直流稳压电源的设计与测试

1电子线路基础课程设计（A类）直流稳压电源的设计和测试班号：小组成员：2直流稳压电源的设计和测试（一）设计目的1、学习直流稳压电源的设计方法2、研究直流稳压电源的设计方案3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法（二）技术指标要求电源输出电压为±15V,输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA，稳压系数Sr≤5%。（三）系统设计框图与系统说明以及各功能电路设计1、电路原理直流稳压电源的工作流程如下：交流电源图1直流稳压电源的设计电路框图uuuuotttt220V50Hzuo图2直流稳压电源的方框图结合图1、图2，我们得出直流稳压电源的工作原理：电路接入幅值为220V、频率为50Hz的ui，通过电源变压器，将220V的电压幅值调整为合适的电路工作压值u2。通过电源变压器输送过来的交流电，再通过桥式整流电路BRIDGE，得到单方向全波脉动的直流电压。由于单方向全波脉动的直流电压中含有交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路的后面加一个滤波电路，以滤去交流成分，电容C就起到这个作用；对于要求不高的电路，经过滤波后的直流电压可以直接应用，对于一些要求比较高的电路。我们在滤波电路的后面再接一个稳压电路，使输出的直流电压更加平滑，如集成稳压器CW7815和CW7915。一般来说，滤波电容C1的容量比较大，本身就存在着较大的等效电感，因此对于引入的各种高频干扰的抑制能力很差。为了解决这个问题，在电容C旁并整流电路变压器滤波电路稳压电路变压整流滤波稳压3联一只小容量电容器C2，就可有效地抑制高频干扰。另外，稳压器在开环增益较高、负载较重的状态下时，由于分布参数的影响，有可能产生自激，C1、C2则兼有抑制高频振荡的作用。输出端接入电容器C3、C4，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。2、电源变压器单元电路的设计源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为。图3电源变压器电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA～0.5kVA为中功率，0.5kVA～25VA为小功率，25VA以下为微功率。3、整流单元电路的设计整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此，二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率（1kW以下）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。（二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大）。io+V1\_+v2_+vo_RLio+vo_+v1_+v2_D1D4D3D2RL4图4单相桥式整流电路图图4是容性负载单相桥式整流电路。它的四臂是由四只二极管构成，当变压器B次级的1端（上）为正、2端（下）为负时，二极管D2和D4因承受正向电压而导通，D1和D3因承受反向电压而截止。此时，电流由变压器1端通过D4经RL，再经D2返回2端。当1端为正时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，电流则由2端通过D3流经RL，再经D1返回1端。因此，与单相全波整流一样，在一个周期内的正负半周都有电流流过负载，而且始终是同一方向。负载上的直流电压UL和直流电流IL的计算：图5单相桥式整流电路电压、电流波形图输出电压的直流分量即为输出电压的平均值为：输出电流平均值为：输出电压除直流分量外，uo还有不同频率的谐波分量，如第二项为基波，第三项为二次谐波，它们反应了uo的起伏程度或者说脉动程度。其中基波峰值与输出电压平均值之比为输出电压的脉动系数S（ripplefactor）,则单相桥式整流电路的脉动系数为5整流元件参数的计算：在桥式整流电路中，二级管是两两轮流导通，所以流经每个二极管的电流为：每个二极管截止时承受的最大反向电压为：一般电网电压的波动范围为+%10到-%10之间，实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应该留有大于%10的余量。4、滤波单元电路的设计整流电路的输出虽为单一方向的直流电，但因其含有较大的谐波成分故波形起伏明显，脉动系数大，不能适应大多数电子设备的需要。一般整流电路之后，还需接入滤波电路（filters）以滤除谐波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流电。图6滤波电路的基本形式滤波电路一般由电抗元件组成，例如在负载电阻两端并联电容器C，或者在整流电路输出端与负载之间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。图6中的（a）图是C形滤波电路，（b）图是倒L形滤波电路，图（c）是形滤波电路。滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容C接在最前面）和电感输入式（电感L接在最前面）。前一种滤波电路多用在小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一个电感器与负载串联）。电容滤波电路：6图7桥式整流、电容滤波电路图7所示为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压uc对整流元件导电的影响。整流元件只有在受正向电压作用时才导通，否则便截止。负载RL未接入（开关S断开）时：电容C充电时间常数为：式中Rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。接入负载RL（开关S闭合）时：电容C充电时间常数为：因为一般较大，故电容两端的电压uc按指数规律慢慢下降。在纯电阻负载时，变压器二次电流的有效值I2=1.11IL而有电容滤波时：I2=（1.5~2）IL为了得到平滑的负载电压，一般取。电容滤波负载电压VL与V2的关系：V=（1.1~1.2）V2图8桥式整流、电感滤波电路5、稳压单元电路的设计整流滤波电路将交流电变换成了比较平滑的直流电，但输出电压Uo仍会受到下列因素的影响：（1）电网电压通常允许有的波动，这将造成Uo按相同的比例变化（2）输出电流（即负载电流）Io通常是作为其他电子电路的供电电流能会经常变动，Uo将随Io的变化（或负载阻值的RL变化）而变化。7稳压电路的作用就是消除上述两项变动因素对输出电压的影响，获得稳定性好的直流电压。输出电压的变化量ΔUsc是很微弱的，它对调整管的控制作用也很弱，因此稳压效果不够好，带有放大环节的稳压电源，就是在电路中增加一个直流放大器，把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管，从而提高对调整管的控制作用，使稳压电源的稳定性能得到改善。三极管T是调整管，A是比较放大电路。输出电压变化量ΔUsc的一部分与基准电压Uw比较，并经A放大后进到了T的基极。Rc是A的集电极电阻，又是T的上偏置电阻。R1、R2是T的上、下偏置电阻，组成分压电路，把ΔUsc的一部分作为输出电压的取样，送给T的基极，因此又叫取样电路R2上的电压Ub2：叫取样电压。DZ和R3组，成稳压电路，提供基准电压Uw=Ue2。图9串联反馈式稳压电路一般结构图图9中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压。这种稳压电路的主回路是起着调整作用的调整管T与负载串联，故称为串联稳压电路。基准电压VREF、调整管T和A组成同相放大电路，输出电压：输出电压的调节范围：RP动端在最上端时，输出电压最小：8RP动端在最下端时，输出电压最大：图1078L系列输出电压固定的三端集成稳压器集成稳压器方案：根据技术指标要求：电源输出电压为15V，输入电压为220V，最大输出电流为IL=500mA。因为集成稳压器比较方便，故采用LM7815CT集成稳压器组成稳压电路。9图11LM7815CT集成稳压器6、整体电路的参数确定及元件选择图12总体的设计图输入电压的确定：U2太低则稳压器性能将受影响，甚至不能正常工作；U2太高则稳压器功耗增大，会导致电源效率下降，使最大输出电流有所降低。所以U2的选择原则是：在满足稳压器正常工作的前提下，U2越小越好，但U2最低必须保证输入、输出的电压之差大于2—3V。由技术指标要求可确定U2的值，取变压器输出的U2=18V。电源变压器：源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。一般小型变压器的效率为：10表13变压器的效率表副边功率P/VA101030308080200效率η0.60.70.80.85根据设计的要求，最终要输出15V的直流电压。若从变压器输出的送给整流滤波电路的电压V2为18V，则电容滤波电路的负载电压VC与V2的关系为：VC=(1.1~1.2)V2为了稳定直流电压为15V，后面的稳压电路选用集成稳压器：LM7815CT。也就是说V2为18V符合要求。于是变压器的变比n可以计算：于是可以用变比n为12、功率为8W变压器。整流电路：图14整流部分显然采用单相桥式整流电路，要求最大输出IL为500mA，于是，最大允许流经每个二极管的电流：而每个二极管所承受的最大反向电压为：于是整流桥部分采用的是四个型号为1N4007GP的二极管构成。11图15滤波部分滤波电路：滤波电容C可由下式估算：为稳压器纹波电压，为电容C的放电时间，=0.5T=0.01s，IC为电容C的放电电流。可取Ic=Iomax，滤波电容C的耐压值应该大于。还有若考虑电路电压波动为%10,则电容器承受的最高电压为：由技术指标要求可确定滤波电容。稳压电路：稳压部分采用集成稳压器LM7815CT，集成稳压器LM7815CT的最大输入电压Vi=35V，最大输出电流Io=1.5A，最大耗散功率PD=20W，参数都符合要求。直流稳压电源保护电路:在变压器的副边可以接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他元件，其额定电流要略大于IF，，选FU的熔断电流为1A。（四）各功能电路输入输出仿真软件与说明1、Cadence仿真软件的简介CadenceOrCADCapture是一款多功能的PCB原理图输入工具。OrCADCapture作为行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一，具有简单直观的用户设计界面。OrCADCaptureCIS具有功能强大的12元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。OrCADCapture提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。将原理图设计技术和PCB布局布线技术相结合，OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改，还是用于设计层次模块，OrCADCapture都能为设计师提供快速的设计输入工具。此外，OrCADCapture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。优点:1)图形化、平面化和层次化设计能力提高了原理图设计效率；2)与强大的元件信息系统（CIS）高度集成，促进优选器件和已有器件库的重用，可以加快原理图设计进程，降低项目成本；3)便于查找元件，并与MRP、ERP、PDM数据库实现高度集成；4）为用户提供超过200万的免费元件库，便于灵活选择设计元件；5）集中管理物料编号和器件信息；6）可进行数据流程、封装以及互联的在线设计规则检查；7）用户可以对元件、连线、网络、引脚和标题框进行灵活的编辑和定义；8）可以导入和导出所有常用的设计文件格式；9）宏记录器可用于复杂的原理图编辑和定制过程的录制2、半导体直流稳压电源仿真电路13图16半导体直流稳压电源仿真电路2、仿真结果与分析14图17仿真电路的输出结果仿真的输出结果在15V左右，现在测量稳压系数，测试的过程是：先调节变压器，使输入电压增加10%，即VI=242V，测量此时对应的输出电压Vo1=15.111V，再次调节变压器使输入电压减少10%，即VI=198V时，测量输出电压Vo2=14.983V，在测量VI=220V时，对应的输出电压Vo=15.110V，于是稳压系数为：符合设计要求。3、PCB电路板的设计15图