恒流恒压稳压电源的设计与制作

1恒流恒压稳压电源的设计与制作摘要：。本人设计的此直流恒流恒压电源是将交流电压转化为输出电压电流稳定的直流电源，电路的特点是：当负载电阻小于25欧姆时，输出为恒流，也即恒流源，有0.3A和0.6A两个档位。当负载电阻大于25欧姆时，输出为恒压，也即电源为恒压源，有9V.12V和15V三个档位。关键词：直流电源恒压源恒流源工作原理0引言随着电子技术的发展，特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的直流恒流恒压电源供电，电网直接供电已不能满足需要，直流恒流恒压电源的出现解决了这一问题。目前直流恒流恒压电源的发展更快，它的种类繁多，功能不同应用非常广泛。我们日常生活中的许多电器设备中都含有直流电源。直流恒流恒压电源易于设计、配置、稳定、调节，随着电器的不断发展，它的应用会更多。种类及功能都会进一步发展，以满足人们的需要。通过直流稳压电源设计,把所学的知识用于实践，了解一些电子产品的设计原理,可以达到触类旁通的功效。1其它电源的发展近些年来，随着电子技术的迅猛发展，开关稳压电源已作为一种较理想的电源为人们所使用。然而当前的开关稳压电源，虽然体积小，效率高，但输出电压的纹波较大Ⅲ，难以保证输出电压的高稳定性。非隔离DC／DC技术发展也非常迅速。现在的非隔离的DC/DC基本上分成两大类。一是在内部含有功率开关元件，称DC/DC转换器；二是不含功率开关．需要外接功率MOSFET，称DC/DC控制器按照电路功能划分有降压的BUCK、升压BOOST，还有升降压的BUCK—BOOST等．以及正压转负压的INVERTOR等。其中品种最多芨展最快的是BUCK型。控制方式以PWM为主。1．1初级PWM控制IC不断优化有源筘位技术自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后新型有源箝位控制IC纷纷涌现。在大功率领域，全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC—ISL6752,既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态，又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这种IC制作的400W的DC，DC再加上先进的功率MOSFET，转换效率可达到95％。小功率的开关电源仍用反激变换器的PWM来控制IC。低压DC/DC领域Linear公司的LTC38o6不仅能控制好PWM，还给出准确的二次侧同步整流驱动信号，是比较好的低压小功率电源控制IC。1．2数字化开关稳压电源传统的开关稳压电源中最基本的稳压电源有六种：BUCK、BOOST、BUCK—BOOST、CUK、ZETA、SEPIC。其中以BUCK和BOOST最基本，其它四种是从中派生的。许多模拟电源系统能满足当今电子系统的要求。但以目前电子信息发展趋势，未来电源系统将朝向两极化方向发展：模块化微型电源和具有多功能用途的大型电源。大型电源的发展将趋向大型化、模块化、智能化、网络化。大型电源设备组成复杂，同时又需要以模块化方式满足不同的应用需求，因此应用数字控制技术于电源控制将是未来发展的趋势。数字化开关稳压电源是数字信号处理与模拟技术的新结合点。数字信号处理近年来在理论取得了重大的发展而且在应用上日益扩大。DSP是为实现数字信号处理的专用处理器，DSP器件具有较高的集成度以及2更高的效率，可以高速处理极为大量的数字化数据，因而应用到广泛数字化器件当中。其中TI推出的数字电源的新产品包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列辅助器件。1．3数字开关稳压电源与传统模拟开关稳压电源的区别数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。如UCD9K的控制和通信接口都采用数字方式，可以说是带有闪存的DSP；UCD7K与UCD8K的核心部分都采用模拟电源的方式，外围接口则采用数字方式。这些器件的应用领域包括从AC线路到负载点应用的电源系统，如电信设施、不间断电源、计算机服务器以及数据中心电源系统。1．4数字开关稳压电源的优点a可编程：比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现b易于设计、配置、稳定、调节：通过编写几行简单的代码，就可以将数字集成电路配置成各种需要的c稳压器，如升压、降压，负输出、SEPIC、反激式或正激式等。d有直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。通过远程诊断确保持续的系统可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。1.5恒流恒压稳压电源的设计恒流恒压稳压电源的设计是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流I0、输出纹波电压Uop—p等性能指标要求，确定出变压器、恒流源、稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理地选择这些器件。1.6恒流恒压稳压电源设计步骤：恒流恒压稳压电源设计分三个步骤：一是根据稳压器的输入电压Ui，确定电源变压器二次绕组电压的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I，确定流过电源变压器二次绕组的电流I2和电源变压器二次绕组的功率P2；根据P2，查出变压器的效率从而确定电源变压器原边的功率P。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。二是确定整流二极管的正向平均电流l和整流二极管承受的最大反向工作电压U和滤波电容的电容量和耐压值。根据所确定的参数选择整流二极管和滤泼电容。现就直流稳压电源的组成、各部分电路结构形式的选择及元器件参数的确定介绍如下：直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。三是根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iom，确定稳压及恒流电路结构形式及器件参数。如图1图1电源的基本组成部分2电源变压器TR1TRAN-2P3SBR1DF02SRL4R7C133p稳压源或恒流源3电源变压器的作用是将220V交流电网电压U，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：i=P2／PI,其中：P2是变压器副边的功率，Pl是变压器原边的功率。3整流电路整流电路的作用是将交流电压U2变换成单向脉动的直流电压U，在直流稳压电源中常采用桥式整流电路。在整流电路中，整流二极管的最大整流电流IF必须大于实际流过二极管的平均电流IDo；即IFIDo=Um／R=o．二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压u；由上述计算得到的U和ID来选择整流二极管。4滤波电路经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交藏成分。通常在整流电路后接有溶液电路。滤波匿路拘主要任务是将整l流后的单向毋隶动宣梳电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中常采用电容滤波电路，，将滤波电容C直接并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压，但输出电压受负载变动的影响较大，其主要用于要求负载电流较小，负载基本不变的场合。滤波电容的选择与负载RL的大小有关，确切地说是由放电回路的时间常数f来确定的。电容放电的时间常数f(T=RLC)越大，放电过程越慢，输出电压中脉动(纹波)成分越少；V的平均值越大，滤波效果越好。R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数应满足：RCT。其中：T=20ms是50Hz交流电压的周期。由此确定滤波电容的容量。滤波电容一般采用电解电容，使用时注意极性不能接反，电容器的耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压。5稳压电路稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度变化时，能使输出直流电压不受影响，从而维持稳定的输出。稳压电路的类型很多，通常采用集成稳压器。在小功率稳压电源中，经常使用的是I三端集成稳压器。集成稳压器的类型很多，按输出电压类型不同可分为固定式和可调式，按输出电压极性不同可分为正电压输出和负电压输出两种类型。w78XX、W79XX和W317使用时要配加适当大小的散热片，并注意其封装形式和引脚功能。W78xx(LM78xx)系列三端固定式正电压输出集成稳压器；W79xx(LM79xx)系列三端固定式负电压输出集成稳压器(三端是指只有输人、输出和接地3个接地端子)型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压u。与输出电压u。的电压差U。≥2V。稳压器的静态电流I=8mA，当Uo=5-18V时，UI的最大值Um=35V；当Uo=18-24V时，UI的最大值U=40V。可调式三端集成稳压器是指输出电压可连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列(LM317)三端稳压器，有输出负电压的CW337系列(LM337)三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和为Uo=1.2-37V，最大输出电流=1.5A。输入电压与输出电压差允许范围为：U0=3—40V。电源电路如图2：4Q12N3019Q22N3019Q32N3702R210kR324kRW110kD11N4372AD21N4734A3267415U1741Q42N3019Q52N3019R510kR610kRW230kC1470ufRLC22200ufC30.1ufBR12W08GTR1TRAN-2P2SR12R图2电源电路5.1设计思想：当负载电阻大于25欧姆时，电流减小，使稳压管D2（稳压值为6.5V）截止，电源为恒压源，电路等如图3：当负载电阻小于25欧姆时，为恒流源，如图4D21N4734A3267415U1741Q42N3019Q52N3019R510kR610kRW230kC1470ufRLC22200ufC30.1ufBR12W08GTR1TRAN-2P2S图3恒压源等效电路图本电路的目的是实现高精度稳压，降低波纹，提高电压调整率和负载调整率，最终达到题目的指标要求。在本电路中，首先输入电压在精密稳压管上产生一个稳定的参考电压，接到由运放组成的比较电路的正端输入脚。输出电压经过电阻分压之后反馈至运放的负输入端。运放的输出电压控制达林顿管的发射极电压，得到所需的高度稳定的直流电压。通过改变滑动变阻器可以改变输出的稳压值。参数计算：取RW2=30KR6=10K则RW2=49%*30K时UO=9VRW2=28%*30K时UO=12VRW2=16%*30K时UO=15V6恒流源电路当负载电阻小于25欧姆时，因为电路功率一定，所以电流减小，D2管不能被击穿，所以不起作用。恒流原理：当负载电阻变化，比如负载电阻减小时RL两端的电压减小，运放反相端所采样的电压也将随之减小，由于运放同相端的采样电压没变，使得运放的输出电压增大，负载电流也增大，达到恒流的目的。5Q12N3019Q22N3019Q32N3702R210kR324kRW110kD11N4372AD21N4734A3267415U1741Q42N3019Q52N3019R510kR610kRW230kC1470ufRLC22200ufC30.1ufBR12W08GTR1TRAN-2P2SR12R图4恒流源等效电路图6.1电流的控制及参数计算：通过改变复合管发射极滑动变阻器可以改变输出电流。稳压管D1的稳压值为3V，当滑动变阻器的阻值增大时，它两端的电压也增大，复合管的基极电压和发射极都增大，运放同相端的采样电压变大，反相端采样电压不变，运放的输出电压变大，使得负载两端的电流变大，反之，亦然，从而达到调节输出电流的目的。取RP=10KR2=10KR3=24KRP=8%*10K时输出电流为300毫安RP=74%*10K输出电流为600毫安参考文献[1]路而红．电子设计自动化应用技术【M】北京：希望电子出版社，2OOO．158[2]郑光钦全能OtCAD混合电路仿真[M]．北京：中国铁道出版社，2OOO.265[3]常向荣，鹿大勇电工原理实验【M】．天津：天津教育出版社，1994.202[4]耿淬电工应用识田【M】．北京：高等教育出版社，1999．132[5]路而红．虚拟电子实验室Electronicswork．bench北京：人民邮电出版社，2001．165[6]杨素行．