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1、1 总体电路设计1.1 设计要求和整体电路图1.1.1 设计任务分析该设计课题要求有三档直流电源输出，分别为12V、+5V、+3+9V三种不同的电压值。并且采用220V交流供电，初步设想需要变压器，使220V交流转换成低电压交流信号。再经过整流电路，将交流信号转变为直流信号，最后经过滤波与稳压，最终输出三档直流信号，达到设计的初步要求。在设计过程中，纹波电压Vop-p5mV是十分难办到的，需要在滤波过程中注意。1.1.2 整体电路图根据设计任务，电路流程图如下：图1.11各流程模块输出电压波形：图1.12流程图模块说明：电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压
2、u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压uo的稳定。1.2 电路方案选择1.2.1 采用分立元件与集成稳压器件的比较集成稳压电源中，集成电压调整器和开关电源集成控制器的电路形式与分立元件电路路大体相同，例如，串联线性集成电压调整器基本上也是由取样、比较放大、基准源、调整电路等部分所组成，但作为集成电路还有一些使串联线性集成电压调整器在电路形式上与分立元件电路有所不同的特点：一、在集成电压调整器的电路中，比较放大部分均采用对称性好、温漂小的差动放大电路，以利于提高其质量。二、集成电压调整器的输出功率大都
3、超过1W，所以，它是一种功率集成电路。要使它具有良好的技术性能，热效应是一个必须考虑的重要因素。这就要求在基准电压源(参考电压源)设计时，必须设置零温度系数的输出基准电压(或参考电压)。三、集成电压调整器的电路小，除限流、短路、安全工作区等保护外，为防止热破坏，还应有热保护电路，即热关断电路。四、因为就集成电路而言，多增加几只晶体管并不难，因此，为了提高其电性能，往往把集成电压调整器的电路设计得比分立元件电路稍微复杂一些。五、为了扩大应用范因，在集成电压调整器的电路设计中，必须考虑使其具有外接元件的灵活性。六、由于集成电路自身的特点，在进行电路设计时，一方面应尽量采用晶体管，少用电阻、电容，避
4、免电感；另一方面，其性能应仅仅同电阻相对值有关即电阻比值有关，避免与电阻绝对值有关。七、分立元件结构简单，可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，完全能够达到技术参数的要求，造价成本低，精确度不是太高。八、集成稳压器件稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件，元器件先进，技术成熟，完全能达到题目要求，性能较方案一需优越一些，但成本高。综上分析，按照本设计课程的要求，采用分立元件设计电路成本低，易于购置。但是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可以实现，且难得达到设计要求，故采用集成稳压器件设计电路。1.2.2 用三端稳压芯片设计方案选择1 电路工作原理由电源变压器将电
5、网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压，整流二极管组成单相桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，再经滤波电容滤除纹波。经过稳压器件，可调式三端稳压器能输出连续可调的直流电压，LM7805输出+5V直流电压，LM7912和LM7812组成双12V电源输出。2 电路整体原理图根据方案，选择图1.21的电路原理进行设计制作：图1.2-11.3 电路模块设计和元器件参数选择1.3.1 变压器模块由一挡的性能指标要求得令副边电压为18V，副边电流I2100mA则令其为0.5A所以副边功率P29W，又n=0.7，所以原边功率要大于12.9W。由二挡的性能指标要求得令副边电压为15V，复
6、变电流I2300mA，则令其为0.5A，所以复变功率P28W，又n=0.7，所以元变功率要大于11.4W。由三挡的性能指标要求得由公式可得输入电压Ui的范围为：Uomax+(Ui-Uo)minUiUomin+(Ui-Uo)max9V+3VUi3V+40V12VUi43V副边电压U2Uimin/1.1=12/1.1V，取U2=15V，副边电流I2Iomax=0.2A，取I2=0.5A，则变压器副边输出功率P2I2U2=8W。由变压器的效率为0.7，则原边输入功率P1P2/n=11.4W。为留有余地，选功率为20W的电源变压器。以上三挡的要求选择功率为20W的电源变压器。在满足以上三档功率后，为能
7、同时满足三档输出，且12V输出需要双端电源输出，则采用双18V输出变压器。根据LM7805和LM317的输入要求，需要采用LM7815稳压后，再进行稳压，可以使集成稳压器正常工作。综上所述，采用双18V输出20W变压器能过胜任实验要求设计。变压之前的电压图1.3-1变压之后的电压图1.3-21.3.2 整流模块半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载
8、，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。因此本电路采用桥式整流电路。单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图(a)所示。图(b)所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。无论电压u2是在正半周还是在负半周，负载电阻RL上都有相同方向的电流流过。因此在负载电阻RL得到的是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形如图所示。图1.33图1.34 图1.351.3.3 滤波模块滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电源电压(或电流)增加时，电容(或电感)把能量储存在电场(或磁场)个；当电源电压(或电流)减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了
9、输以电压(或电流)中的脉动成分得到比较平滑的直流电压。实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波电路(包括倒L型、Rc型、LC型滤波)等。电容滤波电路图1.36滤波原理如图：图1.37电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。图1.38只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。电容滤波电路的特点：（1）输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大近似估算:Uo=1.2U2RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短iD的峰值电流越大（2）
10、流过二极管瞬时电流很大。（3）输出特性(外特性)，输出波形随RL或C的变化而改变，Uo和S也随之改变。图1.39结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。滤波电容C可由纹波电压V0p-p和稳压系数Sv来确定。已知V0=15V，Vi=18V，V0p-p=5mV，Sv=0.005，则Vi=V0p-p*Vi/(V0*Sv)=1.2V，则C=Ict/Vi=1500F。电容C的耐压应大于U2=15.4V。为留有余量，故取一只4700F/50V的电容。1.3.4 稳压模块三端集成稳压器的内部原理框图如图421所示。可见它也是采用了串联式稳压电源的电路，并增加了启动电路和保护电
11、路，使用时更加可靠。为了使集成稳压器长期正常地工作，应保证其良好地散热条件，金属壳封装的一般输出电流比较大，使用时要加上足够面积的散片。图1.3101.集成稳压器的主要参数有：（1）最大输入电压Uimax，当整流滤波电路输出电压超过Uimax时，可能使稳压器的输出电压不能稳定在额定值。（2）输出电压UO，三端集成稳压器分为固定正输出和固定负输出两类。（3）最大输出电流Iomax，不同型号的三端集成稳压器Iomax为0.22A。第一档输出+12V和-12V电压电路如图：图1.311第二档输出+5V电压电路如图：图1.312第三档可调式39V集成稳压电路如图：图1.313UO=39V连续可调。IO
12、M=1.5A，IOmin5mALW317的UREF固定在1.2V，IADJ=50A，忽略不计。UO=1.25（1+R1/R2）V。可调式三端稳压器输出连续可调的直流电压。常见产品有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，可调范围为1.237V，最大输出电流I0max为1.5A。稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、应用方便、性能优良等特点。CW317与CW337系列的引脚功能相同。2.单元电路的设计、元器件的选择及其参数值选集成稳压器，确定电路形式选可调式三端稳压器LM317，其特性参数V0=+1.2
13、V+37V，I0max=1.5A，最小输入输出压降（Vi-V0）min=3V，最大输入输出压降（Vi-V0）max=40V，均满足性能要求其接法如下：1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。改变Rp阻值即可调整稳压电压值。C11用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激高频震荡和抑制电路引入的高频干扰，输出电容C10是电解电容，以减少稳压电源输入端由输入电源引入的低频干扰，D3用于保护LM317。组成的稳压电源电路如下图所示。取R1=240，由式V0=1.25*（1+RP1/R1）可得RP1min=336，RP1max=1.49k，故取RP1为2k的精密线
14、绕可调电位器。图212 仿真结果及分析如图2-2，选择参数后，进行电路图设计制作，当滑动变阻器为25%，输出电压如下：图2-2可调电压输出为9.117V，双12输出和+5输出正常当滑动变阻器为85%，输出电压如下：图2-3可调输出为2.834V，双12V输出与+5V输出正常3 数据分析及性能评价稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。1.输出电压U0和最大输出电流Iomix的测量。稳压电源正常工作
15、时能输出的最大工作电流，用Iomax表示，一般情况下的工作电流IoIomax时损坏稳压器。2.输出电压同时测量Vo与Iomax。测试过程是：输出端接负载RL，输入端接220V的交流电压数字电压表的测量值为Vo；使RL逐渐减小，直到Vo的值下降5%，此时流经负载RL的电流即为Iomax。3.纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。4.稳压系数S的测量稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即：Sv=(V-Vo)/(Vi/VI)电压调整率：输入电压相对变化为10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。5.输出电阻及电流调整率输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对
