1、宜宾学院毕 业 设 计专 业：电子工程学生姓名：曾林芳指导教师：李庆 设计题目：直流稳压电源1摘 要直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。直流稳压电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使直流稳压电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要以半桥变换电路为开关电源的主电路，设计一台品质优良的直流开关稳压电源。直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而
2、开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。直流高压稳压电源的长期稳定性主要受温度的影响，文中分析了直流高压稳压电源的构成原理，建立了温度稳定性的数学模型，给出了精确和可行的定量计算方法，并应用到具体的实例中加以验证，说明了该模型的应用价值，对直流高压稳压电源的设计具有理论指导作用。关键词：稳压器 半桥变换电路 数学模型 应用价值abstract of a thesisDc regulated power supply with the c
3、haracteristics of high efficiency, small volume, light weight, obtained the rapid development in recent years. Dc regulated power supply high frequency is its development direction, high frequency, the miniaturization of switch power supply, dc regulated power supply and to enter into a wider range
4、of application fields, especially in the high and new technology in the field of application, promoted the high-tech products of miniaturization, light change. This article mainly to transform half bridge circuit for the main circuit of switching power supply, design a high quality of dc regulated p
5、ower supply switch.Dc switching voltage stabilizer used in high-power switching devices more expensive, the control circuit is also more complex, in addition, the switching voltage stabilizer load is usually with a high degree of large integrated device installed electronic systems. The transistor a
6、nd the integrated device resistance electric and thermal shock ability is poor. Thus switching voltage stabilizer protection should take into account voltage regulator itself and the safety of the load. Many different kinds of protection circuit, introduced here polarity protection, procedure protec
7、tion, over current protection, over-voltage protection, under voltage protection and overheat protection circuit.Usually chooses to combine several protection methods, improve the protection of the system. Dc regulated power supply high long-term stability is mainly affected by temperature, this pap
8、er analyses the composition of dc regulated power supply high principle, has established the mathematical model of temperature stability, accurate and feasible quantitative calculation method is given, and applied to the concrete instance verified, illustrates the application value of the model, the
9、 design of dc regulated power supply high with theoretical guidance.Keywords: voltage stabilizer and a half bridge transformation circuit mathematical model of applied value2目录第一章 直流稳压器原理 .3第二章 直流稳压电源简介 .62.1 直流稳压电源的构成 .62.2 直流稳压电源的分类 .62.3 直流稳压电源的技术指标 .7第三章 直流稳压电源的设计 .83.1 设计目的及要求 .83.2 设计步骤及思路 .93
10、.2.1 直流稳压电源设计思路 .103.2.2 直流稳压电源原理 .83.2.3 总体电路图 .83.3 单元电路设计与原理说明 .93.3.1 电源变压器 .103.3.2 整流电路 .123.3.3 滤波电路 .133.3.4 稳压电路 .133.3.5 元器件选择和电路参数计算说明 .153.4 电路板的设计 .16第四章 电路仿真 .184.1 测试要求 .184.2 测试结果和计算结果分析 .184.3 电路的误差分析与改进 .19附表：见最后3第一章 直流稳压器原理直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目
11、的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图 1 所示。由于二极管 D 要流过开关稳压器的输入总电流,因这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否。一、极性保护 直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以
12、实现电源的极性保护。简单的极性保护电路如图 1 所示。由于二极管 D 要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否,在图 1 中的二极管后,接指示灯。二、程序保护开关稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功的开关部分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入
13、滤波器在开机瞬间,滤波电容器会流过。很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,近年来，随着微机、中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关稳压电源具有以下的一些优越性:1）效率高开关稳压
14、电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小，因此功率消耗小而效率高，通常可达到 80%-90%以上。功耗小使得机内温升亦低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。4而传统的线性稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过调整管，因而损耗大，效率低，一般只在 50%左右，功率等级也比较低。2）稳压范围宽从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的，因而调压范围小。开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，在交流电压变化较大时，开关稳压电源仍能达到很好的稳压效
15、果。3）体积小重量轻开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行 PWM 控制，这样可省去笨重的电源变压器(为了和高频变压器相区别，电源变压器又称为工频变压器)，使电源的体积大大缩小，重量减轻。在隔离式开关电源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。4）安全可靠开关稳压电源一般都有辅助电路，以提供自动保护功能。正因为直流稳压电源有着这多方面的优点,所以对它的研究有着重要的意义,这不仅是对自己所学知识的总结，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。稳压电源的核心元件是 LM337，它是一片大电流可调稳压集成电路， 。该集成电路在采用一般接法时，其输出电压范围是 1237V
16、。为了进一步拓宽其输出电压的范围，本电路对其传统应用电路进行了一些改进。现简单介绍如下：LM337 要求输入、输出端最大电压差不能超过 40V，这就限制了它的最高输出电压。当电源输出电压较低、电流比较大时，功耗全部消耗在 LM337 上，造成集成电路发热严重。为了解决这个问题，在本电源的设计中，将 LM337 输入端电压改为分段可调型。由开关 K1-2 控制 JIJ9 这九个继电器，将不同的交流电压切换到整流桥的输入端，整流后得到高低不同的直流电压输入到 LM337 中，这样就降低了稳压块的输入电压，同时开关 K11 同步切换 LM337 调整端的分压电阻，使调整端的基准电压不断改变，输出端电
17、压就以每档 5V 的规律变化。这样一来 LM337 的输入、输出电压差就被限制在一个较小的范围内。不但降低了稳压集成电路的损耗，而且提高了最大输出电压。LM337 在内部设有 12V 的基准电压，而输出电压要比调整端电压高，这样就使 LM337 的输出电压最低只能是 12V。为使其输出电压能从零开始，本电源设计用 R10、DW2 等元件组成-12V 的基准电压，使 LM337 的调整端电压降至-12V，这样既保证了输出端比调整端高的要求，又能使输出电压从零伏开始。如果稳压集成电路的输入端接入较高的电压，而输出端恰好是空载，此时开机，LM337 很容易由于过电压而在瞬间损坏。为了解决这个问题，在
18、 LM337 的输入端加5入了由 VT1 组成的输入电压限制电路，实际上就是一个射极跟随器，用这个电路保证 LM337 的输入输出电压差最高为 5V，从而避免了因过电压损坏集成电路。主要是用来保护 LM337 不被击穿，选 27V、1W 的稳压管即可，DW2 稳压值为12V，可选用 2CW100 或 2CW50，也可以用两只 2CK2 串联起来代替，但要注意接入的极性（正好与图 1。1 中相反） 。D1D4 使用参数大于 6A 耐压 100V 的整流二极管或全桥。电源变压器 T 的功率要大于 300V。稳压集成电路的型号 LM337K，要用金封的。J1J9 选用优质 6V 小型继电器，触点电流
19、要大于 5A。输出电压微调电位器 W选用 WXD3-13 精密多圈线绕电位器。电压档位选择开关 K1 选用 2X9 的小型波段开关。R为电流表取样电阻，可根据所选用的表头灵敏度不同，截取一定长度的导线绕制，如果要提高输出电压显示精度，可将电压表 V 换成市售成品数字式直流电压表图 1.2 管脚分布该电源的技术参数：直流稳压输出范围 DC 024V：最大输出电流 3A；电压调整率 0001V；纹波系数 0002：等效内阻015；稳压系数 0.005。第二章 直流稳压电源简介2.1 直流稳压电源的构成许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电源，实验室更需要独
20、立的直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源变压器把 50Hz 的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即波纹电压） ，是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。2.2 直流稳压电源的分类6直流稳压电源的发展已有几十年的历史，已从分立器件发展到集成电路。集成稳压电路具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率
21、集成电路的发展，集成稳压电路已有多个品种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品，已成为直流稳压电源的主流产品，特别适用于小型电子设备使用。目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类：1、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压，例如，1 只电阻和 1 只稳压管即可构成参数型稳压器。反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件与负载并联的称为并联式稳压
22、器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。2.3 直流稳压电源的技术指标稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，前者标识稳压电源的功能又称试用指标，后者反映了稳压电源质量的优劣。1、特性指标2、输入电压及适用范围。3、输出电压及输出电压调整范围4、额定输出电流（指电源正常工
23、作时的最大输出电流）以及过流保护电流值。（1）电压调整率负载电流 0 及温度 T 不变而输入电压 U1变化时，输出电压 U0的相对变化量U 0/U0与输入电压变化量U 1之比值，称为电压调整率，即 00%TIIS一般直流稳压电源的电压调整率 SU为 1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。电压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化时，输出电压的变化量U 0，单位为毫伏。%10（2）稳压系数7稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即 00TIIrUS式中，U 1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。一般情况下 S 在 10-
24、210-4数量级。显然，S 越小稳压电路输出电压的稳定性r r越好。（3）负载调整率（亦称电流调整率）在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百分数表示 00max%1TIIUS（4）输出电阻（内阻）当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R0，亦称内阻，即R0= 0TUiI其单位为欧。R 0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。R 0越小负载能力越强，一般 R01 。（5）最大纹波电压与纹波抑制比叠加在输出电压上的交流分量的峰峰值称为最大纹波电压U ，一般为毫PI伏级。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压
25、也越大。因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。纹波抑制比 SR定义为稳压电源输入纹波电压峰峰值U 与输出纹波电压峰PI峰值U 之比，并取对数，即PISR=20 lg P-OIU单位为分贝（dB） 。在质量指标中第（1） 、 （2）项是描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标，第（3） 、 （4）项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标，第（5）项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。第三章 直流稳压电源的设计83.1 设计目的及要求（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）学会直流稳压电源的设计方法
26、和性能指标测试方法。（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。（4）设计并制作一个开关稳压电源，主要技术指标要求：该电源的技术参数：直流稳压输出范围 DC 024V：最大输出电流 3A；电压调整率 0001V；纹波系数 0002：等效内阻015；稳压系数 0.005。（5）设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。（6）自拟试验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。（7）批准后，进行组装、调试，并测试其主要性能参数。3.2 设计步骤及思路3.2.1 直流稳压电源设计思路电网供电电压交流 220V（有效值）50Hz，要获得低压
27、直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大） 。脉动大的直流电压须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载 RL。3.2.2 直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图 3.1。9T工 频 交 流 脉 动 直 流 直 流整流 滤波 稳压 负载图 3.1 直流稳压电源方框图其中：电
28、源变压器：是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变化由变压器的副边电压确定。整流电路：利用单向导电元件，把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。常用的整流电路有：1、半波整流电路半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压 V 只有半个周期可以到达负载，造成负载电压 V 是单方向的脉动直流电压。2、全波整流整流电路利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。全波整流的特点：输出电压 V 高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。3.2.3 总体电路图图 3.2 总电路图 图 3.3 实物电路图3.3 单元电路设计与原理说明
