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直流稳定电源电路设计
直流稳压电源设计
摘要
21世纪的我们正在处于蓬勃发展的信息时代,在此,越来越多的电气、电子设备涌现在市场的各个角落,于是必不可少的能源供应部件需求日益增加,而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。
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,在推动科技发展中起着重要作用。
本实验设计有三个电路模块构成:
稳压电源、稳流电源、DC-DC变换器。
一律采用
仿真技术设计调试。
依上述顺序,每个模块的输入即为前一模块的输出,而稳压电源的输入为市电220v\50Hz。
其中稳定电源的设计要满足在输入电压220V50Hz、电压变化范围+15%-—20%条件下•输出电压可调范围为+9V〜+12V,最大输出电流为1.5A,电压调整率w0.2%(输入电压220V变化范围+15%-—20%下空载到满载),负载调整率w1%(最低输入电压下,满载),纹波电压(峰-峰值)w5mV(最低输入电压下,满载),效率》40%(输出电压9V、输入电压220V下,满载),具有过流及短路保护功能。
电流设计要满足在输入电压固定为+12V的条件下,输出电流:
4〜20mA可调,负载调整率w1%(输入电压+12V、负载电阻由200Q〜300Q变化时,输出电流为20mA寸的相对变化率)。
DC-DC变换器设计要求要满足在输入电压为+9V〜+12V条件下,输出电压为+100V,输出电流为10mA电压调整率w1%(输入电压变化范围+9V〜+12",负载调整率w1%(输入电压+12V下,空载到满载),纹波电压(峰-峰值)w100mV(输入电压+9V下,满载)。
关键词:
稳压电源电路设计仿真调试数据整理
1原理电路的设计2
1.1直流稳压电源电路设计2
1.2直流稳流电源电路设计5
1.3DC-DC转换电路设计8
1.4电路图与主要工作原理10
1.5主要参数的选择与计算10
2、仿真、调试过程11
2.1电路实物的安装与调试11
2.2DC-DC转换器的仿真与参数分12
2.3针对问题的调试13
3、数据整理及最终分析及遇到的问题14
4、元器件清单16
5、主要参考文献17
1原理电路的设计
1.1直流稳压电源电路设计
在本设计中电路都是采用模块设计思想.因此,对电路进行分析、论证都以模块来进行的。
1.1.1可行的直流稳压电源电路设计方案
经过对课本的学习,以及从各种书本与网络上获取的信息,我从中归结了以
下几种设计思路:
1.1.1.1采用单级开关电源,由220V交流整流后,经开关电源稳压输出.但此方案所产生的直流电压纹波大,在以后的几级电路中很难加以抑制,很有可能造成设计的失败和超出技术指标参数。
1.1.1.2串联型反馈式稳压电路(参考教材)。
从滤波电路输出后,直接进入线性稳压电路如下1.1所示。
线性稳压区域为一个串联型反馈式稳压电路,又可分为基准电压、比较放大器、调整管、取样电路四部分。
线性稳压电路输
出值可调,为9-12V直流稳压输出.这中方案的优点是:
电路简单,容易调试。
图1.1
1.1.1.3在第二个方案的基础上加上DC-DC变换器(即在线性稳压电路前端加入),采用脉宽调制(PWM技术,并采用恒压差控制技术,如图1.2所示。
图1.2
在这种情况下,由DC-DC变换器来完成从不稳定的直流电压到稳定的直流电压的转变,由于采用脉宽调制技术和恒差控制技术,使得线性稳压电路两端呀差减小,电路消耗大幅度下降,解决了方案二中的效率低的问题•其次,由于使用脉宽调制技术,很容易过流、过热、自动保护恢复•此外,还可在DC_D(变换器中加入软启动电路,以抑制开关是的“过冲”。
1.1.1.4LM317集成稳压芯片构成的可调式稳压电源
用LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源,主要因为它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM117/LM317不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸(约15厘米)。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源电路图1.3:
图1.3
1.1.2最终决定的直流稳压电源电路设计方案
由于方案1所产生的直流电压纹波大,在以后的几级电路中很难加以抑制,很有可能造成设计的失败和超出技术指标参数,不宜采用。
方案3与方案4简单
且可行性比较高,但本实验的设计是从稳压源稳流源DC-DC变换器
的模块分布设计的,故方案三不采纳。
方案4个人认为实际上是将方案2的部分设计思路与原件通过LM317集成稳压芯片来实现的,本着学习其内部原理的目的,此次实验设计米用方案2。
1.2直流稳流电源电路设计
1.2.1可行的直流稳流电源电路设计方案
1.2.1.1下图1.4由双运放构成的恒流电路
1_I_I_I_I_I_I_I__I_I__f_I_I_f_I
图1.4
Out1是深反馈同相放大器;out2接成电压和跟随器组态,它把输出电压反馈回输入端.依放大器特性:
Up=Ur*R22/(R22+R23)+Uo*R23/(R23+R22)
Un=Uo'*R24/(R24+R25)
Up=Un
在设计中,取R22=R23=R24=R25由以上三式可得Uo'-Uo=Ur,即电路R26上的压降(Uo'-Uo)等于控制电压Ur.忽略集成运放的输入偏置电流,则输出电流为:
lo=Ur/R26
这种方案利用运放构成一深反馈电路,有效地抑制了外界干扰,使得恒流电源工作稳定性增强,理论上可以达到0.001-0.0001之间的稳定度,完全满足设计要求。
1.2.1.2高精度恒压恒流直流稳压电源电路
该电路可以实现稳流输出,但毫无疑问的是过于复杂,精度极高,超出题目
要求及制作条件,故不予考虑。
121.3开关电源式高压恒流源电路图
研制仪器需要一个能在0到3兆欧姆电阻上产生1MA电流的恒流源,用UC3845吉合12V蓄电池设计了一个,变压器采用彩色电视机高压包,其中L1用漆包线在原高压包磁心上绕24匝丄3借助原来高压包的一个线圈丄2借助高压包的高压部分丄3和LM393构成限压电路,限制输出电压过高,调节R10可以调节开路输出电压。
1.2.1.4采用的LM317集成三端稳压器,用12V供电,依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点,用R3与RS2的阻值控制输出电流的大小,达到输出稳定可调电流的目的。
电路如图1.5:
°
PST
U2
S1
LM317
7
£
Vin
+Vout
3
■
■
■
R
3
a
9:
2
4
b
■
I
;00
Q】
/
4
厂
I-C
、trfcj
A
丿
■
■
fkJLI
\
■
/
9012
I-OU12
1
图1.5LM317组成稳流电源电路
121.5TL431恒流源电路
原理图如下所示。
该恒流源如与稳压线路配接,可做电流限制器用。
恒
流值与Vref和外加电阻,即下图中的R6于Rz之和有关,因此调整Rz的阻值,可以改变流经负载RI的电流,从而成为可调稳流源。
2kn
+12V
42inA
1r'丫
Ci[
!
25V2ZpF
a
TL431
k■■—「
--
F叫A
图1.6
1.2.2最终决定的直流稳压电源电路设计方案
高精度恒压恒流直流稳压电源电路可以实现稳流输出,但毫无疑问的是过于
复杂;双运放构成的恒流电路的方案利用运放构成一深反馈电路,有效地抑制了
外界干扰,使得恒流电源工作稳定性增强,可以很好的满足设计要求;用LM317制作恒流源电路的方案同样简单易行,在性能上也能达到设计要求指标。
但是经过综合考虑可行性、简便性、设计目的性与制作时间等各个方面,我最终选择最后一个恒流源方案,即TL431恒流源电路。
1.3DC-DC专换电路设计
1.3.1可行的DC-DC转换电路设计方案
1.3.1.1DC-DC转换电路.使用此电路的目的在于最大限度地降低模块低功耗,同时为下一级提供一个稳定直流电压。
它的电路如图1.7所示。
图1.7DC-DC电路图
DC-DC电路为由核心芯片TL494作控制的单端PW降压型开关稳压电路.图中R3与C3决定开关电源的开关频率•电阻R11作为限流保护电阻用。
其片内误差放大器(EA1)的同相输入端(脚2)通过5.1K欧姆电阻(R4)接入反馈信号,从后级线性稳压电路得到分压.开关管采用PNP型大功率晶体管。
1MHz电流型PWMDC/DC变换器的原理框图。
电流型控制电路以UC3843为核心,开关频率为1MHz变换器采用推挽式〔3〕主电路;同步整流采用功率MOSFET可控整流电路;辅助电流由电阻和12V稳压管组成(也可采用自举电路),为UC3843提供+12V电源;电流采样是取变压器初级串联电阻上的电压(见图中电阻R)。
仪供参考二
:
:
:
:
:
:
:
R4
—AW
680kn
二二二:
680kq
图1.8
132最终决定的DC-DC专换电路设计方案
经过综合各方面因素,我最终选择了第3个方案,即DC-AC-DC专换升压
电路。
1.4电路图与主要工作原理
由于时间问题,以上三个模块全部用仿真软件进行仿真与调试。
1.4.1稳压模块工作原理
串联型稳压电路利用双极性三极管的CE极间电阻受基极电流控制的特性,构成以双极性三极管稳压电路为核心的串联型稳压电路,通过引入了典电压串联负反馈,进一步提高了输出电压的稳定性。
而之前的滤波整流电路从50Hz、220V的交流电压中得到直流电压。
1.4.2稳流模块工作原理
恒流值与Vref和外加电阻,即原理图5中的R6于Rz之和有关,因此调整Rz的阻值,可以改变流经负载RI的电流,从而成为可调稳流源。
1.4.3DC-DC转换器模块工作原理
依靠第一级的稳定电压输出供电,依靠原理图中的Q1、Q2Q3和R7R8C5构成的自激振荡电路,由上一级的直流供电产生一个交流电信号,在经过变压器升压,再度转换为直流信号输出,同时达到升压的目的。
在恒定频率的PWMS断中,控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压Ucon与锯齿波相比较而产生的.控制电压则是通过偏差(即实际输出电压与其整定值之间的差值)获得的.锯齿波的峰值固定不变,其重复频率就是开关的通断频率。
在PWM控制中,这一频率保持不变,频率范围从几千赫到几十万赫•当放大的偏差信号电平高于锯齿波的电平时,比较器输出高电平,这一高电平的控制信号导致开关导通,否则,开关处于关断状态•当后级反馈电压高于TL494的基准电压5V时,片内误差放大器EA1输出电压增加,将导致外接晶体管T和TL494内部T1、T2管的导通时间变短,使输出电压下降到与基准电压基本相等,从而维持输出电压稳定,否则结果相反。
1.5主要参数的选择与计算
串联型负反馈式稳压电路的计算公式如下:
输出电压与调整管Vce的关系:
Vo=Vi-Vce=9V~12V
输出电压与分压电阻和稳流管的关系:
[(R1+R2+R3)/R2+R3]*Vz 通过计算,最终选择R仁4k欧,R2=2k欧,R3=6k欧 同时稳压管选择1N5233B其额定电流为76mA稳定电压为6V 调整管的功耗较大,故选择大功率管BCW72 运用较大的4700uf的电容和较小的O.Oluf的电容同时滤除咼频与低频的纹波。 输出端用一8欧的电阻与负载串联,从而起到控制最大电流为1.5A的作用 2、仿真、调试过程 由于时间有限,所设计的三个模块应用MULTISIM进行仿真。 2.1直流稳压电源的仿真电路图及结果: 仿真电路如2.1所示: o 1 11 Q1 BCV/72 .R1卜4kC .7mF 5 4 U1A 3 C1 10nF D2 2 才 rLM32iM 2 ^1M523 JIB LI 4 R4 1KL 最小输出电压为9.03V 0 图2.1 仿真结果: 最大输出电压为12.04V a~de| r="l 油一ia 最大输出电流: lmax=1.502A 2.2稳流电源的仿真电路图及结果: 仿真电路如图2.2所示: VGC VCC : Q1 2N2222 TVjT 1: : : Rl: : : -―AAA— : : 200Q: : 12V |_I_L一JIIn R12kO C1 : ±22uF C2 - 100nF. 屜: U1JTL431ACD; 0二: ;: ; 图2.2 可调范围满足要求。 可调最大电流lmax=24.866mA R24 1100% 可调最小电流Imin=2.268mA X 2.3DC-DC电压转换器的仿真电路图及结果: 仿真电路图如下所示 : : : : : : : : : R4: .: : : : : : .: : : : .R5........ VA : : : : : : : GBOkD: : : : : : : : : : GSDkD: : : : : : 图2.3 电压扩大范围满足要求 输出电压为Vo=100.076V Set…] 3、实验过程中遇到的问题: 仿真过程中遇到的两个问题: 3.1在进行仿真的过程中,对我同时仿真了双运放构成的恒流电路,下图为 仿真图3.1: 图3.1 但是通过仿真结果的测试没有得到预计的参数,由于时间有限,对此电路 图还不是了解十分清晰,因此未能找到原因 3.2设计电路在进行DC-DC电压转换电路的仿真中我先进行了按照原理图中的电路连线仿真,电路图如下3.2: 图3.2 但是结果仍没有达到预期效果,原因仍有待我去研究。 之后通过查找多方面的资料,转化了电路图,最终才得到了符合要求的结果 ■G- HAIIAIX 「峯宙必' TM00 SWB TM SB P至L 1/\19> IAIOL 举乙 >1089 >1Z> 川 至L 6C IW ■1■ ZOON1 M二' 9L OLCdl1 S X/ZZZZNZ 易您三 91 0厂旳cTS丄 兽谶歪oa-oa 军l zini/0 举i jnss SB WL H/\II/\IX 峯宙必 至L 至L >1001 举L >1002 举L >12 IW 91 ZZZZNZ 易您三 91 H比窗丄 易田锻 滋& W 勒兽團壷王 岳混歆鬆哥 Wi H/\ll/\IX 峯宙必 军L 举L 举L ”9 至L 举L IW 举i szMoa 91 i/\i陀£i/\n .91 TM00 SB 9L jnoozt7 SWB 91 aeessNi 易田锻 91 A00VNZ 9L A9L 滋& W 勒兽團壷王 岳混歆ET锻 5、主要参考文献 《模拟电子技术基础》吴有宇主编 《晶体管电路设计》科学出版社出版 《电子线路设计•实验•测试》第三版,谢自美主编,华中科技大学出版社 《新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计》,梁宗善主编,华中科技大学 出版社 《电子技术基础课程设计》,孙梅生等编著,高等教育出版社 《实用单元电路及其应用》黄继昌,张海贵;;人民邮电出版社 《模拟电子电路基础》王卫东,江晓安.西安电子科技大学出版社,2003 电路与电子简明教程》王槐斌吴建国周国平.华中科技大学出版社,2006
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