集成直流稳压电源设计(共28页).doc

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Considering the laboratory often uses ±5V and ±12V dc output voltage, different with those which can only provide adjustable regulated power supply or can only provide fixed stabilized voltage supply circuit, the purpose of this paper is to adopt the same circuit under the control of switch by using AC transformer, rectifier, filter and three-terminal adjustable integrated voltage stabilizing chips LM317 and LM337 to change 220 V AC voltage into ±12V/1A，±5V/1A and a set of adjustable positive voltage +1.25V+27V/1A a DC voltage multiplexed output, and also test and analyze serveral main parameters which are used to measure voltage stabilizing circuit performances.Keywords: DC voltage Half-wave rectification Capacitor filter Multisim simulation 引言随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。直流稳压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。事实上功率较小的直流电源大多数都是将50Hz的交流电流经过整流、滤波和稳压后获得的。LM317、LM337是固定集成稳压器芯片，经过对外围电路的改进设计，可以达到大范围的输出电压调整，因而，若能通过对LM317、LM337集成芯片的外电路设计，以实现实验室对直流稳压电源的需求，则可满足教学上各种综合实验的需要，成为各类高校理工类电子技术及相关专业的理想器件之一。而大多数直流稳压电源不是只能提供可调电压就是只能提供稳值电压，因此需要创新出一种电路使之能够同时提供稳值电压和可调电压，便可满足一些实验者的需求，同时也能使实验电路总体结构变得简洁明了。1原理电路的设计1.1设计思路本文的设计主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路4个部分。变压电路：将交流电网220V的电压变味所需要的电压值。整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压。滤波电路：由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。稳压电路：在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。变压电路整流电路滤波电路220V交流输入稳压电路直流稳压输出图1 直流稳压电源设计思路1.2总体设计原理图2 直流稳压设计原理示意图本文设计的直流稳压电源是单相小功率电源用于实验室使用，它将频率为50Hz,有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定，输出电压为±5V、±12V、可调+1.25V+27V的直流电压。单相交流电经及过电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。直流电源的输入为220V的电网电压（即市电），一般情况下，所需直流电压数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图2中所画。可以看出，它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。图2中整流电路输出端所画波形时未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。对于稳定性要求不高的电子电路，整流，滤波后的直流电压可以作为供电电源。交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响从而获得足够高的稳定性。1.3电源变压器的基本原理变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将市电转化为电路能承担的电压。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流时，铁芯（或磁芯）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（或磁芯）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。变压器的基本原理是电磁感应原理。变压器两组线圈圈数分别为n1和n2，n1为初级，n2为次级。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。当n2>n1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当n2<n1时感应电动势要比初级所加的电压要低，这种变压器为降压变压器。变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率。当变压器的输出功率P2 等于输入功率P1 时，效率 等于100%，变压器将不产生任何损耗，但实际上这种变压器是没有的，变压器传输电能时总要产生损耗。变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。1.4整流电路的基本原理整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件（如二极管、晶闸管等），将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是，这种电压直流幅值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压电源，其整流电路一般都选用桥式整流电路。整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，和单相全波整流电路。本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。其电路图如下图所示： 图3 桥式整流电路及波形1.4.1单相桥式整流电路工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图3（a）所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图3（b）波形图的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4导通，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。单相桥式整流电路的波形图见图3（b）。1.4.2参数计算根据图3（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为.流过负载的平均电流为.流过二极管的平均电流为.二极管所承受的最大反向电压.1.4.3单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系.该曲线如图3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。图4 单相桥式整流电路负载特性曲线单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。1.5滤波电路的基本原理滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，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、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图5所示。图5 滤波电路常用结构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，能把部分能量存储起来，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，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，它把能量存储起来，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。滤波电路的形式很多，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，如图5（a）、5（c）和电感输入式（电感器L接在最前面，如图5（b）。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）。这次电路设计中采用C型滤波电路。下图为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压vC对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。图6 滤波电路图负载RL未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为.其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值 ，极性如图所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压vC）保持在 ，输出为一个恒定的直流，如图中wt<0（即纵坐标左边）部分所示图7 电容C充放电图接入负载RL（开关S合上）的情况：设变压器副边电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时v2 < vC，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电，放电的时间常数为.因td一般较大，故电容两端的电压vC按指数规律慢慢下降，其输出电压vL = vC，如图的ab段所示。与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。当v2>vC时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电（接入负载时的充电时间常数tc =( RL|Rint)CRint C很小），vC将如图2中的bc段，图中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻Rint上产生的压降。vC随着交流电压v2升高到接近最大值 。然后，v2又按正弦规律下降。当v2 < vC时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经RL放电，vC波形如图中的cd段。电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图所示的一个近似锯齿波的电压vL = vC，使负载电压的波动大为减小。 总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。1.6稳压电路的基本原理滤波以后虽然纹波因数大大减小,但输出电压还不够稳定,主要是当负载电流或电网波动时,输出电压会随之发生变化，为此还需要加稳压措施。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成，采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。2电路元件选择2.1集成稳压器的分类与选择2.1.1集成稳压器的分类集成稳压器的种类很多，按出线端子多少和使用情况大致可分为三端固定式、三端可调式、多端可调式及单片开关式等几种。多端可调式是早期集成稳压器产品，其输出功率小，引出端多，使用不太方便。三端固定式集成稳压器是将取样电阻、补偿电容、保护电路、大功率调整管等都集成在同一芯片上，使整个集成电路模块只有输入、输出和公共3个引出端，使用非常方便，因此获得广泛应用。缺点是输出电压固定，代表产品是78XX和79XX。三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种输出电压，代表产品是LM317和LM337等。开关式集成稳压电源是最近几年发展的一种稳压电源，其效率特别高。它的工作原理与多端可调式和三端固定式都不同，是由直流变交流高频再变直流的变换器。通常有脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种，输出电压是可调的。2.1.2集成稳压器的选择由于多端可调式集成稳压器引出端多，使用不太方便，故不太适合当做实验室直流稳压电源。由于开关式集成稳压电源是由直流变交流高频再变直流的变换器，设计与布局较为复杂，故也不太适合做实验室直流稳压电源。由于三端固定式集成稳压器使用非常方便，缺点为输出电压固定，而考虑到实验室常用固定的±5V与±12V直流输出电压，则可以选择三端固定式集成稳压器。由于三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种输出电压，则可以通过改变电阻值来获得不同的直流输出电压，以此满足实验室的可调直流电压的需求。事实上，可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，这种集成稳压器，在集成芯片的内部，输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路，应用更为灵活。正电源系列的基准电压为1.25V，可在+1.25V+37V之间连续可调。其内部设有过流、过电压保护和调整管安全工作区保护电路，使用安全可靠，性能比三端固定式集成稳压器78XX系列性能更加。再通过查阅三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器相关芯片与资料，发现三端固定式集成稳压器78XX、79XX无法做到输出负电压，需外接反相器来实现输出负电压；而LM317可以输出正电压，LM337可以输出负电压。综上所述，则总体考虑，使用LM317、LM337芯片即可同时实现±5V与±12V直流电压输出与可调直流电压输出。故本文采用LM317、LM337进行模拟仿真。选择芯片LM337用以输出-5V/1A、-12V/1A，LM317用以输出+5V/1A、+12V/1A以及可调电压。由于稳压芯片中已经存在保护电路，故不再另设二极管保护电路。2.2 电源变压器的选择电源变压器选取了36V/50W/±18V变压器。（上端+18V、中端接地、下端-18V）2.3集成整流桥及滤波电容的选择由于Urm=2×3650V，I=3A，额定工作电流ID=3A，所以集成整流桥芯片选择KBP306。因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布，易引起自激振荡，形成高频干扰。所以稳压器的输入端并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波，抑制高频干扰。固在稳压芯片前并入电容，在其后并入电容。为了更好的消除纹波，在输出端前再并入电解电容。依稳压电源的工作原理可知，如果变压器副边电压V2太大，则VI太大，LM317两端电压大，LM317功耗大，芯片温升高，容易损坏芯片且浪费电能。反之，如果V2太小，则LM317内部调整管管压降太小，不在放大区，失去调整作用。这个值应使LM317在最不利的条件下仍然能正常工作。而且在能正常稳压的前提下，压降尽可能小，以减小功耗。这里说的最不利条件是指交流电网电压V1最低和输出电流Io最大。由LM317资料可知，它的正常工作条件是VIVo>3V，输出电压Vo =+12V时，VI >15V。图8 C1充放电图由于C1的充放电作用，波形如图所示。T1是充电时间，T2是放电时间，通常T2T1， T2T1 +T2=10ms.为了设计C1，应计算VI.其中 1v是桥式整流电路中1个二极管的压降（粗略计算）.由上述，VImin=15v.考虑最不利条件：V2取V2min=0.9V2(电网向下波动10%)， Io取Iomax=1A则 C1=C1max.则取220 µF的电容足够。3稳压电路的设计3.1典型稳压应用电路3.1.1 一般应用电路 图9 一般应用电路图图9为三端可调正输出集成稳压器的一般应用电路。电路中R1和RP组成可调输出的电阻网络，为了能使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收，所以设定R1为120240。通过R1泄放的电流为510mA。输入电容Ci用于抑制纹波电压。输出CO用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。输出电压为.式中通常ID为50µA。3.1.2 固定低压输出电路 图10 固定低压输出电路图图10为不加可调输出电阻网络，得到 1.25V 固定低压输出的电路，温度漂移很低，只由内部基准电压源的温漂决定。3.1.3 加外接保护电路 图11 加外接保护电路图图11加外接保护电路图，由于外接输出电容CO的存在，容易发生电容放电而损害稳压器。若有外接保护二极管VD1，电容CO放电时，VD1导通钳位，使稳压器得到保护。VD2是为了防止调节端旁路电容C1放电时而损坏稳压器的保护二极管。旁路电容C1也是为抑制纹波电压而设置的。当C1为10µF时，能提高纹波抑制比15dB。3.1.4 从零起调的实用稳压电源 图12 从零起调的实用稳压电源电路图图12为从零起调的实用稳压电源图。该电路关键部分是VD1、VD2、C1获得负压，R3、VD2与C2稳压滤波后由场效应管VT进行恒流来提高VD3、VD4正向导通的二次稳压性能，从而改善了01.25V低压段之间的稳压性能。此端提供的-1.3V的负基准电压，接于电位器RP2。3.2新型多路稳压电路设计考虑到需要在同一电路中能够输出±12V，±5V和一组可调正电压。则可将多路目标分离成单个目标，即通过多路开关的通断来分别实现输出±5V、输出±12V、输出一组可调正电压。输出固定电压±5V和±12V的电路基本模块可以参考图10固定低压输出电路图，不采取图11加外接保护电路图的原因是稳压芯片中已经存在保护电路，可不再另设二极管保护电路，用以简化电路。输出一组可调正电压的电路基本模块可以参考图12 从零起调的实用稳压电源电路图，考虑到输出的一组可调正电压的电路图与输出固定电压的电路图需同时表示，则输出一组可调正电压的电路不应与输出固定电压电路有冲突，应当化繁为简，取电路的核心部分，同时又保证电路不会出错，故可舍弃VD二极管组，保证可以输出可调正电压即可。电路图见图13。4 Multisim仿真结果与分析4.1 电路原理图图13 原理图4.2说明书开关S7控制LM317和LM337。开关S1、S4、S5并联分别为选择+5V、+12V、+1.25V+27V可调电压。开关S2、S3并联分别为选择-5V、-12V。R7为05K可调电阻，调节R7大小，可输出不同大小的直流电压，即为可调电压。输出点即为LM芯片的VOUT输出端4.3 电路每级波形图图14 变压后波形图通过变压电路后的交流36V电压波形。图15 整流后波形图通过整流电路后的整流波形。图16 滤波后波形图通过滤波电容后的滤波波形。4.4 电路输出波形图图17 +5V/1A输出波形图开关S1闭合、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S7闭合，LM317输出+5V/1A直流电压波形。图18 -5V/1A输出波形图开关S1闭合、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S7闭合，LM337输出-5V/1A直流电压波形。图19 -12V/1A输出波形图开关S1闭合、S2断开、S3闭合、S4断开、S5断开、S7闭合，LM337输出-12V/1A直流电压波形。图20 +12V/1A输出波形图开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4闭合、S5断开、S7闭合，LM317输出+12V/1A直流电压波形。图21 +1.25V+27V输出波形图开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5闭合、S7闭合，LM317输出+1.25V+27V的可调直流电压波形。4.5 仿真结果与误差分析由直流电压表的示数可知：可调输出端的输出电压最低为+1.25V，最高为+27V。±5V输出端的输出电压分别为+5.01V、-5.02V。±12V输出端的输出电压分别为+11.9V、-11.8V。表1 仿真结果与误差表输出要求仿真结果误差+5V/1A+5.01V0.2%-5V/1A-5.02V0.4%+12V/1A+11.9V0.83%-12V/1A-11.8V1.67%可调电压+1.25V+27V计算所使用的Vo=VREF/R1 *(R1+R2)+IADJ*R2VREF(1+R2/R1)公式存在误差。在误差允许范围内可以认为输出已经符合预先设计的要求。5 参考文献1 谭博学.集成电路原理及应用.北京：电子工业出版社.20032 何希才.常用集成电路应用实例.北京：电子工业出版社.20073 李亮.集成稳压电源的设计J.电子世界,2016,(20):194-195.4 安玉,傅兴华,吴有林.LM317可调式集成稳压电源的设计J.遵义师范学院学报,2008,10(06):57-58+61.5 刘典文.集成稳压电源的设计J.广西物理,2008,(01):42-45. 6 王芳,张贵红.集成直流稳压电源的设计和调试J.硅谷,2009,(24):29. 7 董振华.集成直流稳压电源的设计与调试J.电子制作,2013,(14):64. 8 刘洪涛.独立集成稳压电源的功能扩展J.电子制作,2008,(09):56-58. 9 胡逸凡.三端集成稳压器的应用J.电子制作,2008,(02):53-54. 附录一集成电路应用课程论文评阅标准1、总分：100分，主要分为：论点10分；论据10分；论证20分；结构30分；深度和广度10分；规范化20分。2、具体评分标准如下：评阅点评分依据所占分值论点观点明确，中心突出，能密切联系实际810论文观点不突出，层次不够分明47论文观点不明确，层次混乱03论据论据充分、准确，内容充实810论据较充分，内容较充实47论据缺准确，内容较充实03论证论证严谨，有一定的独创性1620论证合理，分析问题较全面1215论证不够严谨011结构层次分明，结构严谨2430结构完整，层次较分明1825结构较完整，层次混乱017深度和广度科学性强，有新意，有自己的见解810有新意，有自己的见解47有自己的见解03规范化文笔流畅，论文格式正确；排版规范1620论文格式基本正确；排版不规范1215论文格式不正确；排版混乱011附录二本科课程论文评阅表学号班级姓名课程名称论文题目评阅点评分依据得分论点论据论证结构深度和广度规范化总分 教师签名： 时间：年月日注：1、此表的论点、论据、论证部分可以由学生根据自己论文内容填写，教师参考“课程论文评阅标准”进行评阅。2、此表按人填写，与学生课程论文一并存放。 3、以文字和数字填写内容。专心-专注-专业