA可调
　　b．输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，负载调整率≤1%(输出电流为20mA）
③ DC-DC变换器。在输入电压为+9V～+12V条件下：
　　a．输出电压为+100V，输出电流为10mA
　　b．输入电压变化范围+9V～+12V下，电压调整率≤1％
　　c．输入电压+12V下，空载到满载，负载调整率≤1％
　　d．输入电压+9V下,满载,纹波电压(峰-峰值)≤100mV
④ 对输出电压进行变频设计.使输出电压频率在(25hz～75hz之间变化），并能显示频率变化。
(2）发挥部分
① 扩充功能
　　a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态
　　b．过热保护
　　c．防止开、关机时产生的“过冲”
② 提高稳压电源的技术指标
　　a．提高电压调整率和负载调整率
　　b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
③ 改善DC-DC变换器
　　a．提高效率(在100V、100mA下）
　　b．提高输出电压
④ 用数字显示输出电压和输出电流。
二、方案设计
1.设计思路
在接入市电下，先制作稳压电源稳定输出电压范围在+9V~+12V;然后制作稳流电源，在稳定输入电压为+12V下，输出稳定电流范围4~20mA可调；第三步制作DC-DC变换器，在输入电压为+9V~+12V条件下，输出电压+100V，输出电流10mA；最后用单片机以软件实现变频设计.在稳压部分增加线性稳压模块可有效降低电压调整率和负载调整率,采用集成芯片可提供过流、过压保护。采用温度传感器结合软件实现过热保护。电源关键在于输出纹波尽量小,带负载能力尽量大，所以整个设计主要围绕这两方面进行。系统框图如下图1所示:
图1 总系统框架图
2。方案论证与选择
(1）稳压电源方案论证与选择
方案一：从滤波电路输出后,直接进入线性稳压电路。系统框图如下图2所示。线性稳压电路输出值可调,输出为+9V～+12V直流电压.这种方案优点在于:电路简单，容易调试,但效率上难以保证，因为线性稳压电路的输入端一般为15V左右的电压，而其输出端只有9～12V，两端压降太大，功率损耗大，不利电路总效率.
方案二：以方案二为基础，在线性稳压电路的前端加入降压型DC—DC变换器，采用脉宽调制（PWM）技术和恒压差控制技术,系统框图如图3所示。在这种情况下，通过DC—DC变换器把不稳定的直流电压转变为稳定的直流电压,由于采用脉宽调制技术和恒压差控制,使得线性稳压电路两端压差减小，有效降低功耗.另外，因为使用脉宽调制，很容易进行过流、过热和自保恢复。
图3 方案二系统框图
综合比较，方案二更加满足要求。
（2）稳流电源方案论证与选择
方案一：采用双运放构成恒流电路。这种方案利用运放构成一个深度负反馈电路，能够有效抑制外界干扰，使得恒流电源工作稳定性增强。
方案二：采用LM317集成芯片构成基准电压源。将LM317的3端与1端之间固定压降为1。25V，流经固定电阻后产生稳定电流.
综合比较,考虑LM317集成度非常高，不利于实行项目自我设计，因此选择方案二。
（3）DC—DC变换器方案论证与选择
方案一:采用Boost型DC-DC升压器。这种方案虽然容易实现，但是不适合自行设计，输出/输入电压比也太大,输出电压范围小，难以达到较高指标.
方案二：采用带变压器的开关电源.采用高频电压器，可以做到输出电压宽,开关频率和占空比合适.
（4）显示器的论证与选择
方案一：采用七段数码管显示。数码管，显示大亮度高,驱动部份的软件简单,但是耗电和功耗比较大。题目要求最高显示6位数码,对数码管而言硬件电路较复杂，还要显示万年历，因此数码管不适合完成此功能。
方案二：采用LCD12864液晶显示.12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字。具有很好的人机界面。
综合比较,考虑到需显示的量比较多，因此同时采用方案一和方案二.12864主要显示温度、输出电压和频率，数码管显示输出电流。
3.系统硬件电路设计
(1)整流滤波电路
整流滤波电路将220V/50Hz的交流电压转换成直流电压。电路原理如图4所示。当输入为220V交流电压时，首先通过变压器降至23V左右交流电压，整流部分选用全波桥式整流电路形式，经电容滤波输出电压为29V直流电压。
（2）稳压电源电路
PWM降压型开关稳压电路:采用集成芯片TL494为控制核心,其他由PNP型大功率开关管TIP32A、二极管MR850和LC低通滤波电路组成.电路原理图如下图5所示。TL494产生固定开关频率控制大功率开关管TIP32导通与断开，开关管导通期间,二极管MR850反偏，由输入提供能量给电感，同时提供能量给负载。当开关管断开时，电感电压使二极管导通，电感中存储的能量传送给负载。
图5 PWM降压型开关稳压电路
开关电源的开关频率由TL494上引脚端5和6上的电容和电阻决定，关系式为
选取开关频率=1.1MHz，则选取电阻=1K,电容=1000P.
电容和电阻到输入地接一0。1Ω的电阻，达到限流保护的作用。
线性稳压电路：在降压型开关稳压电路的基础上，实现线性高精度稳压，以降低纹波，提高电压调整率和负载调整率。线性稳压电路由稳压管TL431（2。5V）、比较器（LM324）、达林顿管MJE3055和电阻反馈网络组成。电路原理如下图6所示。
图6 线性稳压电路图
稳压管产生一个基准电压2。5V，接比较器同向输入端,输入电压经电阻网络分压反馈至比较器方向输入端进行比较，比较输出电压控制达林顿管的发射极电压,从而得到所需高稳定直流电压。输出电压为
取=3K，=1K,则调节电位器可使输出在+9V～+12V可调。
(3)稳流电源电路
稳流电路主要由双运放LM324构成。电路原理如下图7所示.
图7 LM324构成稳流电源电路
输出级LM324的同向电压和反向电压分别为
+
根据放大器特性，=，取,则上的压降等于基准电压，计算得到===.则输出电流为
调节电位器可得到输出电流范围4～20mA.
（4）DC—DC变换器电路
升压型开关稳压电路的工作原理如图7所示。开关管导通时，输入电流流过电感和开关管，二极管反向偏置,无输出。当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通,二极管正偏，输入向负载提供能量。
DC-DC变换器(升压型)以TL494为控制核心，以功率晶体管IRF630、整流二极管HER107和高频变压器，以及阻容元件构成。TL494内部结构见附件2,电路原理如图8所示.TL494产生一定频率PWM波，控制功率晶体管导通和截止.当IRF630受控导通时，高频变压器将电能转变成磁能储存起来，当IRF630截止时，高频变压器原、副边电压极性改变,HER107由反偏变为正偏导通,高频变压器将原先储存的磁能转变为电能，通过整流和LC滤波网络变成直流向负载供电。
图8 TL494控制的升压型开关稳压电路
TL494产生开关频率控制功率晶体管，并且产生基准电压。输出电压为
取=100K,=2。5K,调节电位器=3。125K，则可计算得输出电压=100V。
高频变压器:变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电变压器原理图流时,铁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。市面上很难买到适合题目要求的高频变压器,因此我们选择自己绕制。
输入电压最小值Vin=9V,最大占空比Dmax=0.45，要求输出电压U=100V,电流I=10mA，得变压器功率
W
取f=40KHz，则变压器绕阻电感量
=90.45/（0.0140000) =10。1mH
匝数比=（100+1）(1—0.45）/（0。459）=13
（5）单片机模块
A/D转换器：采用AT89S52单片机作为A/D和显示的控制中心,A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。该设计运用的是AVR单片机内部10位A/D转换器,A/D转换器的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。A/D转换器的原理图如附件3所示。
温度传感器:温度传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。温度检测采用DS18B20温度传感器。DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理.
红外遥控：红外遥控是将一个由“1”、“0"组成的指令串，被调制成38KHz的脉冲段，经放大后，由红外发射管发射。接收端由红外接收管、选频在38KHz的放大电路等组成。把接收到的红外信号还原成指令串,从而实现遥控的目的.红外模块原理图见附件4所示.
（6)显示模块
采用LCD12864显示温度、输出电压和变化后频率，用ICL7107和数码管显示输出电流,12864与单片机的连接图和7107外围线路图见附件5。
（7）外接电源模块
此电源仅为ICL7107提供+5V和-5V工作电压.采用桥式整流,采用三端集成稳压器7805和7905稳定输出需要电压。电路原理图见附件9所示.
4．系统软件设计
（1）变频设计
通过单片机产生一组PWM波，软件控制CD4066双向模拟开关的开关频率，从而达到控制PWM波的频率效果。CD4066 集成电路内部主要由四路功能完全相同的电子开关组成，各组开关分别受其相应引脚输入的电平控制，使电子开关接通或断开。它们的控制引脚为13脚（控制①与②间开关)、⑤脚（控制③与④间开关）、⑤脚(控制⑧与⑨间开关）、12脚（控制⑩与11间开关）。其内部结构图见附件10所示。
（2）程序设计
主函数显示界面打开，接受分析温度传感器信号、A/D转换电压信号，调用子函数显示温度、电压。红外遥控接收管接收红外信号,单片机分析改变和显示频率.程序流程图如下图9所示：
图9 变频显示程序流程图
三、系统测试
1．测试条件和测试仪器设备
系统容易受到温度的干扰，测试时必须在室温下进行,并要确保供电电源的稳定性，测试仪器设备如下表1所示:
表1 测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
出厂编号
1
Tektronix示波器
1
Tektronix
C039070
2
函数信号发生器 EE16428
1
南京新联电子设备有限公司
001398
3
数字万用表 UT58E
1
UNI—T
3050030633
2．测试方法和测试结果
所有测试电路详见附件1。
（1）稳压电源测试
① 输出电压和输出电流测试。外接负载为6Ω的功率电阻，调节电位器,改变输出电压，观察电流表读数变化.测量结果如下表2所示：
表2 输出电压、输出电流测试结果
输出电压V
9
10
11
12
13
输出电流A
1。5
1.5
1。5
1。51
1。51
测试结果表明：输出最大电流不小于1.5A，并且不大于1.51A。
② 电压调整率测试。输入市电下，从空载到满载,测得输出电压如下表3所示:
表2 电压调整率测试结果
负载
空载
满载
输出电压
9。02V
9.04V
计算出电压调整率为
满足题目要求.
③ 纹波测试.接上负载后用泰克示波器观察纹波Uc=30mV,不能满足指标要求。分析原因可能是电路基准电压不够稳定，也可能是开关电源部分开关频率选取不够合适.
④ 效率测试。万用表测得变压器输出电压=23。2V,输出电流=1。55A。电源输出电压=8。24V，输出电流=1.50A。则效率为
（2)稳流电源测试
① 输出电流测试。外接负载阻值为200Ω，调节电路中的电位器用万用表测出输出电流最小值和最大值。测试结果如下表3所示：
表3 稳流输出电流测试结果
项目
最小值
最大值
输出电流mA
3.0
26.1
结果表明:输出电流在4～20mA范围内可调.
② 负载调整率测试。用万用表分别测出负载为200Ω和300Ω时的输出电流，结果如下表4所示：
表4 稳流负载调整率测试结果
负载
200Ω
300Ω
输出电流mA
19.98
19。96
计算出负载调整率为
（3）DC—DC变换器测试
① 输出电压和电流测试电路见附件5所示。测电流所接负载阻值为10K,测试结果输出电压U=100V,输出电流I=10mA。
② 电压调整率测试.在输入9～12V电压下,用万用表直接测输出电压，结果如下表5所示：
表5 DC—DC电压调整率测试结果
输入电压V
9
12
输出电压V
100
100.1
计算电压调整率为
③ 负载调整率。测试电路见附件6所示，输入电压为12V下，满载阻值为10K测试，结果如下表6所示：
表6 DC-DC负载调整率测试结果
负载
空载
满载
输出电压V
100
100。1
计算负载调整率为
④ 纹波电压测试.输入电压9V下,满载，用泰克示波器直接测出纹波电压大小为200mV左右。
(4)变频测试.泰克示波器观察，预置输出频率，显示结果如下表7所示：
表7 变频测试结果
预置频率Hz
15
30
45
60
75
输出频率Hz
15.03
30.12
45.39
60。21
75.18
四、结论
综合测试表明，我们的设计基本满足了设计要求，制作出相对稳定的电源。但是稳压输出电压纹波和DC—DC变换器输出电压纹波过大，没有达到指标要求。其他功能指标均已实现。采用LCD12864和数码管综合显示,突显人性效果。能够显示输出电压、输出电流、温度和实现变频显示等.该设计具有良好的实用性,基本能够满足所用需求。
五、参考文献
【1】郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用(第二版).西安。 西安电子科技大学出版社。2004
【2】康华光.电子技术基础模拟部分(第五版）。北京.高等教育出版社。2005
【3】洪志刚。传感器原理及应用.北京.高等教育出版社。2007
【4】张洪润,张亚凡．单片机原理及应用．北京．清华大学出版社．2005
【5】赵亮,侯国锐。 单片机C语言编程与实例，北京．人民邮电出版社．2003
附件
附件1：系统测试方法测试电路图
① 输出电压测试电路
② 输出电流测试电路
附件2：TL494的内部结构图
附件3：A/D转换器的内部结构图
附件4：红外遥控原理图
接串口

附件7：显示屏与单片机的连接图
附件8：ICL7107外围电路原理图
附件9：电源电路原理图
附件10:CD4066内部结构图
附件11：系统总原理图
附件12：（系统程序另附）
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