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220V、50Hz、电压变化围＋15%～－20%条件下．输出电压可调围为+9V～+12V，最大输出电流为 1.5A，电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化围＋15%～－20%下，空载到满载），负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载），纹波电压（峰-峰值）≤5mV（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≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）。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≤1%（输入电压变化围+9V～+12V），负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载），纹波电压（峰-峰值）≤100mV （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

目录

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)

1.3 DC-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_DC变换器中加入软启动电路,以抑制开关是的“过冲”。

1.1.1.4 LM317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 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，本着学习其部原理的目的，此次实验设计采用方案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

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: Io=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。

1.2.1.3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结合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,L3借助原来高压包的一个线圈,L2借助高压包的高压部分.L3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：

图1.5 LM317组成稳流电源电路

1.2.1.5 TL431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Rl的电流，从而成为可调稳流源。

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转换电路设计

1.3.1可行的DC-DC转换电路设计方案

1.3.1.1 DC-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1.7 DC-DC电路图

DC-DC电路为由核心芯片TL494作控制的单端PWM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 PWM DC/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)。

1.3.1.2集成运算放大器的升压电路

不过此电路只能由5V升至30V，达不到设计要求。

1.3.1.3 DC-AC-DC转换升压电路

这一电路依靠Q1、Q2、Q3组成的自激震荡电路，将直流电源输入的电能转化为交流电压，经变压器升压后再恢复为直流。此种电路结构简单，设计合理，且升压围比较大，能够达到设计要求。缺点在于输出的电压不稳定，有较大波动，而且交流纹波电压比较大。原理图如下：

图1.8

1.3.2最终决定的DC-DC转换电路设计方案

经过综合各方面因素，我最终选择了第3个方案，即DC-AC-DC转换升压电路。

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Rl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、Q2、Q3和R7、R8、C5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PWM通断中,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，片误差放大器EA1输出电压增加,将导致外接晶体管T和TL494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R1=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0.01uf的电容同时滤除高频与低频的纹波。

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：

图2.1

仿真结果：最大输出电压为12.04V

最小输出电压为9.03V

最大输出电流：Imax=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：

图2.2

可调围满足要求。

可调最大电流Imax=24.866mA

可调最小电流Imin=2.268mA

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

图2.3

电压扩大围满足要求

输出电压为Vo=100.076V

：

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

4、元器件清单

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

《电子线路设计·实验·测试》第三版，自美主编，华中科技大学

《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《电子技术基础课程设计》，梅生等编著，高等教育

《实用单元电路及其应用》黄继昌，海贵；；人民邮电

《模拟电子电路基础》王卫东，江晓安. 电子科技大学，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，2006