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1、研究生课程（论文类）试卷2 0 10 /2 0 11 学年第 1 学期课程名称： 单片机应用系统设计 课程代码： 16000021 论文题目： 程控稳压电源设计方法研究 学生： 专业学号： 控制工程 学院： 光电信息与计算机工程学院 课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期： 年 月 日课程（论文）题目： 容：要求：试设计一台程控直流稳压电源。该电源为1路032,5A输出，操作界面为LCD 4行8列中文显示，输出形式为恒压或恒流可选，输出有电压或电流保护。1.绪论电子设备都需要良好稳定的电源，而外部提供的能源大多数为交流电源，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所
2、需的各种类别直流电源的任务，转换后的直流电源应具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。我们通常称这种直流电源为稳压电源。常规的稳压电源为串联调整线性稳压电源，它通常由50Hz工频变压器、整流器、滤波器、串联调整线性稳压器组成。调整元件工作在线性放大区，流过的电流是连续的，调整管上损耗较大的功率，需要体积较大的散热器，因此该种电源体积大，且效率低，通常仅为3560。同时承受过载能力较差，但是它具有优良的纹波及动态响应特性。开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源去除了笨重的工频变压器，代之
3、以几十kHz、几百kHz甚至数MHz的高频变压器。由于调整管工作在开关状态，因而功率损耗小，效率高。目前，开关电源技术向着轻、小、薄、低噪音、高可靠、抗干扰的方向发展。新器件和新拓扑理论的出现使得开关电源日趋可靠、成熟、经济、适用。2. 稳压电源整体设计在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。稳压电源是由电源变压器，整流电路，滤波电路，和稳压电路四个部分组成的，如图1所示。 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _ （a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 0 0 0 0 t
4、t t t t （b）整流与稳压过程图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程(1) 电源变压器电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的支流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。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、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。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。
5、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。变压器副边电压： 取U2=32V变压器副边电流： 取I2=5V因此，变压器副边输出功率：P2U2xI2=160V 由于变压器的效率=0.85所以变压器原边输入功率P1 P2/=188W, 为留有余地，选用功率为200W的变压器。(2) 桥式整流电路 桥式整流电路及其输出波形如图2所示。图2 桥式整流电路工作原理简介如下：在V2的正半周，VD1，VD4导通，VD2,VD3截至，在RL上建立起上正下负的脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压器的阻，则
6、V0=V2。而在V2的负半周，二极管VD2,VD3导通，VD1,VD4截至，在负载RL上仍建立起上正下负的脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压器的阻，则V0=V2。由此可以看出，正负半周都有电流流过负载电阻RL，而且流过负载电阻的电流方向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即1/2 I2 ,电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。由于URMU2=X32=48V,IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。(3) 滤波
7、电路交流电经整流电路后可变为脉动直流电流，其中含有较大的交流分量，为了使设备能用上纯净的直流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成份。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联上电容器C，或在负载中串联上电感器L，或由电容，电感组合而成的各中复式滤波电路。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流： （I2是变压器副边电流的有效值）。RC滤波电路如图3所示：图3 RC型滤波电路电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。(4) 稳压电路 经过整流和滤波后的直流电压，会由于交流电网电压的波动以及负载电阻的变动而发生变化。在绝大多数情况下，
8、这种输出电压的变化波动显得太大，仍需要进一步对其稳定，这就需要采用稳压电路。通常，完整的稳压电源电路包括有整流、滤波、和稳压电路。简单的反馈型晶体管稳压电路，是直接利用输出电压的变化量来控制调整管的电压变化的，所以其灵敏度和电压稳定性都不够理想。采用带放大器的稳压电路，可以弥补这些不足。图4是一个带有放大器的典型电路，图中VT1是调整管，接成射极输出器的形式，负载电阻是它的射极电阻。R1、R2与并联组成分压器，起到取出输出电压的作用，叫做取样电路。VD是硅稳压二极管，它与限流电阻R3一起组成基准电压源。VT2是比较放大器，R4是它的集电极电阻，同时也是管的偏流电阻。晶体管把从取样电路送来的输出
9、电压上升或下降的变化信号与基准电压相比较，并把比较结果产生的差值电压（或者叫做误差电压）加以放大，以此来控制调整管的管压降，从而使输出电压基本保持稳定。因为放大器的作用，很小的输出电压的变化，反应到调整管上就有比较大的变化，大大提高了调整管的灵敏度，提高的输出电压的稳定性。图4 串联反馈型晶体管稳压电路当输入电压下降或负载增大时，输出电压减小，取样电压相应的减小，管基极电位也随之减小，因为硅稳压管两端的电压基准不变所以管的基射极之间的电压（-）减小，于是管的集电极电流减小，R4两端的压降变小，迫使调整管的基射极间的电压（-）增大，增大，管的压降下降，结果使得输出电压（-）上升，从而使输出电压基
10、本恢复到原来的数值。同理，当输入电压上升或负载变小时，升高，当经过反馈调整作用又会使下降，从而使输出电压基本保持不变。以上是对直流稳压电源的核心技术进行的介绍。本次毕设题目是程控稳压电源，硬件核心就是以上介绍的三个部分。首先，利用变压器进行市电到所需电压的转变，在设计中采用220V32V的变压器，将市电电压降低，之后采用桥式整流电路，对电压进行整流。一方面，桥式电路使用方便简单，另一方面，有现成的集成元件可用。滤波方面采用简单的型RC滤波电路即可。因为设计的电路比较简单，且直流要求较强，所以选用型RC滤波电路。稳压方面选用串联反馈型稳压电路，在比较放大方面选用集成运方代替晶体管，使得电路更加方
11、便，简单，而且稳定可靠。 整体电路如图5所示：图5 整体电路图3硬件部分外围电路设计外围电路包括程控部分（包括D/A和A/D数据转换部分），保护电路部分，数码管显示部分，按键控制部分。其中，程控，D/A和A/D是系统的调整核心部分，基准电压的输出和反馈电压的接受与调整都是靠它们来完成。保护电路是保护硬件部分安全的，确保硬件不会因电流过大而毁掉。显示部分是反馈给人信息的部分，通过它可以用来调整所需电压，而且可以知道输出的是否是自己的所需。(1) 程控部分本设计采用了AT89C51作为系统的核心。通过控制D/A转换来输出基准电压，通过控制A/D转换来读取反馈电压，并自动调整D/A的输出来使输出电压
12、稳定，达到程控稳压的目的。(2) 保护电路部分保护功能的作用是：在稳压电路正常工作的情况下，保护电路对稳压电路基本上没有影响。当电路发生异常时，保护电路起作用。稳压电源的保护功能基本上有两种，其一，过流或短路保护，这是为防止稳压电源输出过载或短路时流过调整管的电流过大而造成调整管损坏。其二，过电压保护，这是为了防止稳压电源出现异常时输出过大电压而损坏伏在。另外，还有过热保护。保护电路如图6所示：图6 稳压管保护电路电路中的R为检测电阻，用以检测输出电流的大小，D为低压硅稳压管，可以在必要的时候对调整管基极电流起到分流的和限制的作用。当输出电流小于一定值时，*R,稳压管D的外加电压小于其反向击穿
13、电流，D截至，对整个电路不起无影响；当输出电流大于设定值时，*R，该稳压管被击穿，起到稳压作用，使得 *R稳定值，并不再起变化。此时，限制稳压管得最大输出电流为（-）/R.。式中为保护稳压管得稳定值，为调整管发射结正电压，R为检测电阻。对于硅管，约等于0.7伏左右，为使R不致损耗太大得输出功率，其值不应过大，可见也不应过大，通常为12伏左右。4结论 本文给出了一个程控稳压电源的解决方案，初步设计了能够人为控制输出，输出围在032V之间的程控稳压电源。 该系统硬件部分由220V输入，32V输出变压器、桥式整流电路、型RC滤波电路、三端可调式集成稳压电路组出核心模拟电路部分，由单片机、D/A芯片A/D芯片组成数控电路，外围电路包括数码管显示部分、按键部分、保护电路部分。
