电子CAD设计报告规范文档—12V双极性电源的设计分析.doc

电子线路CAD综合训练课程设计报告题 目 12V双极性稳压电路 学 号 3110431031 班 级 电子112班 学 生 赵 锐 指导教师 杨 媛 2013 年目录1设计任务及要求32直流稳压电源33电路设计43.1变压器43.2整流电路53.3 滤波电路63.4 稳压电路84 PCB设计104.1 Altium Designer winter 09 简介104.2原理图的绘制114.3 PCB封装的添加与绘制114.4 元器件排版PCB的生成124.5 布线、覆铜及 DRC检查125仿真165.1 Multisim简介165.2 Multisim对所设计电路进行仿真165.3 仿真结果176总结18参考文献191设计任务及要求设计一个输入220V交流电压，经双路变压（两路16V）、整流、双路稳压后输出±12V直流电压电源。完成电路原理设计，元件选取及参数计算，并完成PCB制板，进行软件仿真。2直流稳压电源在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电，提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。它由变压、整流、滤波、稳压四部分电路组成，如图1-1所示：图1-1直流电源的方框图（1） 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，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2） 整流电路，整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。（3） 滤波电路，可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4） 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。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。3电路设计整体原理图如图3-1所示：图3-1整体电路原理图3.1变压器按设计要求，变压器为220V输入双路16V输出，考虑到负载功率的问题，应该选择功率较大的变压器，本设计中选定EI型全铜变压器 220V转16V交流 35W电感变压器 。35W已经完全满足设计要求和安全功率。原理图和PCB封装分别如图3-2和图3-3所示： 图3-2变压器原理图 图3-3变压器PCB封装 3.2整流电路 本次设计采用单相桥式整流电路，它由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。整流桥如图3-4所示 图3-4单相桥式整流路在u2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；u2的负半周内，D2、D4导通，D1、D3截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3-5所示：图3-5整流电路输出波形（1） 输出电压平均值 （3-1） 解得 （3-2） 则 （3-3）（2） 输出电流平均值 （3-4）在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，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 （3-5）电路中的每只二极管承受的最大反向电压为=22.6V(U2是变压器副边电压有效值)。 （3-6）在实际电路中，考虑到电网电压的波动范围为，故在选用二极管时，至少应该有10%的余量，选择最大整流电流和最高反向工作电压分别为： （3-7）V （3-8）根据和可以确定二极管，本次选用1N4002，其最大整流电流为1.0A，最大反向电压100V，最大功耗3W，它完全符合设计要求。3.3 滤波电路整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是还含有较大的交流成分，不能直接用于大多数电子电路及设备的电源。因此，在整流后，还需要设计一个滤波电路来将脉动直流电压变为平滑的直流电压。滤波电路有许多种形式，常见的有：电容滤波电路、电感滤波电路、LC滤波电路以及RC或LC型滤波电路。表3-1为各种滤波电路的性能比较。表3-1 各种滤波电路性能的比较性 能类型电容滤波电感滤波LC滤波RC或LC型滤波1.20.90.91.2小大大小适用场合小电流负载大电流负载适应性较强小电流负载滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。在本设计中，选用最简单易行的电容滤波电路。如图3-1中，电容C1到C8都为滤波电容。其中小电容C3，C4，C7，C8一方面能消除PCB导线感抗对电源的影响，防止自激震荡；另一方面也能滤去电压中的高频部分。直流输出电压：(3-9)直流输出电流：(3-10)是变压器副边电流的有效值。RLC(为负载阻值)越大，电容器放电越慢，输出电压平均值越大。一般可选放电时间常数RLC大于C的充电周期(35)倍。对桥式整流来说,C 的充电周期等于交流电网周期的一半，即 (3-11)，设计选取(3-12)式3-12中，T为电容的充电周期，RL为负载电阻， (3-13) (3-14)由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为10%，电容的耐压值应大于。结合上面的数据，本次设计选取了电解电容C1，C2，C5，C6，耐压值25V，3uF；C3，C4，C7，C8为陶瓷电容，容值0.1uF。3.4 稳压电路虽然整流滤波电路能将正弦电流电压转化为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻的电压随之改变，于是输出电压平均值也就随之产生相反的变化。所以，为了得到输出稳定的直流电压，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。本设计选用固定式三端稳压器。W78xx/W79xx。其中，78系列输出正电压，79系列输出负电压，xx代表所能稳定输出的电压值。它们有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设定的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。文中选用W7812三端正电源稳压电路，输出稳定+12v电压；选用W7912三端负电源稳压电路，输出稳定的-12v电压。具有如下特点：（1）短路电流230mA,峰值电流2.2A，但是当输出电流超过1.5A时，就需要提供足够的散热片；（2）输入电压极限值35v，输出电压典型值为12V，最大值12.6V；（3）热过载保护；（4）短路保护；（5）输出晶体管安全工作区保护；78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； （3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 LM7812/LM1912引脚分布图如图3-6所示：图3-6 LM78系列引脚分布图其中，对于W7812：1端为输入端，2端为公共端，3端为输出端。对于W7912：1端为公共端，2端为输入端，3端为输出端。下图3-7为输出原理图：图3-7 输出原理图其中，正常时，输入与输出之间的电压不得低于2V。用于实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰。图3-8为原理图元件报表图3-8元件报表4 PCB设计4.1 Altium Designer winter 09 简介 Altium Designer winter 09是业界第一款也是唯一一款一体化电子产品设计解决方案。Altium Designer winter 09是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，是一种同时进行原理图、PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决法案，具有将设计方案从概念转化为最终产品所需的全部功能。它强大的图形处理功能，非常友好和合理的人机交互界面，是电子设计入门的必选软件。本次课设就用它来设计原理图和PCB，图4-1展示了其优秀的人机交互界面。 图4-1 Altium Designer winter 09的界面图形4.2原理图的绘制在Altium Designer winter 09中，原理图绘制是非常简单的一件事，只要从原理图库中找到对应元器件的原理图，直接放置就OK，如果没有现成的图库，自己画一个也是很快的。如图4-2是用Altium Designer winter 09画的本次设计的整体原理图。图4-2 双极性稳压电源原理图4.3 PCB封装的添加与绘制把原理图画完之后，检查电气连接是否正确，之后就需要给各个器件逐个加上封装，编辑各个器件的Pin属性，确保不出现系统编译错误。好多器件封装能直接在PCB封装库里找到，但也有一些器件找不到，这就需要自己画PCB封装，建立封装库，并把它添加到PCB封装库里边。如图4-3为自己画的220V输入端的PCB封装，图4-4为接线柱的实物图。图4-3 220V输入端PCB封装 图4-4 接线柱实物图图4-5 7812（7912）PCB封装 图4-6 7812（7912）实物图 图4-7 电解电容PCB封装 图7-8 电解电容实物图4.4 元器件排版PCB的生成全部封装添加完成，进行ERC检测无报错后，直接生成PCB，删除ROOM空间，进行手动元件布局，在不影响电路性能的基础上，尽量使他们看上去合理、美观。图4-7为元件布局图。图4-7 元件手工布局效果图4.5 布线、覆铜及 DRC检查排好版后，在布线之前，应先进行PCB规则设计，主要对布线规则进行设定，4-8所示：图4-8 PCB规则及约束编辑器按照设计要求，和PCB设计规范，主要对走线宽度、布线优先级及走线拓扑布局等做了详细的设定，其余的规则默认系统设定。之后在PCB区域划定允许走线范围，进行DRC检测无误后进行自动布线。如图4-9所示：图4-9布线后的PCB检查确认连线无误后，对PCB进行覆铜，泪滴，最后PCB正反面图如图4-10所示及4-11所示：图4-10 PCB正面图图4-11 PCB反面图DRC检查截图如图4-12所示：图4-12DRC检查截图到此为主，一块完整的PCB板可以说已经绘制完成，下一步就可以投版制板了。图4-13为3D仿真图： 图4-13 3D仿真图形5仿真5.1 Multisim简介Multisim是一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件，它界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用，引起了广大电子设计工作者的关注，并迅速得到推广使用。它仿真功能十分强大，可几乎100%地仿真出真实电路结果，而且在它的桌面上提供了各种各样的电子工具，如万用表、示波器、信号发生器和逻辑分析仪等，所以它不仅可以供电子设计工作者使用，也可以为教学实验使用。图5-1为Multisim 11.0界面截图：图5-1Multisim界面截图5.2 Multisim对所设计电路进行仿真经过理论的计算，基本上确定了元器件的参数，但我们并不知道在具体电路中我们根据理论依据所得到的值是否正确，用实际电路，实际的电子器件进行验证是最可靠的做法，但有时候很难去这么做，所以，我们一般都是先在 Multisim进行软件仿真，进一步确定具体参数。下图分别是在 Multisim中绘制的原理图和仿真结果。图5-2 仿真原理图5.3 仿真结果下图是仿真结果： 图5-3 仿真结果从仿真结果看，输出电压有小范围的波动，分析原因为：集成稳压模块自身有较大的干扰，导致不能精确稳压。改进措施为：购买质量合格的稳压集成模块，选择合理的元件参数。6总结经过这些天的努力，本次课设基本已经按要求完成，虽然还有许多地方还不让人满意，但是我会继续尽我最大的努力来完善这个作品的。在本次课设中，我遇到了许许多多的问题，这些问题都是在实际实践中暴露出的，这让我明白理论和实践之间是有区别的，也让我更加坚定了自己坚持在实践中寻求技术和真理的信念。最后我衷心的感谢在本次课设中帮助过我的老师和同学，没有你们的帮助和支持鼓励，我很难圆满完成本次课程设计。参考文献【1】童诗白，华成英. 模拟电子技术基础（第四版）M. 高等教育出版社, 2006【2】黄培根. Multisim 10 虚拟仿真和业余制板使用技术M.电子工业出版社2008【3】潘永雄，电子线路CAD实用教程M西安电子科技大学出版社，2007【4】姜邈，电子线路课程设计指导书M高等教育出版社2004【5】闫胜利，袁芳革，Altium Designer 6.x中文版实用教程M电子工业出版社【6】杨凌，模拟电子线路M.机械工业出版社2007【7】梁秀梅，电子技术实验教程M.中国铁道出版社2012