集成直流稳压电源的设计学位论文.doc

直流稳压电源摘要：21直流稳压电源的整体分析21.1直流稳压电源的基本组成21.2各部分电路的作用：21.3直流稳压电源的具体整体电路图：32. 变压器53.整流电路53.1单相半波整流电路53.2单相桥式整流电路64.滤波电路84.1电容滤波电路84.2电感滤波95稳压电路105.1稳压电源的技术指标105.2稳压电路的类型115.2.1硅稳压管组成的并联型稳压电路115.2.2串联型晶体管稳压电路125.2.3集成稳压器及应用135.2.4固定输出的三端稳压器145.2.5三端可调输出稳压器146.结论：157致谢：15参考文献：15 集成直流稳压电源的设计【摘要】 介绍市电在经变压器变压后，再经桥整整流、电容滤波、然后经三端稳压器稳压的直流稳压电源电路。【关键词】 整流、滤波、稳压电路。目前，各种直流电源产品充斥着市场，电源技术已经比较成熟。然而，基于成本的考虑，对于电源性能要求不是很高的场合，可采用带有过流保护的集成稳压电路，同样能满足产品的要求。过流保护电路作为电源电路中不可缺少的一个组成部分 ，一般常用的有硅稳压管组成的并联型稳压电路、串联型晶体管稳压电路、 固定输出的三端稳压电路、三端可调输出稳压器。1直流稳压电源的整体分析1.1直流稳压电源的基本组成直流稳压电源电路一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四大部分组成，如下图所示。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。 直流稳压电路组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 直流稳压电路的各个部分的输出波形图1.2各功能模块电路的作用（1）交流电压变换电路模块。一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。（2）整流电路模块。整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。（3）滤波电路模块。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑 ，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。（4）稳压电路模块。尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。1.3直流稳压电源的具体电路图及工作原理 D6 D1 D4 CW317 保险丝 C R D5u1 D2 D3 C1 Co Uo 220V C2 Rw 图 1 直流稳压电源电路具体电路及工作原理图工作原理：电网电压U1经过变压器T变压合适的交流电压U2，U2经过桥整D得到脉动直流电压U2，此时直流电压U2的电压波形还不平直，U2再通过滤波电容C进行滤波得到平滑的直流电压U3，U3再经过可变稳压管LM317 再经过C1和C0的充分滤波得到了稳定的的可调电压U0输给负载RL。D1为保护稳压器的元件，R1和R2组成电压调节电路，电容C1、用来实现频率补偿，C0用来抑制稳压电路的自激振荡，C1一般为0.33f， C2一般为1F。 图1中，取C1 = 0.01F，C2 =10F，C0 = 1F，R1 = 200，RW = 2k，二极管用IN4001。在图1电路中，和组成输出电压调节电路，输出电压 ，取，流过的电流为。取，则由，可求得：，故取为的精密线绕电位器。 1） 选择电源变压器由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值，故CW317的输入电压范围为： 即 ， 取 变压器副边电流： ，取，因此，变压器副边输出功率： 由于变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为的变压器。2） 选用整流二极管和滤波电容由于：，。IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。根据 ，和公式可求得： 所以，滤波电容： 电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。2 变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，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效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。3整流电路 整流电路主要有三种：单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流。这里主要介绍单相半波整流和单相桥式整流。3.1单相半波整流电路 半波整流电路。电路如实图1所示，整流器件是二极管，利用二极管单向导电特性，即可把交流电变成直流电， 经过半波整流在没有滤波情况下得到UO=0.45U2。 图 1半波整流电路图单相半波整流电路电压、电流的波形如图2所示： 图 2单相半波整流电路电压、电流的波形图在图2所示波形电路中，负载上得到的整流电压是单方向的，但其大小是变化的，是一个单向脉动的电压，由此可求出其平均电压值为由于流过负载的电流就等于流过二极管的电流，所以脉动系数S是衡量整流电路输出电压平滑程度的指标。由于负载上得到的电压Uo是一个非正弦周期信号，可用付氏级数展开为脉动系数的定义为最低次谐波的峰值与输出电压平均值之比，即单相半波整流电路的特点是结构简单，但输出电压的平均值低、脉动系数大。 3.2单相桥式整流电路为了克服半波整流电路电源利用率低，整流电压脉动程度大的缺点，常采用全波整流电路，最常用形式是桥式整流电路。它由四个二极管接成电桥形式，如图3（a）所示。图3桥式整流电路图在图3（a）所示电路中，当变压器次级电压u2为上正下负时，二极管V1和V3导通，V2和V4截止，电流i1的通路为aV1RLV3b，这时负载电阻RL上得到一个正弦半波电压如图3(b)中（0）段所示。当变压器次级电压u2为上负下正时，二极管V1和V3反向截止，V2和V4导通，电流i2的通路为bV2RLV4a，同样，在负载电阻上得到一个正弦半波电压，如图3（b）中（2）段所示。 图 3（b）桥式整流电路波形图输出电压平均值Uo。由以上分析可知，桥式整流电路的整流电压平均值Uo比半波整流时增加一倍，即直流电流Io。桥式整流电路通过负载电阻的直流电流也增加一倍，即 二极管的平均电流iV。因为每两个二极管串联轮换导通半个周期，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即 脉动系数S。全波桥式整流输出电压uo的付氏级数展开式为由以上分析可知，单相桥式整流电路，在变压器次级电压相同的情况下，输出电压平均值高、脉动系数小，管子承受的反向电压和半波整流电路一样。虽然二极管用了四只，但小功率二极管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用。4滤波电路4.1滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。4.2电容滤波电路 电容滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电容C一般取值较大，约1000mF以上。 图4桥式整流+电容滤波电路图该电路工作原理：设U2=U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数td=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。与此同时，U2仍按U2sinwt的规律上升，一旦当U2UC 时，D1、D3导通，U2D3CD1对C充电。然后，U2又按U2sinwt的规律下降，当U2UC 时，二极管均截止，故C又经RL放电。不难理解，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取RLC(35)T/2 式中，T为交流电源电压的周期。b）RL越小输出电压越小。若C值一定，当RL®，即空载时有UL0=U21.4 U2当C=0，即无电容时有UL00.9 U2当整流电路的内阻不太大（几W）和电阻RL电容C取值相应条件时，有UL0(1.11.2)U2 总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。利用电容滤波时应注意下列问题：(1)滤波电容容量较大，一般用电解电容，应注意电容的正极性接高电位，负极性接低电位。如果接反则容易击穿、爆裂。（2）开始时，电容C上的电压为零，通电后电源经整流二极管给C充电。通电瞬间二极管流过短路电流，称浪涌电流。一般是正常工作电流Io的（57）倍，所以选二极管参数时，正向平均电流的参数应选大一些。同时在整流电路的输出端应串一个阻值约为（0.020.01）R的电阻，以保护整流二极管。4.3电感滤波电感滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电感L一般取值较大，约几H以上。 桥式整流+电感滤波电路图电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原理电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。关于电感滤波电路的几点结论：a）L越大、RL越小，输出电压纹波越小。b）忽略电感内阻，UL0=0.9U2（理论值）。c）电感滤波适用于低电压、大电流的场合。d）工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁辐射强，因此一般少用。5稳压电路5.1稳压电源的技术指标稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。·对稳压电源的性能，主要有以下几个万面的要求 1稳定性好 当输入电压Ui（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压U0 的变化应该很小一般要求U0/U。1%由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S 来表示：S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为 ，S=(U0 / UO)/(Ui / Ui)=(U0 / Ui)×(Ui / U0)2.输出电阻小 负载变化时（从空载到满载），输出电压U0 应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻（又叫等效内阻）r0表示，它等于输出电压变化量和输出电流变化量之比的绝对值，即。r0=|U0/I0| r0 反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，r0越小，则I0 变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至001欧。 3.电压温度系数小 当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示. 5.2稳压电路的类型通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的，当网电压波动或负载电流变化时，输出电压会随之改变。电子设备一般都需要稳定的电源电压。如果电源电压不稳定，将会引起直流放大器的零点漂移，交流噪声增大，测量仪表的测量精度降低等。因此必须进行稳压，目前中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电路、串联型稳压电路、集成稳压电路及开关型稳压电路。以下主要介绍这些类型的稳压电路。5.2.1硅稳压管组成的并联型稳压电路电路组成及工作原理： 硅稳压管组成的并联型稳压电路如图5.1所示，经整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电压Ui，限流电阻R和稳压管V组成稳压电路，输出电压Uo=UZ。图5.1稳压管稳压的直流电源电路 在这种电路中，不论是电网电压波动还是负载电阻RL的变化，稳压管稳压电路都能起到稳压作用，因为UZ基本恒定，而Uo=UZ。下面从两个方面来分析其稳压原理：（1）设RL不变，电网电压升高使Ui升高，导致Uo升高，而Uo=UZ。根据稳压管的特性，当UZ升高一点时，IZ将会显著增加，这样必然使电阻R上的压降增大，吸收了Ui的增加部分，从而保持Uo不变。 反之亦然。 （2）设电网电压不变，当负载电阻RL阻值增大时，IL减小，限流电阻R上压降UR将会减小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以导致Uo升高，即UZ升高，这样必然使IZ显著增加。由于流过限流电阻R的电流为IR=IZ+IL，这样可以使流过R上的电流基本不变，导致压降UR基本不变，则Uo也就保持不变。 反之亦然。在实际使用中,这两个过程是同时存在的，而两种调整也同样存在。因而无论电网电压波动或负载变化，都能起到稳压作用。硅稳压管组成的并联型稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。稳压电路参数确定（1）限流电阻的计算。稳压电路要输出稳定电压，必须保证稳压管正常工作。因此必须根据电网电压和负载电阻RL的变化范围,正确地选择限流电阻R的大小。从两个极限情况考虑，则有 当Ui为最小值，Io达到最大值时，即 Ui=Uimin，Io=Iomax,这时IR=(Uimin-UZ)/R。 则IZ=IR-Iomax为最小值。为了让稳压管进入稳压区，此时IZ值应大于IZmin， 即IZ=(Uimin-UZ)/R-IomaxIZmin,当Ui达最大值，Io达最小值时，Ui=Uimax， Io=Iomin,这时IR=(Uimax-UZ)/R，则IZ=IR-Iomin为最大值。为了保证稳压管安全工作，此时IZ值应小于IZmax，即IZ=(Uimax-UZ)/R-IominIZmax，则所以限流电阻R的取值范围为 在此范围内选一个电阻标准系列中的规格电阻。 2）确立稳压管参数。一般取5.2.2串联型晶体管稳压电路并联型稳压电路可以使输出电压稳定，但稳压值不能随意调节，而且输出电流很小， Iomax=（1/32/3）IZmax，而IZmax一般只有2040mA。为了加大输出电流，使输出电压可调节，常用串联型晶体管稳压电路,如图5.2所示。 图5.2串联型晶体管稳压电路图图5.2（a）是由分立元件组成的串联型稳压电路，当电网电压波动或负载变化时，可能使输出电压Uo上升或下降。为了使输出电压Uo不变，可以利用负反馈原理使其稳定。假设因某种原因使输出电压Uo上升，其稳压过程为UoUb2Ub1（Uc2）Uo。串联型稳压电路的输出电压可由Rp进行调节。式中，R=R1+Rp+R2, Rp是RP的下半部分阻值。5.2.3集成稳压器及应用集成稳压器将取样、基准、比较放大、调整及保护环节集成于一个芯片，按引出端不同可分为三端固定式、三端可调式和多端可调式等。三端稳压器有输入端、输出端和公共端（接地）三个接线端点，由于它所需外接元件较少，便于安装调试，工作可靠，因此在实际使用中得到广泛应用。其外形如图5.3所示。 图5.3 三端固定试和可调试稳压器5.2.4固定输出的三端稳压器常用的三端固定稳压器有7800系列、7900系列，其外型如图5.3所示。型号中78表示输出为正电压值，79表示输出为负电压值，00表示输出电压的稳定值。根据输出电流的大小不同，又分为CW78系列，最大输出电流11.5A；CW78M00系列，最大输出电流0.5A；CW78L00系列，最大输出电流100mA左右，7800系列输出电压等级有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815，表明输出+15V电压，输出电流可达1.5A，CW79M12，表明输出-12V电压，输出电流为-0.5A。5.2.5三端可调输出稳压器前面介绍78、79系列集成稳压器，只能输出固定电压值，在实际应用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列为可调输出稳压器，其外型如图5.3所示。 在图5.3所示电路中CW317是三端可调式正电压输出稳压器，而CW337是三端可调式负电压输出稳压器。三端可调集成稳压器输出电压为1.2537V，输出电流可达1.5A。 图5.4可调式稳压电源电路图CW317的基本应用电路如图5.4所示，它只需外接两个电阻(R1和RP)来确定输出电压。为了使电路正常工作，它的输出电流不应小于5mA，调节端的电流约为50A，输出电压的表达式为 在上式中RP阻值很小,可忽略，由此可得 图5.4所示电路中C1为预防自激振荡产生,C2用来改善输出电压波形。综上所述，各种稳压电路都有其特点，我们应该采用LM317集成稳压器设计的小功率，其电路结构简单，效率高，成本低，输出电压性能好，有着很好的应用前景。6结论（1）交流电压变换部分。一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。（2）整流部分。整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。（3）滤波部分。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑 ，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。（4）稳压部分。尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。7致谢通过本次毕业设计，我在尹立贤系主任的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对集成直流稳压电源方面有了一定的了解，集成直流稳压电源领域这对我今后进一步学习这方面的知识有极大的帮助。另外,此次毕业设计还获得了信息工程系各位同学和老师的大力支持。在此，我衷心感谢尹立贤系主任以及信息工程科系各位老师的指导和支持。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位老师。【参考文献】1 魏汉勇.模拟电子技术基础， 华中科技大学出版社，20042 3 4 5 6 7 15