12v线性稳压电源的设计大学论文.doc

作者：周莹（计信学院08级电子信息专业学生） 指导教师：黄喜论文题目12V线性稳压电源的设计学 院(系) 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 212V线性稳压电源的设计 摘要：稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置，数字式稳压电源与传统稳压电源电路相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点；详细介绍稳压电源发展史、稳压电源分类、国内外研究现状；论述稳压电源稳压原理、稳压过程；分析比较几种设计方案，选择最佳的设计方案；阐述最佳设计方案的电路原理；用MULTISIM软件进行仿真，适当优化完善电路设计；对设计成品的诸多问题进行论述和分析。关键词：稳压电源 12V 稳压源里 方案设计 最佳选择 原理分析 电路仿真12V linear voltage-stabilized source designAbstract: The voltage-stabilized source is can provide the stable alternating current supply or the direct-current power supply electronic installation for the load; The digital voltage-stabilized source and the tradition voltage-stabilized source electric circuit compares, Has the ease of operation, the voltage stability high characteristic; Detailed introduction voltage-stabilized source history、Voltage-stabilized source classification、domestic and foreign research present situation; Elaboration voltage-stabilized source constant voltage principle、 constant voltage process；The analysis compares several kind of design proposals、 and chooses the best design proposal；Elaborates the best design proposal circuitry；Carries on the simulation with the MULTISIM software、 suitable optimization perfect circuit design; To designs the end product many questions to carry on the elaboration and the analysis.Key words：Voltage-stabilized source 12V Constant voltage principle Project design Best choice Principle analysis Electric circuit simulation 目录前言：.第一章：绪论.第二章：稳压电源稳压原理第三章：稳压电源设计方案比较和选择第四章：电路原理分析第五章：设计使用的方法第六章：设计成品分析 致谢参考附录前言随着社会飞速前进，用电设备与日俱增。但电力输配设施的老化和发展滞后，以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户电压的过低，而线头用户则经常电压偏高。对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备，犹如没有上保险。不稳定的电压会给设备造成致命伤害或误动作，影响生产，造成交货期延误、质量不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件，使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源；严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。数字式稳压电源与传统稳压电源电路相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点。目前，数字式直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛应用于我们生活、工作、科研、各个领域。本文主要是将稳压电源理论与实践相结合，设计基于实验室环境下的稳压电源。运用Protel仿真软件对设计电路进行仿真，对PCB纸板和布线提供了极大的便利。本文共分为六个章节，第一章绪论，主要介绍稳压电源的发展和分类。第二章稳压电源稳压原理，主要阐述稳压电源的稳压过程的原理。第三章，重点论述稳压电源的多种设计方案，在比较分析几种方案优劣条件下，选择比较适合的设计方案。第四章阐述选择的设计方案的电路原理。第五章，运用Protel仿真软件对电路仿真。第六章对设计成品进行分析。， 第一章：绪论1.1 稳压电源的发展历史稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置，包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。其发展史基于1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源。随着时代的变迁，科技日益更新进步，稳压电源随着科技的进步得到很好的发展。稳压电源的发展经历了以下过程：二十世纪五十年代的磁饱和稳压器发展到六、七十年代的磁泄放式恒压变压器；八十年代中期运用了磁补偿形式的第一代参数稳压器到九十年代中期运用第二代参数稳压器；二十世纪初诞生了第三代参数稳压器。参数稳压器是一种运用铁磁等效参数振荡与同步跟踪补偿原理来取得稳定的交流输出电压和良好的双向抗干扰性能的电源装置。其综合性能稳定可靠，双向抗干扰能力强，能有效地滤除电网及负载所产生的各种频率的正负脉冲和浪涌电压的冲击，且有较强的抗雷击能力，安全、可靠、稳定性高；稳压范围特别宽，特别适用于电压大幅度波动的场合；具有较强的过载能力，具有自动保护特性，当负载短路或内部元件损坏时，输出电压自动降至0伏。绝不会出现过压输出，确保用户设备安全运行；参数稳压器是目前各种技术类型交流稳压电源当中综合技术性能最优，可靠性最高，使用维护成本最低的一种产品。最大的结构特点是不采用电子器材，环境适应能力及稳定可靠性能最高。1.2.稳压电源的分类：稳压电源的分类多种多样，按稳定结果可分为直流稳压电源和交流稳压电源。按稳定实现的方式可分为参数稳压器和反馈调整型稳压器。按稳压电路的连接方式，则可分为并联型稳压器和串联型稳压器。按电路中主要元件的工作状态又可分为线性稳压器和开关稳压器。交流稳压电源中又有磁饱和稳压器、电子管稳压器、交流净化电源、全自动补偿型稳压器及参数稳压器。为了提高稳压电源的转换效率，增强对电网的适应性，缩小体积和减轻重量，使开关电源应运而生。目前最常用的的稳压电源是开关电源，开关稳压电源具有很多优点。(1).效率高，通常可达到8090%；     (2).功耗小。开关管工作在开关状态，功率消耗小，不需要采用大散热器。同时机内温升较低，有利于提高整机的可靠性和稳定性；     (3).稳压范围宽(150250V)，适用于电网电压波动很大的地区；     (4).体积小重量轻，可省去笨重的电源变压器；     (5).安全可靠。一般都具有自动保护电路。3.国内外研究现状：当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。稳压电源跟随时代的发展迈入数控电源时代。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。 电源采用数字控制，具有以下明显优点: 1.易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。 2.控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。 3.控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。 4.系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。5.系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。 6.易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯)，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。 随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。第二章：稳压电源的稳压原理2.1稳压电源稳压的基本原理稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置，包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类，此研究的是线性直流稳压电源，直流稳压器的设计由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路这几个模块组成。图2-1直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2-1所示。电网供给的交流电压（220V，50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压，再用滤波器滤去其交流分量，就可以得到比较平直的直流电压。本设计主要通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V、50mA交流电，变为稳定的12V、1mA直流电，并实现输出电压可预置在0V12V之间的任意一个值连续可调。 稳压过程如下图： 图2-2 第三章：稳压电源设计方案比较和选择3.1比较并分析几种设计方案的最佳选择方案一： 利用51系列单片机设计（1）采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过转换器进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达0.1V，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。(2)设计理论此直流稳压电源共有六部分，输出电压的调节是通过“+”，“-”两键操作，步进电压精确到0.1V 控制可逆计数器分别作加，减计数，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（D/A 转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制,调整输出级，输出稳定直流电压。设计方框图如下： 图3-1缺点：电路设计比较复杂，涉及程序语言设计，相对复杂。方案二：采用可调三端稳压电源构成直流可调电源，可采用3-2图所示 图3-2三端稳压芯片LM317输出电压可以0V起调，输出公式：Vout=1.25×(1+R2/R1) 缺点：数字电位器误差较大，控制精度不够高，误差电压较大。同时更重要的是几乎所有的数字电位器能够容忍的电流都在20mA以下。方案三： 晶体管串联式直流稳压电路。 （1） 根据稳压电源稳压基本原理，可以画出下图所示的原理方框图 图3-3交流电压经整流滤波后,得到平滑的直流电压,作为稳压电路的输入电源。同时运用比较放大电路,它的核心是调整管,输出电压的稳定是管的压降相应改变,然后再经过取样电压，比较反馈，使输出电压保持稳。（2）具体设计1.取样电路:它是检测输出电压Vo的变化,把Vo的全部或部分取出来和基准电压比较并放大后来控制调整管的调整作用,使输出电压稳定。2.基准电压电路:把Vo值与恒定的电压值比较,此恒定电压的作用是作为一种基准,也称基准电压。提供恒定电压的电路就是基准电压电路.3.比较放大电路:把取样电压和基准电压相比较,用基准电压减去取样电压,得到差值电压的大小越大，输出电压Vo也就越稳定，电路的稳定系数和输出电阻就越小。4.过载短路保护电路:串联调整型的稳压电源,调整管和负载是串联的,当负载电流过大或短路时,大的负载电流或短路电流全部流过调整管,此时负载端的压降小,几乎全部整流电压加在调整管的c极和e极之间,因此在过载或短路时,调整管Vce.Ie和允许功耗超过正常值,调整管在此情况下会很快烧坏,所以在过载或短路时应对调整管采取保护,保护电路设计时应保证当负载电流在额定值内,保护电路对电源不起作用,但过载或短路时,保护电路控制调整管使其截止,输出电流为零,对负载和电源均起保护作用。由此设计出下图所示的原理电路图。 图3-4 4.1 电路运作原理通过220V/15V变压器，连接到稳压电源电路，由整流桥IBQ40整流、C1和R8平滑滤波，输出至电压调整管Q1的集电极。这个电路具有不同于其他电源的特点。电源的基准电压用一个固定增益的运算放大器U2跟一个可调电阻R6提供，它实现了电压可以从零可调，D1选用稳压值3.6V的稳压管。接通电源后运放U2的输出电压增加到使D1导通，通过R5稳定在3.6V附近，因为R3等于R1，所以U1的放大倍数为2，其输出电压是6.6V。U2的放大倍数约为2倍，根据公式A=（R2+R3）/R2，5.4V的基准电压大约能放大到超过12V，调节电位器R6可实现它的输出电压能从012V可调。电路另一个特征就是用三极管的射极输出可以大幅增大输出电流。4.2分析部分的电路原理。4.2.1 变压器 图4-1 电网提供的交流电一般为220V，而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的二次电压再去整流，滤波，和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。 4.2.1 整流电路 此电路由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。在稳压部分采用单相桥式整流原理，电路原理图和波形图如下图所示。 图4-1 图4-2利用四个二极管的单向导电性组成整流桥电路，将220V交流电压变换为单方向脉动电压。输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。克服了单相整流电路输出电压脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器含有直流部分，容易饱和；只能用于输出功率较小，负载要求不高的场合等缺点。4.2.2滤波电路 在滤波部分，采用电容滤波的方式进行滤波，实现降低输出电压的脉动成分，尽量保留直流成分的功能。电路原理图和波形图如下图所示。 图4-3 图4-4电容滤波有以下特点：1加入滤波电容后，输出电压的直流成分提高，脉动成分减小。2电容滤波放电时间常数（）越大，放电过程越慢，输出直流电压越高，纹波越小，效果越好。为了获得较好的滤波效果，一般选择电容值满足5) ，此时，输出电压的平均值。3电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小，所以电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。4.2.3 稳压电路 在图3-4中，采用串联型稳压电路，稳压部分如下图所示。 图4-5 其中稳压管的作用很重要，此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内或者在一定功率损耗范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。 压管的伏安特性图及动态电阻图如下图所示， 4-6 4-7稳压管的主要参数有以下几项： 1.稳定电压UZ ，UZ是稳压管工作在反向击穿区是的工作电压。稳定电压UZ 是挑选稳压管的主要依据之一。 2.稳定电流IZ， IZ 是使稳压管正常工作时的参考电流。若工作电流低于 IZ，则管子的稳压性能变差；如工作电流高于 IZ，只要不超过额定功率，稳压管可以正常工作。而且一般来说，工作电流较大时稳压性能较好。 图4-8 使用稳压管组成稳压电路时，需要注意几个问题。首先，应使外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，以保证稳压管在反向击穿区，如图所示。 其次,稳压管应与负载电阻并联,由于稳压管两端的电压变化量很小,因而使输出电压比较稳定.第三,必须限制流过稳压管的电流,使其不超过规定值，以免因过热而烧毁管子。但IZ的值也不能太小，若小于临界值IZmin，则稳压管将失去稳压作用。因此稳压管电路中必须接入一个限流电阻R，它的作用就是调节稳压管的电流IZ大小。 第五章：研究使用的方法。5.1仿真软件protelde j简介Protel99SE是 PROTEL公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的PROTEL最新产品已不是单纯的PCB设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。PROTEL 99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。Protel99SE设计印刷电路板的第一步就是设计电路原理图，只有正确设计电路原理图，生成相应的网络表之后才能生成PCB文件。在设计时，多采用将系统分模块设计，将各部分电路分别设计，得到各个模块电路，再通过融合，实现整体电路的设计，还可以将所有模块在一张比较大的图纸上全部画出来，但在同一张纸以模块的形式分别设计电路图这样比较容易检查错误，设计更为方便。原理图的设计相对简单，在设计完成后要先通过ERC检测无误后才生成网络表。在设计好原理图，通过ERC检查，生成了网络表之后的工作就是绘制PCB版图了。在导入网络表之前，要确定原理图中的元件在PCB元件库中都有，很多元件的封装在PCB库中都是没有的，这就要求我们自己封装所需元件。即使是PCB库中存在的，也要根据实际的元器件的尺寸进行比对，若元器件是标准的则不用新建，如果不是标准的，那就要自己新建PCB封装。 网络表成功导入PCB文件之后对器件进行布局，良好的布局降低了PCB布线的难度。布线的方式有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较高的线进行布线，输入端和输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。也可以先自动布线后再修改不满意的连线。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网。用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方与地相连接作为地线。 随着电子工业的飞速发展，电路设计越来越复杂，手工设计越来越难以适应形势发展的需要。Protel99SE以其强大的功能、快捷实用的操作界面及良好的开放性，为设计者提供了现代电子设计手段，使设计者能快捷、准确地设计出满意的电路原理图和印刷电路板，是从事电路设计的一个良好的工具4。5.2.protel的特点 （1）将原理图编辑（Schematic Edit）、印制电路板（PCB）编辑、可编程逻辑器件PLD设计、自动布线（Route）、电路模拟仿真（Sim）、信号完整性分析等功能有机地连在一起是真正意义上的EDA软件，智能化，自动化程度高。 （2）支持由上到下或由下到上的层次电路设计，使protel99SE能够完成大型、复杂的电路设计。 （3）当原理图中的元件来自仿真元件库时，可以直接对电原理图中的电路进行仿真测试。 （4）提供ERC（电气规则检查）和DRC（设计规则检查），能最大限度地减少设计错误。 （5）库元件的管理、编辑功能完善，操作非常方便。通过基本的作图工具，即可完成原理图用元件电气图形符号以及PCB元件封装图的编辑、创建。 （6）全面兼容TANGO及Portel for DOS , 即在protel99SE中可以使用、编辑TANGO或低版本Protel建立的文件，并提供了与OrCAD 格式文件转换功能。 （7）Schematic和PCB之间具有动态连接功能，保证了原理图与印制板的一致性，以便相互检查、校验。 （8）具有连续操作的功能，可以快速地放置同类型元件、连线。由于Protel具有这些特点，运用Protel能方便的对电路进行仿真，对PCB制版和布线提供极大便利。5.3 电路原理图的仿真 根据电路图3-4画出如下的仿真图。 图5-1 根据电路原理图5-1，画出如5-2所示的PCB原理图 图5-2 根据图5-2，在软件界面启用自动布线功能，自动布线如图5-3所示。 第六章：设计成品分析 这毕业设计设计我最感谢的人就是我的指导老师，黄喜老师。黄老师指出我毕业论文及设计方案中存在的问题、给了我非常有建设性的启示，使我的设计才得以顺利完成。我还要感谢我的同学，所有给过我帮助和支持的同学们，是他们在我有疑难和不解时给了我启示，从而让我完成了这毕业论文设计。参考文献： 1 康华光.电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005-7 2 李刚.集成直流稳压电路的设计D.沈阳：沈阳理工大学，2009：1-16 3 潘永雄 沙河编著 电子线路CAD使用教程（第三版）M.西安： 西安电子科技大学出版社， 2007 4 李平 030V简易可调式直流稳压电源的设计 大连理工大学 2009 5 崔瑞雪 电子技术动手实践 北京：北京航天航空大学出版社2007 6 李强 电子课程设计 2010