5v简易直流稳压电源仿真设计.doc

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1、学号： 10463307 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2014届）题 目 正负5V简易直流稳压电源的设计 学 生 蔡淳淳 学 院 怀 德 学 院 专业班级 电 气 101 校内指导教师 强 浩 专业技术职务 讲 师 校外指导老师 专业技术职务 二一四年六月摘要电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，其需求日益增多，并且对电源的功能、稳定性等各项指标也要求更高。对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，它对推动科技发展起着重要作用。本文主要采用三端式稳压电路进行直流简易稳压电源的设计。首先，将输入的220V，50Hz交流电通过变压器降为设备需要的电压25V，然后用全桥整

2、流和滤波电路进行整流和纹波处理，对于输出的直流电压采用三端稳压电路获得稳定的直流电压。通过相关知识可计算出电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求的电压，电流等各种指标。利用proteus仿真软件对所设计的电路进行仿真调试，使设计达到要求。集成稳压器具有体积小、重量轻、安装和调试方便、可靠性和稳定性高等优点。关键词：电源；稳压；整流；滤波AbstractPower as energy supply part of electrical, electronic equipment is essential, the demand is increasing, and each index f

3、unction, stability of power demand higher.Research and development of power supply has become an important link in the development of new technology, new equipment, it plays an important role in promoting the development of science and technology. First, the input 220V, 50Hz alternating current thro

4、ugh a voltage transformer device requires reduced 25V, then full bridge rectifier circuit for rectifying and smoothing processing and the ripple, the output DC voltage of a three-terminal voltage regulator circuit to obtain a stable DC voltage.through the relevant knowledge can calculate the paramet

5、ers of each device in the circuit, the circuit performance meet the design requirements of the voltage, current and other parameters. Simulation of the designed circuit by using Proteus simulation software, make the design meet the requirements.Integrated voltage regulator has the advantages of smal

6、l volume, light weight,convenient installation and debugging, high reliability and stability.Key Words：The power supply； voltage rectifier filter目录摘要IAbstractII第一章 绪论41.1 课题的研究背景及意义41.2 电源的应用和发展现状41.3 直流稳压电源概述51.4 本文研究的主要内容7第二章 电源方案设计82.1 设计的目的和任务82.1.1 设计的目的82.1.2 设计的任务82.2 设计的思路82.3 设计的电路选择9第三章 硬件

7、设计143.1 电源变压器143.2 整流电路143.3 滤波电路173.4 稳压电路183.4.1 串联反馈式稳压电路193.4.2 三端固定式集成稳压器213.4.3集成稳压器的参数关系24第四章PROTEUS仿真设计254.1 Protues简介254.3性能测试274.3.1测试指标274.3.2测试方法28第五章 结论与展望30参考文献31致谢321 绪论1.1 课题的研究背景及意义随着时代的进步，电子技术的飞速发展，电子设备在人们的生活和生产中起到了越来越重要的作用，许多的电子设备对电源也提出了更高的要求。通常会有很多常用的电子设备不能够和别的电器一样使用交流电,则是需要使用能够输

8、出稳定的直流电的直流电源，并且对直流电源的性能、体积、重量等的指标要求也在不断提高，时至今日，世界能源日益贫乏，电子设备对于稳压电源的功率损耗等也提出了更加高的要求；并且，现如今电子设备种类的飞速增加，电子设备对于直流电源输出的电压值和电流值的要求也变得越来越多。自上世纪九十年代以来，电子系统要求实现更高的效率和更低的功耗，电信与数据通讯设备的技术更新速度飞快，它也推动电源行业中交流/直流电源转换器向更高灵活性和更具智能化的方向发展。从80年代的第一代分布式供电系统开始，到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流电源行业正面临着更大的挑战，那就是怎样实现在现有系统加入嵌入

9、式电源智能系统和数字控制功能。其实，在90年代中期，一些半导体生产商们就能够开发出了数控电源管理技术，但是在当时，这种方案的性价比与市面上广泛使用的模拟控制方案相比还相差甚远，因此没有被广泛采用在生产和生活当中。因为当时板载电源管理被广泛的应用，电源行业能源节约和运行最优化也备受关注，电源行业和半导体生产商们便开始着手开发名为“数控电源”的一种新产品。 在今天，随着直流电源技术的快速发展, 整流系统的发展由以前的分立元件和集成电路控制转换为使用微机控制, 使直流电源达到了智能化的性能,其中包括 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能的直流电源, 基本实现了在直流电源无人看守的情况下也能工作。1.2 电

10、源的应用和发展现状 电源技术是一门实践性很强的电子工程技术，它服务于当今社会的各行各业，在生产和生活中得到广泛的应用。电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域的知识。随着计算机技术和通讯技术发展而来的现代化信息技术的革命，给电力电子技术的发展提供了非常广阔的前景，同时这也对电源本身提出了越来越多的要求。数控电源在电子装置中得到普遍使用，但是普通电源在工作时产生一些误差，会影响到整个系统的精确度，电源在使用时甚至会造成很多不良后果，给生产带来不便，因此世界各国对电源产品提出了不同的要求并制定了一些的产品精度标准。只有满足了这些产品标准，才可以进入市场。在经济全球化发展的今

11、天，只有满足国际标准的电源产品才能获得进出各国的通行证。电源可以分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的重要组成部分。交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备，电子产品都要采用直流电源作为供电能源，比如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等。现在所使用的大多数电子设备，几乎都必须用到直流稳压电源供电，才能使其正常工作，而如今最常使用的是能将交流电网的交流电压转换为稳定直流电压的直流电源，由此可见直流稳压电源在电子设备中起着非常重要的作用，直流电源为电子、电气设备能够正常稳定的工作提供保证。电网的220V、50HZ的单向交流电经电源变压器降压后，再经过整流滤波过程

12、可获得电压较低的小功率直流电源。又因为一般的电网电压会有10%幅度的波动变化，必须将整流滤波后的直流电压经过稳压电路稳定后再提供给负载，才能够使负载上直流电源电压受电网波动因素的影响程度达到最小，保证电子设备的正常工作。1.3 直流稳压电源概述在电子电路和电子设备中，所需的供电设备一般是电压稳定的直流电源，它作为电子电路中不可或缺的重要组成部分，其作用如下：一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，二是为整个电子电路提供能量。常见的供电方式有两种，一种是采用干电池、蓄电池或其他形式向电路供电，此原理是依据化学能或其他形式的能量转化为电能之后，向电路提供能量，这种方式的缺陷在于能量的使用要受很多实

13、际条件（如电池的容量）的限制；另一种方式是利用电网向电路供电，把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后，转化为直流电向电路提供能量。根据电网提供的能量是可再生的，因此这种供电方式具有很大的优势，也被广泛的使用。直流稳压电源的基本组成结构可以用图1-1表示，由稳压电路、滤波电路、整流电路和电源变压器等四部分组成一个完整的电路。图1-1直流稳压电源结构图 电源变压器的作用是是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，脉动的直流电压是由交流电压通过蒸馏电路而形成的。由于脉动的直流电压中还含有较大的纹波，所以必须通过滤波电路加以滤除，才能得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，电网波动

14、一般在10%左右，电网波动受电路中的负载和温度影响。因而在整流、滤波电路之后，电源还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，保证输出直流电压稳定。一般的电子设备所用的都是较小的直流电压，通常低于千瓦，但对其的稳定性还是有较高的要求。对直流电源的性能要求是：纹波小、高负载能力和输出电压稳定等。直流电源的性能指标主要有如下几个：（1）输入电压，符号为Ui。输入电压Ui为220V、50Hz 的交流电（2）额定输出电压，符号为U0 。输出电压U0在可变电源的某个范围值之内（3）最大输出电流，符号为Imax 。在额定输出电压U0 下工作时，提供的最大输出电流。也可用最大输出功率P

15、max 来表示。（4）纹波系数，符号为S 。纹波系数S反应了输出电压的稳定程度。用电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压的比值。1.4 本设计研究的主要内容（1）复习电子电路的相关知识，了解直流稳压电源的组成和工作原理。查阅并收集与本课题有关的资料。（2）设计直流稳压电源，满足性能指标要求，并对设计电路进行工作原理分析，元件参数计算及元件选择。（3）对所设计电路进行仿真与调试。（4）关于直流电源设计和仿真的总结与体会。2 电源方案设计2.1 设计的目的和任务2.1.1 设计的目的随着电子技术的发展，在人们的生产活动和日常的生活中，电子设备扮演着越来越重要的角色，在教学、科研等众多领域

16、都有电子设备的应用。通过直流稳压电源的设计和对所设计电路进行仿真与调试，巩固所学的电子技术知识，提高对电路的设计、分析、应用和仿真的能力，为今后的从事相关的研发工作奠定基础。2.1.2 设计的任务设计一个直流稳压电源，使之能够满足性能指标要求，能够对设计电路进行工作原理分析，计算出相关元器件参数，选择符合要求的各种电路元器件；利用仿真软件对所设计电路进行仿真与调试；对直流稳压电源的仿真调试结果进行分析和总结。直流稳压电源的主要设计指标如下： (1) 输出电压Uo及最大输出电流Iomax：Uo=5V,Iomax=1A;(2) 纹波电压： Uopp5mV。(3) 稳压系数：SUI0max。3.2

17、整流电路整流电路一般最多使用的桥式整流电路。其电路如图3-1所示，这种电路，在全波整流电路中只增加两只二极管口使之形成为桥式的形式，就达到突显普通全波整流电路的优点和一定程度上克服全波整流电路缺点的目的。因为二极管具有单向导电性，在分析整流电路工作原理时，电路中的二极管当作为开关来运用。在桥式整流电路中，流过变压器次级的电流是正负相对称的，没有直流成分流过次级绕阻。桥式整流电路的输出电压高，谐波电压较小，管子所承受的最大方向电压较低，又因电路中的负载得到了电源变压器在正负半周内部提供的电流，因此电源变压器得到了充分的利用即提高了利用效率。图3-1 桥式整流电路1、桥式整流电路的工作原理如图3-

18、1所示，因为二极管具有单向导电性，当U2为正半周时，D1、D3获得正向电压，即 Dl，D3导通； D2、D4获得反向电压，即D2、D4截止。电路中构成RL 、D3、U2、Dl通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压；反之当U2为负半周时， D2、D4获得正向电压，即D2、D4导通； D1、D3获得反向电压，即D1、D3截止。电路中构成RL 、D4、 U2、D2通电回路，同理在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。 按照上述方法重复几次， RL上就得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图3-1中可以看出，此电路中单个二极管所承受的反向电压为变压器次级电压的最大值。 如图3-

19、2所示，经过桥式整流后，在负载电阻RL上正得到的是同一个方向的单向脉动电压。 图3-2桥式整流电路波形变化2、桥式整流电路的参数计算 (1)输出平均电压Uo。 由Uo波形可知，桥式整流电路的输出平均电压是半波整流电路的2倍， 即： （3-2） (2)流过每个二极管的平均电流ID。 由于D1 、 D3和D2、 D4轮流导通， 因此流过每个二极管的平均电流只有负载电流的一半， 即： （3-3） (3)二极管承受的最高反向峰值电压URM。 当U2上正下负时，D1 、D3导通，D2、D4截止， D2 、D4相当于并联后跨接在U2上，因此反向最高峰值为： （3-4）3、单相桥式整流电路的负载特性曲线负载

20、特性曲线是指输出电压比上负载电流的关系曲线。该曲线的斜率即为整流电路的内阻。如图3-6所示： 图3-3单相桥式整流电路的负载特性曲线3.3 滤波电路脉动直流是由交流电经过整流电路后得到，直接得到的直流电源交流纹波很大，不适合给电子电路直接供电。因此可采用电容滤波电路降低这种交流纹波成份，进行整流后电压波形变得比较平滑，可给电子电路直接供电。电容滤波电路，如图3-4所示：图3-4 电容滤波电路图3-5 电容滤波变化示意图1、工作原理如图3-5所示，若电路处于正半周，则二极管D1、D3处于导通状态，变压器次端电压U2给电容C充电。电容C相当于与U2并联，因此输出波形与U2 相同，是正弦形。在t1到

21、t2时刻，二极管导电，电容充电，Uo=Uc按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，UC=URL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。当L很小，即IRL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。然而，当L很大，即IRL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。因此在输出电流较小的场合适用电容滤波。通常，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。如果负载开路，即负载电阻趋于无穷大，电容没有形成放电回路，输出电压将保持为U2的峰值不

22、变。2、电容滤波电路的参数计算（1）输出电压的估算电容滤波电路的输出电压和电容的放电时间常数=RLC相关， U2的周期T应远小于，通常，当 （35）T /2时，滤波电路的输出电压可按照UO1.2U2进行估算。（2）因为整流二极管缩短了导通时间，存在瞬间的浪涌电流，因此要求二极管允许有更大的电流通过，即管子参数应满足 : IFM2IV=IO。 （3）可根据负载电阻RL的大小选择滤波电容C的容量，根据公式即 C（35） T /2RL。 （3-5）容量偏小会影响输出电压UO的下降，因此要选择较大容量的电解电容；电容的耐压值应考虑到电网电压波动的因素，留有一定的余量，故电容的耐压值大于U2的峰值。由于

23、电容滤波电路的负载能力较差，一般使用场合的负载电流都较小。选择滤波电容时需要满足条件：RLC(3-5)T/2。电容滤波电路的输出特性曲线如图3-6所示。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载变化不大的场合。图3-6电容滤波电路的输出特性曲线3.4 稳压电路由于稳压电路会因为外界因素发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随之发生变化而不稳定。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需一个稳压电路。稳压电路保证输出直流电不受电网电压、负载、外界环境温度等发生变化时而发生改变，从而维持电压的稳定输出。3.4.1 串联反馈式稳压电路串联型

24、稳压电路是以稳压管电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；同时，可以通过改变反馈网络参数使输出电压可调。图3-7 串联稳压电路的基本组成电路1、串联型反馈式稳压电路的工作原理如图3-7可知，VO =VI-VR，当VI增加时，R因受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上减小了VI增加对输出电压的影响。当负载电流IL增加时，R受控制而减小，使VR减小，这就在一定程度上抵消了因IL增加使VI减小，减小对输出电压的影响。2、典型串联反馈式稳压电路在实际电路中，可用一个三极管来替代变电阻R，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE等同

25、于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。 如图3-8所示，串联反馈式稳压电路由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源四个部分组成。图3-8 串联型稳压电路方框图（1）当输入电压变化，负载电流不受影响。若输入电压VI的增加，输出电压VO随之增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较，获得误差信号V。误差信号经放大器进行放大后，使用VO1去控制调整管的管压降VCE的增加，这样就抵消输入电压增加的影响。其变化过程可以描述如下：（2）当负载电流变化，输入电压不受影响。若负载电流IL的增加，输入电压VI反而减小，导致输出电压VO下降，经过取样电

26、路取出一部分信号VF与基准电压源VREF比较，获得的误差信号V。误差信号经放大器进行放大后使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，这样就抵消了因IL增加使输入电压减小的影响。其变化过程可以描述如下：3、串联反馈式稳压电路输出电压调节范围的计算VfVREF ， (3-6) 由上式可以看出，通过调节R2可以改变输出电压。串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。3.4.2 三端固定式集成稳压器目前在市场上，集成稳压器的类型有很多，使用也

27、很广泛，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端集成稳压器,其内部也属于串联型稳压电路结构。三端集成稳压器按其输出电压类型可分为固定式稳压器和可调式稳压器，此外这些集成稳压器又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。 三端固定式集成稳压器的外形和管脚排列如图3-9所示。从图中可以看出它只有输入、输出和公共地端三个端子,所以称之为三端稳压器。 图3-9 三端固定式集成稳压器外形及管脚国产的三端固定集成稳压器有CW78XX系列和CW79XX系列,CW78XX系列能够输出正电压，CW79XX系列输出负电压，它们的输出电压值有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等,最大输出电流有0.1A、

28、0.5A、1A、1.5A、2.0A等。 78系列和79系列的典型电路如图3-10（a）、（b）所示：图3-10（a）正电压输出 图3-10（b）负电压输出在图3-10中，输入与输出之间的电压差不得低于3V.电容Ci的作用是用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。用来改善波形。通常Ci大小取0.1mF 0.33mF。电容Co的作用是为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。通常Co大小为1mF。 如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压，即要提高输出电压时,可采用图3-11（a）、（b）所示电路。 图3-11提高输出电压的接线图图3-11(a)中

29、, (3-7)在上式中,UXX为集成稳压器的输出电压值;UZ为稳压管的稳压值。图3-11(b)中, (3-8)在上式中,IW为三端稳压器的静态电流,一般大小在几毫安左右。当负载电流大于三端稳压器输出电流，即要提高输出电流时,可采用图3-12（a），（b）所示电路。 图3-12 提高输出电流的电路其中的电流关系为： （3-9） （3-10） （3-11）因为1,且IW很小,可忽略不计,所以有 （3-12） （3-13） 在上式中,R为V提供偏置电压;UBE的大小由三极管决定,通常锗管为0.3V,硅管为0.7V。图3-12(b)中,输出电流为单片三端稳压器的两倍,即 ： （3-14）如果要求电路同

30、时具有正、负电压输出功能。可采用图3-13所示电路,由图可知,这种电路可以在输出端得到大小相等、极性相反的电压。图3-13 正负电压对称输出的稳压电路3.4.3 集成稳压器的参数关系（1）在直流稳压电源的设计当中，集成稳压器的输出电压Uo应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相符。稳压器的最大允许电流IcmIomax，稳压器的输入电压Ui以满足下式：Uomax+（Ui-Uo）minUiUomin+（Ui-Uo）max （3-16） 在式（3-16）当中，Uomax为稳压电源的最大输出电压； Uomin为稳压电源的最小输出电压；（Ui-Uo）min为稳压器的最小输入输出压差；（Ui-Uo）max

31、为稳压器的最大输入输出压差。（2）可调式三端集成稳压器输出电压Uo满足下式： Uo=1.25（1+RpR1）。 （3-17） 4 PROTEUS仿真设计4.1 Protues简介4.1.1 Proteus的概述Proteus软件是由英国Labcenterelectronics公司发行的EDA工具软件。它是由ISIS和ARES两部分构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，ARES是一款高级的PCB布线编辑软件。Protues软件具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功能，Protues软件最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化。通过Prot

32、eus软件的VSM即虚拟仿真模式，用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系统的仿真测试。4.1.2 Protues的丰富资源 （1）Protues资源丰富可提供的仿真元器件包括：交流、仿真数字和模拟和直流等数千种元器件，有30多个元件库。 （2）Protues可提供的仿真仪表资源有 ：逻辑分析仪、示波器、虚拟终端、I2C调试器、模式发生器、SPI调试器、交直流电压表、信号发生器、交直流电流表。 （3）Protues具有图形显示功能，在protues仿真环境下，通过图形的方式可以将线路上变化的电流信号实时显示出来，其作用与示波器的功能相似，但protues更

33、胜一筹。 （4）Protues调试手段多种多样， 在仿真环境下，提供了模拟信号和数字信号用于电路的测试。（5）与此同时，Protues还支持第三方的软件编译和调试环境，比如Keil C51 uVision3等软件。在仿真环境下，绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，便可以在Proteus原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 4.1.3 Protues的功能Protues软件具有其它EDA工具软件的功能。这些功能有： 原理布图 、SPICE电路仿真、PCB自动或人工布线 。4.1.4 Protues仿真软件其革命性的特点 （1）具有互动的电路仿真功能。用户可以实时采用诸如RA

34、M，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件。 （2）仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列单片机、PIC、AVR、ARM等常用主流单片机。除此以外，protues还可以直接于原理图的虚拟原型上进行编程，再配合显示及输出，便可直观的看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues仿真软件建立了一个完备的电子设计开发环境。 在当今世界电子技术迅速发展的今天，许多设计部门前期设计手段都利用计算机仿真技术。它具有设计灵活，结果、过程的统一的优点。大大缩短了设计时间，减少了耗资的成本，同时，也在一定程度上降低工程制造的风险。不得不承认，在今后的电路仿真中Protues仿真软件会茯更加广泛的应用。 4.2 Protues的仿真过程根据电路原理图在Protues中画出如图4-1，并且将输入电压设置为220V。图4-1仿真电源电路输入电压为220V时输出电压显示