5V直流稳压电源设计课程设计.doc

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1、机电一体化实训5V直流稳压电源设计报告 学 校：西安科技大学高新学院 班 级：机械设计制造及其自动 组 员：田旭元（0901140315） 高志伟（0901140320） 朱小航（0901140326） 雷 毓（0901140327） 指导老师：邵小强设计时间：2012.7.22012.7.13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

2、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，

3、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 应用价值目 录第1章 直流稳压器原理4第2章 直流稳压电源简介72.1 直流稳压电源的构成72.2 直流稳压电源的分类72.3 直流稳压电源的技术指标8第3章 直流稳压电源的设计103.1设计目的及要求103.2设计步骤及思路103.2.1直流稳压电源设计思路103.2.2直流稳压电源原理113.3单元电路设计与原理说明123.3.1电源变压器123.3.2整流电路143.3.3滤波电路183.3.4稳压电路203.3.5元器件选择和电路参数计算说明22第4章 电路设计要求以及参数计算244.1.设计要求：244

4、.2.各参数计算：24心得体会（田旭元）25心得体会 (高志伟）26心得体会（朱小航）27心得体会（雷 毓）28参考文献29致 谢30第1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

5、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中的二极管之后,接指示灯。二、程序保护开关稳

6、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

7、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。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

8、）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

9、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。稳压电源原理图如图1.1所示。其中，核心元件是LM338，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。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：LM338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LM338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LM338输入端电压改为分段可调型。由开关K1

10、-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LM338中，这样就降低了稳压块的输入电压，同时开关K11同步切换LM338调整端的分压电阻，使调整端的基准电压不断改变，输出端电压就以每档5V的规律变化。这样一来LM338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。 第2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

11、，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 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

12、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

13、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

14、电压U1变化时，输出电压U0的相对变化量U0/U0与输入电压变化量U1之比值，称为电压调整率，即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U0，单位为毫伏。（2）稳压系数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，即式中，U1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10-210-4数量级。显然，S越小稳压电路输出电压的稳定性越好。（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

15、最大相对变化量用百分数表示（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=其单位为欧。R0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。R0越小负载能力越强，一般R0I2*U2=4.8W2、选择整流电路中的二极管变压器的副边电压U2=16V桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：16桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：0.3查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V16V,最大整流电流IF=IA0.3A3、滤波电路中滤波电容的选择滤波电容的大小可用式C=Ui/(t*I) 求得。（1）

16、求Ui： 根据稳压电路的稳压系数的定义：设计要求U05mV，Sr0.005，U0= -12V +12V，Ui=16V代入上式，则可求得Ui=U0/（U0*Sr）；（2）滤波电容C，t=0.01S设定I0=I0max=1.2A则可求得C。注意：因为大容量电解电容由一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。第4章 电路设计要求以及参数计算4.1.设计要求：性能指标要求：VO=+5V技术指标要求：纹波电压：5mV电压调整率：Ku3%电流调整率：Ki1%4.2.各参数计算：（1）确定稳压电路的最低输入直流电压Ui

17、min UiminUomax+(Ui-U0)min/0.9代入各指标,计算得: Uimin(5+3)/0.9=8.89V取值为9 V.（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率 UiUomax/1.1. I1Iimax所以我们取I1为1.5A. UI5/1.1=4.6V 变压器副边功率P27W变压器的效率q=0.7，则原边功率P110 W.由上分析,可选购副边电压为9 V,输出1.5A,功率12W的变压器.（3）选整流二极管及滤波电容整流二极管1N4007通用参数：电流参数：IO=1A/IFSM=30A/IR=10A电压参数：URRM=URWM=UR=1000V/URSM=1200V/UF=1.

18、1V/UR(RMS)=700V功 率：PD=3W波电容计算：C(35)TIimax/2U1min 电解电容作滤波电容。心得体会（田旭元）本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的

19、同学。 我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师邵老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生

20、活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 但是由于水平有限，我们的课程设计难免会有一些错误和误差，还望老师批评指正。 田旭元 2012年7月11日心得体会 (高志伟） 过这次电路设计，我从中了解了直流稳压电源和贯通了书上的知识，同时也了解到了自己对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。根据老师给的电路图，我把各个组

21、件装在电路板上，经检查以后就开始焊接，我们组决定用焊锡连接电路，我们就认真的把各个组件练好之后就开始检查，接通电源以后，副边的电压是9.4V，而稳压电路输出端是10.24，怎么检查都不对，后来把电容都烧了才察觉到电容接反了。这让我们深刻体会到了，不管干什么事，都要细心，认真，稍不留神就会造成组件损坏，尤其是电学部分。而且要有安全意识，焊锡过程中，我还被焊钳残杀过.等等一系列的问题都的引起我们的注意。终于，在老师的悉心指导下，我们完成了电路的连接，算是完成老老师给安排的任务，我也懂得了，不管干任何东西，就算再难，只要你认真去研究了，好好弄了，就算结果不尽人意，但我相信只要有第一次的努力，第二次一

22、定会弄出令人满意的结果通过这次实习，我们收获了很多，不仅是知识上，还有动手能力上都得到了提高。 高志伟 2012年7月11日心得体会（朱小航） 通过这两周的机电一体化课程设计，老师细致的讲解和自己课间查资料，了解直流稳压电路的基本构成部分，即变压部分、整流电路、滤波电路和稳压电路，以及5V直流稳压电源的制作。自己选择方案，计算有关数据，自己设计排版，最后制作电路板。这样使我们能够主动自觉的去独立思考，主动学习相关的知识，能够很好的达到实习的效果，再动手的过程中也动了脑。在这次实习过程中我主要负责滤波电路的选择和设计并焊接电路板，在这过程中也出现了一些问题，比如电容接反了、虚焊和7085的接地端

23、怎么接等，最后自己查资料和通过同学指导解决了全部的问题。本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。这次机电一体化课程设计使我收获很多，在此感谢学校提供的这次机会和老师辛勤的指导和同学热情的帮助，谢谢！ 朱小航 2012年7月13日心得体会（雷 毓） 本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容及稳压二极管来设计输出可调电压直流稳压

24、电源。其结构简单，使用元器件较少；系统的可靠性好，其精度高，成本低，便于维修，且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。 在设计的过程中，遇到了不少的问题，通过翻阅资料得到解决。我们在设计了电路以后中，发现电路板焊接后，不方便调试，于是加了两个插槽。调试时，有发现负电压的输出为零，通过用万用表检查发现原来焊接做的不好，有些焊点之间根本就没连接起来。起先为了焊接方便，我们没有将元件的管脚剪掉，而是互相搭接焊在一起，以至于造成了后来调试结果出不来，并且做的板子也不美观。我们便把起先那些没焊好的，都重新焊了一遍，用导线给焊接，在这过程，也注意一些美观的细节，终于是大功告成。最后在老师的指导下，一

25、次性完成了最后的调试。 通过这次设计，了解了书本上没有的知识，更加巩固了所学的知识，也增强了自己灵活运用所学知识到实践中的能力。此外，也学到了许多的经验，做什么事都有思前想后，我们在焊接时，就因为没有深入思考，把六脚开关接成了开关起作用时的状态，好在检查时发现了。这次的课程设计，获益匪浅，虽然从了解原理到设计电路，在到买元件，最后安装调试和课程设计书的撰写，花了很多时间，但是是值的，因为成就感让我们很满足，也让我深深体会到了做学问一定要有认真、严谨的治学态度，这也将对我以后的学习和工作起到莫大的帮助 雷 毓 2012年7月11日参考文献1 伍启学.串联型晶体管稳压电路. 成都： 家庭电子编辑部.20022 斐纯厚.彩色电视机稳压原理及维修.北京：电子世界编辑部. 20023 陈本竹.三端可调直流稳压器的扩流及估算.成