直流稳压源电路EDA课程设计报告.pdf

-1-目录 课程设计任务书 第一章 前言 5 第二章 设计方案讨论及分析 7 2.1 总述 7 2.2 设计目的 7 2.3 设计任务 9 2.4 设计要求 9 2.5 设计方案的选择与分析 9 2.6 电路原理分析 10 2.7 直流稳压电源的参数设计方法 11 2.8 PCB 的制作过程12 第三章 单元电路的设计 14 3.1 电源变压器 14 3.2 稳压电路 19 第四章 制作与调试 20 4.1 安装与检查22 4.2 稳压电源各项性能指标的测试23 4.3 误差分析 24 第五章 结论和心得 25 参考文献 30 -2-课 程 设 计 任 务 书 半导体直流稳压电源的设计和测试（一）设计目的 1、学习直流稳压电源的设计方法；2、研究直流稳压电源的设计方案；3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法；（二）设计要求和技术指标 1、技术指标：要求电源输出电压为12V（或9V/5V），输入电压为交流 220V，最大输出电流为 Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数 Sr5%。2、设计基本要求（1）设计一个能输出12V/9V/5V 的直流稳压电源；（2）拟定设计步骤和测试方案；（3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；（4）要求绘出原理图，并用 Protel 画出印制板图；（5）在万能板或面包板或 PCB 板上制作一台直流稳压电源；（6）测量直流稳压电源的内阻；（7）测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；（8）撰写设计报告。3、设计扩展要求 （1）能显示电源输出电压值，00.0-12.0V；(2)要求有短路过载保护。（三）设计提示 1、设计电路框图如图所示 稳压电路若使用分离元件要有取样、放大、比较和调整四个环节，晶体管选用 3DD 或 3DG 等型号；若用集成电路选 78XX 和 79XX 稳压器。测量稳压系数：在负载电流为最大时，分别测得输入交流比 220V 增大和减小10%的输出vo，并将其中最大一个代入公式计算 Sr，当负载不变时，Sr=VoVI/VIVO。测量内阻：在输入交流为220V，分别测得负载电流为0 及最大值时的Vo，ro=VO/IL。纹波电压测量：叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV 级。可将其放大后，用示波器观测其峰峰值VOP-P；用可用交流毫伏表测量其有效值VO。于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。-3-2、实验仪器设备 自耦变压器一台、数字万用表、交流毫伏表、面包板或万能板、智能电工实验台、示波器 3、设计用主要器件 变压器、整流二极管、集成稳压器（7812/7912/7809/7909/7805/7905）、电容、电阻若干 （四）设计报告要求 1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；3、列出测试数据表格。4、调试总结。（五）设计总结 1、总结直流稳压电源的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较。2、总结直流稳压电源主要参数的测试方法。（六）参考书 电子线路 CAD 实用教程西安电子科技大学出版社 单片机原理及接口技术北京航空航天大学出版社 数字电子技术国防工业出版社；晶体管直流稳压电源辽宁科技出版社 模拟电子技术基础高等教育出版社 第一章 前沿 电子技术是当今高新技术的“龙头”，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本-4-器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的，同时也将学到的理论与实践紧密结合。电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。交流电源一般为 220V、50Hz 电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源。现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。本设计是设计的直流稳压电源，是一种将 220V 交流电转换为稳压输出的直流电源装置，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是有电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四个部分组成。通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。第二章 系统设计方案论证及分析 2.1 概 述 220V 经电源变压器降为约+24V 的交流电，先经过 D1整流桥和电容 C1进行和 C2整流后分别经过稳压芯片 U1、U2分别得到+12V 和-12V 的一个相对稳定的直-5-流电压。2.2 设计目的 1、学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。2、掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。3、通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：(1)选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流 稳压电源；(2)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。(3)通过电路的设计可以加深对该课程知识的理解以及对知识的综合运用。2.3 设计任务 设计一波形直流稳压电源，满足：(1)当输入电压在 220V10%时，输出直流电压为12V，输出直流电流 d的最大为 500mA；(2)输出纹波电压小于 5mV，稳压系数小于 5%，输出内阻小于 0.1 欧。2.4 设计要求 直流稳压电源的基本要求：(1)合理的选择电源变压器；(2)合理选择集成稳压器；(3)完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、安装调试、绘制电路图；(4)稳压电源 在输入电压为 220，50HZ.电压变化范围为+10%-10%条件下：a.输出直流电压为+12/-12；b.最大输出电流为:Iomax500mA；c.纹波电压(峰-峰值)5mV(最低输入电压下，满载)；d.具有过流保护及短路保护功能；e.画出总体设计框图，以说明直流稳压电源有哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间的联系、变化，并以文字对原理作辅助说-6-明。设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。选择合适的元器件，接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。2.5 设计方案的选择与论证 小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图 2.1 所示。（a）u1 u2 u3 uI （b）整流与稳压过程 图 2.1 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程 由固定式三端稳压器（7812）组成：由固定式三端稳压器（7812）输出脚 V0、输入脚 Vi和接地脚 GND 组成，它的稳压值为+12V，它属于 CW78*系列的稳压器，输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定。根据实验设计要求，本实验采用此方案。2.6 电路原理分析 直流稳压电源一般由电源变压器 T、整流、滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图 2.2 所示。各部分的作用：负载 稳压电路 滤波电路 整流电路 变压器-7-图 2.2（1）电源变压器 T 的作用是将电网 220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压 U2。变压器副边与原边的功率比为 P2/P1=，式中是变压器的效率。（2）整流滤波电路：整流电路将交流电压 U1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 U0。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等，如图 2.3 所示。图 2.3 整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压，再经滤波电容 C 滤波纹波，输出直流电压U0。U0与交流电压 U2的有效值 u2的关系为 U0=（1.1-1.2）u2 每只整流二极管承受的最大的方向电压 Vrm=2U2 通过每只二极管的平均电流 I=0.5Ir=0.45U2/R 式中,R 为整流电路的负载电阻.它为电容 C 提供放电回路,RC 放电时间常数应满足 RLC(3-5)T/2 式中,T 为 50HZ 交流电压的周期,即 20ms.（3）电压输出稳压器 由于输入电压 U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压 UI会随着变化。因此，为了维持输出电压 UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能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所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。-8-2.7 直流稳压电源的参数设计方法 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压 Uo、输出电流 Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流桥和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。直流稳压电源的参数设计可以分为以下三个步骤：根据稳压电源的输出电压 Uo、最大输出电流 Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。根据稳压器的输入电压IU，确定电源变压器副边电压 u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流 I0max，确定流过电源变压器副边的电流 I2和电源变压器副边的功率 P2；根据 P2，从表 1 查出变压器的效率，从而确定电源变压器原边的功率 P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。确定整流桥的正向平均电流 ID、整流桥的最大反向电压RMU和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流桥和滤波电容。设计参数如下：选择三端集成稳压器，确定电路形式 集成稳压器选用 L7812cv(1.5A,12V)及 PJ7912(1.5A,-12V)，其输出电压范围为：Uo=12V 和-12V。所确定的稳压电源电路如图 2.4 所示。-9-图 2.4 选择电源变压器 电源变压器有很多种：有降压的、有升压的，在这次的设计中我用的是降压变压器，它的作用是将来自电网的 220V 交流电压 u1变 为整流电路所需要的交流电压 u2。12PP，其中：2P是变压器副边的功率，1P是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表 1 所示：表 1 小型变压器的效率 副边功率 P2 VA10 VA3010 VA8030 VA20080 效率 0.6 0.7 0.8 0.85 因此，当算出了副边功率2P后，就可以根据上表算出原边功率1P。U1 和 U2 的取值决定了相关器件及参数的选择，一般情况下，U1 应比U0 高 3V 左右（太小影响稳压，太大稳压器功耗大，易受热损坏）。故可取 U1=12+3=15V，考虑电网电压 10%的波动，最终取 U1=16.7V,由 UL=（1.1-1.2）V2,变压器次有效值u2 为 u2=U1/1.1=15.2V，但因本设计输出电压为 12V，故变压器输出电压 U2=18V，即变比为 0.7，但在实际过程中，由于商家没有，选购了输出为 24V 的。选用整流桥和滤波电容 整流桥：整流输出电压平值 2209.022)()sin(22UUtdtU=21.6V 二极管平均电流 LLOODRURUII245.0221=0.327A 二极管最大反向压 22UURM=33.94V 故整流桥选用2W06W(1A,50V)保护二极管选 IN4001(1A,50V)-10-滤波电容：RLC(3-5)T/2,则 C1=5T/2RL,式中 T 为交流电源周期，T=20ms，RL 为C1 右 边 的 等 效 电 阻，应 去 最 小 值，由 于Imax=500mA,因 此 RL=U1/Imax=33,所以 C1=C2=1515f,可见 C1 的容量较大，应选电解电容，受规格限制，电容的耐压要25V,故滤波电容 C 取容量为 2200uF，耐压为 25V 的电解电容。发光二极管的保护电阻选用 470.2.8 PCB 的制作过程（1）编辑原理图。在编辑原理图的过程中，必须确定并给出每一元器件的封装图。（2）原理图的电气检查。执行 ERC 检查，找出并纠正电路图中可能存在的缺陷。（3）确定电路板层数。根据电路系统的复杂程度，生产工艺及成本，确定电路板层数，即采用单面板、多面板还是多么面板。（4）初步确定电路板形状及尺寸。在此基础上，根据元件布局基本规则大致确定各单元电路在硬纸板的位置。（5）装入常用元器件封装图文件包 miscellaneous devices.ddb。（6）生成 PCB 文件。在原理图编辑状态下，执行“Design”菜单下的“PCB”命令。（7）在“Update Design”窗口，单击“Preview Change”按钮，观察更新后发生的改变。若有错误信息，认真分析并改正直到更新列表窗口内没有错误提示信息为止。（8）设置 PCB 编辑器的工作参数。（9）执行“Design”菜单下的“Rule”命令，在“Routing”标签内设置安全间距，在“Placement”标签内选择元件间距。（10）在 PCB 编辑窗口内，将各元件封装图逐一移到对应单元电路区内，完成元件的预布局。（11）在“Keep Out Layer”内绘出电路板的布线区，以确定布局,布线的范围。-11-（12）布线前确定元件的最终位置。将元件的引脚焊盘对准点，并调整好各元件的位置以方便布线。（13）在“Bottom layer”内进行手工布线，以完成单面板的布线。（14）执行设计规则检查，找出并调整不满足设计要求的连线，焊接，过孔等 图 2.5 图 2.4 的 PCB 图 第三章 单元电路设计 3.1 电源变压器 过整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流压含有较的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。电源变压器的作用是将交流 220V 的电压变为所需的电压值，然后通过的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时，维持输出直流电压稳定。3.2 稳压电路 集成三端稳压器具有体积小，外围元件少，调整简单，使用方便且性能好，-12-稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电源为主，还有适当的过流、过热等保护电路。一般固定式较便宜，可调式较贵，性能也好些，功率相对也较大。故本次设计采用固定式三端稳压器。主要有 7800 系列（输出正电压）和 7900 系列（输出负电压）。后两位数字通常表示输出电压的大小。图 3.5 是外形图和电路符号。加散热片后允许功耗达到 7.5W，普通型稳压器最大输出电流为 1.5A。图 3.5 固定式集成三端稳压器外形及电路符号 1.基本应用电路 图 3.6 所示为基本应用电路。具体型号应根据输出电压大小和极性选择。VI和 VO 间的差压，即|VIVO|（35）V。图中 C1 用于抑制芯片自激，应尽量靠近稳压器管脚；C2 用于限制芯片高频带宽，减小高频噪声。如果对输出要求高，还应接 10F 以上的电解电容作滤波用。图 3.6 固定式三端稳压器基本应用电路 2.扩展应用电路-13-图 3.7 是正负电压输出型稳压电路。图 3.8（a）、（b）是输出电压扩展电路的两种类型。图 3.7 正负输出稳压电路 图 3.8 输出电压扩展电路 第四章 制作与测试 4.1 安装 对电路进行组装：按照自己设计的电路，在在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装。开始安装稳压电源，检查万能板内部结构，确定其内部的电气连接属性 1)检查元器件看是否有损坏，或者不符合规格的，要及时更换。-14-2)安装一个元器件，先要用尖嘴钳将其引脚成型，然后用镊子把引脚放入孔内高度要适中，符合电气标准完毕后，要用万用表测量元器件引脚和电路板之间是否接触良好，然后再安装下一个元器件。3)对于导线要用斜口钳切成适当的长度，然后成型安装安装时必须采用绝缘良好的绝缘导线,在画连线的时候要取好元件与元件的距离.连接的时候线与线之间不能交叉。4)应避免元器件损坏的发生，插元器件时候要垂直插拔以免行成不必要的损坏。4.2 稳压电源各项性能指标的测试 一、电路的调试与检测 1)静态调试 当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。B、对照原理图，检查各元件是否接正确。2)动态调试 接通 220V 的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正电源输出电压为+12.14V，负电源输出电压为-12.08V 二、技术指标测量、测量稳压系数，先调节自藕变压器使输入的电压增加 10%，即Vi=242V,测量此时对应的输出电压 Vo1；再调节自藕变压器使输入减少10%，即Vi=198,测 量 此 时 对 应 的 输 出 电 压Vo2,然 后 测 量 出Vi=220V 时对应的输出电压 Vo,则稳压系数 Sv=ViVi/VVOO=198242220.OOOVVV21 （2）输出电阻的测量-15-按图 4.1 所示连接电路，保持稳压电源的输入电压VU2201，在不接负载 RL时测出开路电压 Uo1=12.14V，此时 Io1=0，然后接上负载 RL，测出输出电压 Uo2=12.16V和输出电流 Io2=0.49A，则输出电阻为：02102000IIUURI=0.0408（3）纹波电压的测试 用示波器观察 Uo的峰峰值，（此时 Y 通道输入信号采用交流耦合AC），测量Uop-p的值（约 4mV）。4.3 误差分析 1）、误差计算+Vcc%=（12.14-12.00）/12.00=1.167%-Vcc%=(-12.08+12.00）/-12.00=0.667%2）、误差原因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:a)元件本身存在误差；b)焊接时，焊接点存在微小电阻；c)万用表本身的准确度而造成的系统误差；d)测量方法造成的人为误差。第五章 结论和心得 通过这次设计，了解了书本上没有的知识，更加巩固了所学的知识，也增强了自己灵活运用所学知识到实践中的能力。此外，也学到了许多的经验，做什么事都有思前想后。这次的课程设计，获益匪浅，虽然从了解原理到设计电路，在到买元件，最后安装调试和课程设计书的撰写，花了很多时间，但是是值的，因为成就感让我们很满足，也让我深深体会到了做学问一定要有认真、严谨的治学态度，这也将对我以后的学习和工作起到莫大的帮助。有最后不足的地方希望老师指正，以后一定改正，加强。-16-参考文献 1.李朝青单片机原理及接口技术北京航空航天大学出版社；2.彭介华电子技术课程设计指导高教出版社；3.潘永雄、沙河电子线路 CAD 实教程西安电子科技大学出版社；4.阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社；5.童诗白、华成英模拟电子技术基础高等教育出版社。