直流稳定电源设计制作人某某题目直流稳定电源的设计任务设计.doc

直流稳定电源设计

制作人:某某

题目：直流稳定电源设计

一、任务：设计并制作交流变换为直流稳定电源。
二、规定：
1．基本规定
　（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．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
　　d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）
　　e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）
　　f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
　　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条件下：
　　a．输出电流：4～20mA可调
　　b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时相对变化率）
　（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．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）
　　c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）
　　d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV （输入电压+9V下，满载）
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“过冲”
　　（2）提高稳压电源技术指标
　　a．提高电压调整率和负载调整率
　　b．扩大输出电压调整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.
三，稳压电源研究背景
本电源在市场上很有应用前景，可以作为收音机或掌机外接电源，也可以用作手机电池充电器，功率高点还作为小型电视或其他家用电器电源。
直流稳压电源是电子技术常用仪器之一，它目前广泛应用在学校教学，科学研究等领域，是电子设计人员进行试验操作和科学研究必不可少电子仪器。在平常电子电路中，供电电源常常要用到稳压直流电源。因此，稳压直流电源具有非常重要研究意义。
在平常生活中，诸多家用电器或者IT产品都要用到稳压直流电源供电。不过在实际生活中，我们家庭用电都是用到220V交流电网。这就需要通过变压，整流，滤波，稳压电路来将交流电转换成稳压直流电，供家用电器使用。变压器可以将220V交流电转换成适合用电器低压交流电。整流器由二极管构成，用于滤去整流输出电压中纹波。

四、课题设计
（1）. 电源输出控制
本系统运用lm317稳压及其电压可调功能，通过旋转接在调整脚电位器，实现输出电压在1.25-20V内持续可调，调整精度较高。LM317电压调整电路图如图1所示。

图1 lm317电压调整原理电路图
如图1所示，通过调整可调电阻RV1阻值，就可以调整输出电压Vo大小。因此，假如但愿调整精度高，可调电阻RV1调整精度也要高。
（2）.方案设计思绪：
a．输出电压调整范围制定（经小组协商确定其调整范围为1.25至20v）。
运用lm317集成稳压芯片为关键，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定直流电。再用数字显示电压表头（内含ICL7107芯片），表头供电也是用lm317制作+5V稳压电源提供。方案系统框图如图3所示。

输出
LM317稳压电路
变压器
220AC输入

电压表头

图3 方案三系统框图
a．1 LM317芯片选择理由
Lm317是可调整三端正电稳压器，在输出电压范围是1.25V-37V时候可以提供超过1.5A电流，此稳压器非常轻易使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。此外，还使用内部限流，热关断和安全工作区赔偿从而使之能防止烧断保险丝。
Lm317是应用很广泛集成电路之一。它不仅能构成三端稳压电路最简朴形式，同步输出电压具有可调功能。此外，它尚有众多长处，例如，调压范围宽，稳压性能好，噪声低，纹波克制比高。它重要性能参数如下：
输出电压：1.25-37V DC；
输出电流：5mA-1.5A；
保护电路：芯片内部有过热，过流，短路保护电路；
最大输入输出电压差：40V DC；
最小输入输出电压差：3V DC
b．整流，滤波，稳压，保护，DC-DC变换，稳流，表头供电等电路设计
（b.1）整流电路

整流电路任务是将交流电变换成直流电。完毕这一任务重要是靠二极管单向导电作用，因此二极管是构成整流电路关键元件。在小功率整流电路中，常见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单相整流电路。在工作时，电路中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负半周。在负载电阻上正、负半周通过合成，得到是同一种方向单向脉动电压。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
选择二极管要根据二极管反向耐压VRM和正向电流IF。由于滤波电容容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流幅度愈大，因此，整流管幅值电流必须加以考虑。流过整流管平均电流：

式中Ii 为稳压器输入电流，IR1、IR2、Iadj 分别为流过R1、R2，以及调整端电流，则：

考虑到电容充电电流冲击，正向电流一般取平均电流2～3 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5～15V范围，取Ui-U0=10V，得：

设计时可考虑一定余量。根据计算，1N4007二极管符合设计规定，可以用作整流桥。
（b.2）滤波电路
采用电容滤波电路。由于电容在电路中也是起到储存能量作用，并联电容器在电源供应电压升高时，可以把部分能量储存起来，而当电源电压减低时候，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作用。电容滤波电路比较简朴，并且负载直流电压比较高，纹波也比较少，合用于负载电压较高，负载变动不大场所，也减轻了电路设计和实际焊接工作。电容滤波电路原理图如图9所示。

图9 电容滤波电路
通过滤波，电路电压、电流波形如图10所示。滤波电解电容C选择原则是：取其放电时间常数RLC不小于充电周期3～5 倍，其耐压值必须不小于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C充电周期等于交流电源周期T二分之一，即C≥(3~5) T2RL，式中RL为整流后等效负载电阻，通过考虑，本设计取C为2200uF。
设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导 通，C被充电，同步电流经V1、V3向负载电阻供电。忽视二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=Uc≈U2，在u2到达最大值时，Uc也到达最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容 C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压Uc按 指数规律缓慢下降，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，后来反复上述充放电 过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压波动大为减小.
（b.3）稳压电路
稳压电路是整个设计之中一种很重要构成部分，几乎所有电子设备都需要稳定直流电源供电才能正常工作。因此，研究和熟悉稳压电路构成和设计具有非常重要意义。
稳压电路重要用于提供愈加稳定直流带能源。考虑到整流滤波电路输出电压和理想直流电源还是有相称距离，重要是存在两方面问题：第首先，但负载电流变化时候，由于整流滤波电路存在一定内阻，因此输出直流电压将有也许随之发生变化。第二方面，由于电网电压并不稳定，当电网电压发生波动时，整流电路输出电压直接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也对应发生变化。因此，在设计中，采用三端集成稳压器lm317来实现稳定电压功能。
其中，调整管接在输入端和输出端之间。当电网电压或负载电流波动时，调整自身集-射压降使输出电压基本保持不变。放大短路将基准电压与从输出端得到采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管基极。放大倍数越大，则稳定性能越好。由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电路一种，而串联型直流稳压电路输出电压和基准电压成正比，因此，基准电压稳定性将直接影响稳压电路输出电压稳定性。采样电路由两个分压电阻构成，它将输出电压变化量一步份送到放大电路输入端。启动电路作用是在刚接通电流输入电压时候，是调整管、放大电路和基准电源等建立各自工作电路，而当稳压电路正常工作是启动电路被断开，影响稳压电路性能。保护电路重要起到限流保护，过热保护和过压保护作用。
稳压部分电路原理图如图11所示。

图11 稳压电路原理图
稳压电源输出电压可用下式计算：

仅仅从公式自身看，R3、R2电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源输出电压计算公式，R3和R2阻值是不能随意设定。1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器输出性能，R3应不不小于240欧姆。变化R2阻值即可调整稳压电压值。D5，D6用于保护LM317。
　　首先317稳压块输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V），因此R2/R3比值范围只能是0—28.6。它使用非常简朴，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它线性调整率和负载调整率也比原则固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
LM317属于深度负反馈稳压电路，其功耗比较大，因此有必要讨论一下LM317稳压模块散热问题。
稳压器最大容许功耗取决于芯片最高结温TJM,当T<TJM时稳压器才能正常工作。因此，稳压器散热能力愈强, 结温就愈低，它所能承受功率也愈大。稳压器散热能力取决于它热阻给半导体器件加散热片后可减小总热阻。若令Rθ1 表达从结到器件外壳热阻，Rθ2 表达从器件外壳到散热片表面热阻，RθA 表达从结到散热片表面热阻，则RθA=Rθ1+Rθ2。若令Rθd 表达散热片到周围空气热阻，Rθ’表达加散热片后结到空气总热阻，则Rθ’=RθA+Rθd。设集成稳压器最高容许结温为TJM，最高环境温度为TAM，加散热器后器件功耗为PD，则有关系式：

因此器件最大功耗必须满足PDM≤PD。
(b.4)过流保护
电路过流保护原理图如图12所示。

图12 过流保护电路原理图
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8～10倍)，iout流过小电阻R6，并经R5对C4充电。通过设定R6、C4值，使充电时间τ不小于电机启动时间δ，Q1(9013)处在截止状态，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C4两端电压到达Q1导通电压，则Q1导通，强制稳压器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τ不小于启动时间δ，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4~7倍，可当作不变，设为I=5I0。根据图15，可得如下公式：

由于R4R5，因此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电压到达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，电流忽然增大到短路电流IS，电容C4开始充电。考虑一定设计余量，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 (∞)=IGR5, 求解得：

假设增大到V2导通电压0.7充电时间为’,则’必须不不小于容许短路时间t,即：

要使保护起到作用，uc4 (∞)必须不小于0.7V，即：

（b.5）表头供电电路
用LM317集成稳压模块制作一种+5V电源，然后用一只NPN三极管，两只电阻，一种电感来进行信号放大，把芯片38脚振荡信号串接一种20K－56K电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一种电阻（为了保护）和一种电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管“C”极电压为2.4V－2.8V为最佳。这样，在三极管“C”极有放大交流信号，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，可以得到负电压供应ICL710726脚使用。

表头正负5v供电电路
（b.6）稳流电路
本电路稳流模块采用了LM317集成稳压电源构成可调式稳流电路，将上一级产生12v稳定电压转化成输出端4——20MA稳定电流，有稳压源供电，运用三极管输出特性设计，R4，D6，D7构成三极管T偏置稳压电路，运用二极管稳压作用，三极管T可得到稳定偏置电流Ib，T就有稳定集电极电流Ic=Io=βIb，Ic大小不受输入电压和负载电阻变化影响，实现稳定输出可调电流题目规定。

稳流电路原理图
（b.7）DC-DC变化电路

五：扩充部分：
（1） 扩大输出电压调整范围为1.5至20v；
（2） 过热不保护，在LM317上加有散热片；
（3） 用数字显示输出电压
六：整体电路原理图

七：实物图