大功率AC-DC模块设计与实现

1.设计任务1.1设计目的和意义为了满足日常生产生活中和实验活动中对直流电源的需求，将市电220V交流转换为12V稳定的的直流；灵活运用模拟电子技术和数字电子技术知识，完成课程设计，了解一般设计的基本过程。1.2电路要求1.2.1题目大功率AC-DC模块设计与实现1.2.2任务设计并制作如图1所示的单项AC-DC变换电路，输出直流电压稳定在12V，输出电流额定值为1A。1.2.3基本要求本题目要求成员不超过3个人；在输入交流电压Us=24V，输出直流电流I0=1A条件下，使输出直流电压Uo=24V±0.2V；在Us=24V，I0=1A，Uo=12V条件下，使AC-DC电路效率不低于85%；当Us=24V，I0在0.2—1A范围内变化时，负载调整率S1≤2%；具有输出过流保护功能，动作电流为：1.5A±0.2A。2.系统设计2.1总体方案设计根据系统的要求，确定系统的总体方案如图2所示。220V~变压器AC-DC变换电路+U3-+U0-图1单项AC-DC变换电路原理框图2.2具体电路设计2.2.1整流电路设计半波整流半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变压器存在直流磁化现象，并且电源利用率不高。半波整流电路图如图3所示图3半波整流电路桥式整流电路单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，电路效率更高，同时，选用肖基特二极管，电流通过二极管损失减小，进一步提高电路效率；并且半波桥式电路还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，因此在本次设计中选用单相桥式整流电路。在二极管的选择中，要求最高工作电压电压Um≤45V，因此在此设计中我选用四个SR5100do-27肖基特二极管。具体电路图如图4所示整流电路滤波电路稳压电路过流保护负载图2系统总体设计方案图4桥式整流电路2.2.2滤波电路设计整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。图5滤波电路尽量保留其输出中的直流分量，才能获得比较平滑的直流分量。可以利用电容两端电压不能突变或流经电感的电流不能突变的特点，将电容与负载并联，或将电感与负载串联就能起来滤波作用。电容选择4mf电解质电容。2.2.3稳压电路设计方案一：在设计前期本小组成员选用7800系列集成稳压芯片，用仿真软件搭建了如图6的电路：图67812稳压电路仿真通过仿真发现，该电路效率非常低下，在负载为12欧姆的情况下，该电路输入功率：inininUIP*=0.91*31=28.21W输出功率：outoutoutUIP*=0.91*10.9=9.919该模块的效率为：n=35%。远低于本设计要求的85%。在负载为12欧姆的情况下，输出电压已经降低到了10.9福特，电压调整率也不满足设计要求，所以经小组成员讨论，放弃这种设计方案。方案二：使用开关型稳压芯片LM2576LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件(如78xx系列端稳压集成电路)的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，等优点。查阅芯片手册知LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下：最大输出电流：3A;最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V;输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可调)等可选;振荡器频率：52kHz;转换效率：75%～88%(不同电压输出时的效率不同);控制方式：PWM;工作温度范围：-40℃～+125℃工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制;工作模式控制：TTL电平兼容;需外部元件：仅四个(不可调)或六个(可调);器件保护：热关断及电流限制;封装形式：TO-220或TO-263。由以上参数可知该芯片基本满足要求。Lm2576的典型接法如图7所示图7Lm2576的典型接法小组成员在查找相关资料的时候发现lm2576现在已经有升级版本的芯片lm2596，和lm2576相比，lm2596拥有更高的振荡频率，效率更高，所以，小组成员决定放弃使用lm2576，使用lm2596芯片进行稳压。方案三：使用开关型稳压芯片LM2596LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地、简化了开关电源电路的设计。另外lm2596还有输出电压可调、功耗小、效率高和具有过热保护和限流保护功能等特点。lm2596的典型应用接线图如图8所示，可调电压接法如图9所示图8Lm2596的典型接法图9Lm2596的可调电压接法输出电压的计算可由下式给出：其中VREF=1.23V为了确保输出稳定，R1选用标称阻值为1KΩ，精度为1%的电阻。CIN---470μF/50VCOUT----220μF/35VR1----1K，1%D1----5A/40VIN5825L1---68μH。由于lm2596芯片比较新，在仿真软件中没有这个虚拟器件，所以在咨询过相关老师之后，决定使用这个芯片进行设计。图10为设计电路图，相关参数计算参考了lm2596芯片的中文资料图10Lm2596的仿真电路图实际测试中该电路的相关参数如下：2.2.4过流保护电路设计方案一：普通熔丝保护电路当电流流过它时，它就会发热，随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度，若产生热量的速度小于热量耗散的速度时，保险丝是不会熔断的。若产生热量的速度等于热量耗散的速度时，在相当长的时间内它也不会熔断。若产生热量的速度大于热量耗散的速度时，那么产生的热量就会越来越多。又因为它有一定比热及质量，其热量的增加就表现在温度的升高上，当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断。这就是保险丝的工作原理。熔丝保护电路优点是电路简单，容易搭建，缺点是熔断时产生大量热并且电流反应是较迟钝的，故不能作为灵敏的保护装置。方案二：电子保护电路电子保护电路具有高速断流、恢复容易的特点，可应用于任何直流电路中作过流保护装置。图11电子保护电路如图11所示。当微动开关Ｋ接通时，单向晶闸管ＳＣＲ导通，直流电路也导通。当用电量增大到超过规定的允许值时，检测电阻Ｒ１上的电压大于０．７Ｖ时，晶体管ＢＧ导通，此时晶体管集电极Ｃ和基极ｂ间的电压下降到低于３ＣＴ的维持电压，３ＣＴ关断，切断供电电路。元件选择：当电路两端电压≤１００Ｖ时，ＢＧ用３ＤＤ１５Ｃ，单向晶闸管ＳＣＲ可用６Ａ／４００Ｖ。Ｒ１的阻值是根据电源所允许的电流确定的，即Ｒ１＝０．７／Ｉ（Ｉ为电源允许电流）。若电路的耗电是12Ｗ，Ｒ1阻值为0.47Ω的线绕电阻，允许通过的电流为1.5Ａ方案三：集成运算放大器输出过流保护电路图12所示为集成运算放大器输出过流保护电路,在因某种原因(如输出短路等)使集成运放输出过流时,保护电路即成恒流源,使集成运放不至因输山过流而损坏。图12集成运算放大器输出过流保护电路图12中,场效应管3DJ7按在集成运放输出端,并采用近似恒流源的接法。当电路工作正常时,场效应管呈现低阻抗,基本不影响电路的输出电压范围。当电路输出端短路时,场效应管呈现高阻抗,使电路输出电流得到了限制。二极管D1的作用是,在电能输出负电压时,与场效应管一起构成恒流源。D2与D1相同,则是在电路输出正电压时,与场效应管一起构成恒流源。场效应管应取其饱和漏源电流IDSS略大于集成运放输出电流的管子,因为大多数集成运放的输出电流都不超过±10mA,所以可选用如3DJ6H、3DJ7G等管子。Idss不能取得过大或过小,如果Idss过大,保护作用则会减弱Idss过小。普通熔断保险丝虽然电路简单易实现，不过反应不够灵敏。而电子保护电路相比于集成运算放大器输出过流保护电路，接线更简单，接通后晶闸管与采样电阻阻值约为0.5欧姆，效率更高，所以经过讨论决定采用电子保护电路。2.2.5系统总体电路设计体统总体电路设计如图13所示图13电路设计实际搭建的电路实物图如下：图14整体电路图2.2.6系统所用元器件所用的元器件清单如表1所示。表1元件清单3.系统调试与仿真3.1整流电路仿真调试半波整流电路调试如图14所示图14半波整流电路调试桥式整流电路调试如图15所示元器件名称数量KBL410整流桥1晶闸管DD15D1三极管1电阻3LM2596sDC-DC转换模块1电感3.3mH1电容30v2200uf1图15桥式整流电路调试3.2滤波电路调试电容滤波调试结果如图16所示图16电容滤波调试电感滤波调试结果如图17所示图17电感滤波调试3.3负载电阻调试将负载调整至12欧姆，使得输出电流为1安培，输出功率为12W。图18负载电阻调试3.4系统输入电压电流测试输入电压为24v，功率为15.08W，系统的总效率为79.5%。由于输入电压和输出电压的差别比较大，并且电路环节较多，所以DC-DC转换效率没有芯片标称的88%那么高，但是相对于7800系列芯片，效率已经有了两倍多的提升，本小组成员在用学生电源测试在输入电压和输出电压比较接近时候，效率已大于85%了。图19系统输入电压电流测试3.5系统小功率时输出电压测试实际测试电压为12.1v，系统负载调整率为0.8%，设计符合要求。图20系统输出电压测试3.6满载电压测试由于本设计电压控制存在反馈环节，所以输出电压非常稳定，负载调整率完全符合设计要求。图21额定负载系统输出电压电流测试4.总结4.1本系统的优缺点本系统利用LM2596稳压芯片充分发挥了该芯片的功能，能够快速直接的将直流电压稳定下来，使得整个系统显得十分的简便。这一点有着其深刻的意义，能够为生产生活和科研实践带来极大便利。同时整个的系统用了十分简单的装置就实现了调节直流电源的功能，让它的价值得到了更充分的体现。但是本系统也存在明显不足之处。本系统实现的功能十分的有限，仅仅是把交流电转换为稳定的12V的直流电源，这在实际中的应用并不是很广，所以本系统有待改进为功能更加强大的系统来为生活实际服务。4.2心得体会总结这次课程设计，可以说是对之前电子类课程的一个综合应用与实践。起初面对这样的题目感觉很难，不过随着上网查阅资料和组间讨论慢慢理清思路，并确定方案。在设计过程中遇到了好多问题，例如仿真结果与实际情况的出入，方案的可行性等，通过不断的翻书查阅资料，当然还有老师的指导，得到了部分解决。本次设计存在一些缺憾，例如设计指标没能全部达到要求，还有过流保护部分经过多次仿真和实际测量都没能达到很好的效果，所以最终没能实现。不过通过这次课程设计却也收获很多，之前学过的知识得到应用，不会再感觉到学而无用了，对以后的学习也有激励作用。通过实践认识很多电子元件，学会部分实验仪表测量方法，熟练了焊接操作。总而言之，本次课程设计虽有瑕疵，不过收获颇丰，最后要感谢老师给我们提供的学习环境和悉心的指导。参考文献【1】阎石主编.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.【2】丁镇生.电子电路设计与应用手册.北京：电子工业出版社，2013.【3】童诗白华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.5