直流稳定电源设计报告

直流稳定电源设计报告

参赛小组：

参赛队员：

指导老师：

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目录

摘要…………….. Abstract………..

1.设计任务及要求

2.设计方案及硬件电路设计…..

2.1.直流稳压电源

2.1.1.电路方案选择

2.1.2.元件参数分析

2.2.直流稳流电源

2.2.1.电路方案选择

2.2.2. 元件参数分析

2.3. DC-DC变换电路…

2.3.1.电路方案选择

2.3.2. 元件参数分析

2.4. MSP430F149显示采集电压…

2.4.1. 器件介绍

2.4.2. 硬件设计

2.4.

3. 软件设计

3. 仿真及分析

4.实验结果数据分析

5.实物制作

6.参考文献

7.心得体会

附录：……..

摘要

随着现代科技的发展，电工电子方面也有了很大的进步。电源作为电气、电子设备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。本设计分别用串联型线性稳压电路，串联调整式稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源，运用放大和反馈电路直流稳流电源和DC-DC升压变换器。通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。在通过TI公司推出的超低功耗MSP430系列单片机显示设计电源输出电压，让设计更加智能化。

关键词：电源；稳压电路；稳流电路；DC-DC；MSP430单片机Abstract: Along with technical development, the electricity and electronic instruments have already been widespread applied in daily, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energy-supply part of electrical and electronic instruments, its demand increases day by day, and also been set a higher request to function, stability and so on each target. The power supply research has already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. It’s playing the vital role in the impetus of science and technology development. This design separately uses series linear constant voltage circuit, series regulate constant current circuit and the feedback type contravariant circuit to design direct current constant voltage power supply,

direct current constant current power supply and DC-DC converter. We must calculate various each component parameter in the circuits by correlated knowledge and enable the circuit performance to meet in the design requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rate, ripple voltage and so on.

Key Words: Power Supply；voltage stabilizer；Steady Stream；DC-DC；msp430

Single Chip Microcomputer

1.设计任务及要求

1.1.任务

设计并制作交流变换为直流的稳定电源。

1.2要求

1.2.1基本要求

（1）稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：

a．输出电压可调范围为+9V～+12V

b．最大输出电流为1.5A

c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）

d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）

e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）

f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）

g．具有过流及短路保护功能

（2）稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：

a．输出电流：4～20mA可调

b．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）

（3）DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：

a．输出电压为+100V，输出电流为10mA

b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）

c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）

d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）

1.2.2发挥部分

（1）扩充功能

a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态

b．过热保护

c．防止开、关机时产生的“过冲”

（2）提高稳压电源的技术指标

a．提高电压调整率和负载调整率

b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值

（3）改善DC-DC变换器

a．提高效率（在100V、100mA下）

b．提高输出电压

（4）用数字显示输出电压和输出电流

2.设计方案及硬件电路设计

2.1. 直流稳压电源

2.1.1 电路方案选择

方案一：经变压器输出的直流经开关电源稳压输出。但此方案产生直流电压纹波大，在后几级电路中很难加以抑制，因此不可行。方案二：经变压器输出后，直接进入由分立元件搭建的线性稳压电路，线性稳压电路输出值可调，优点所需元件简单，缺点元件多参数难以控制，，。

方案三：在方案二的基础上选用三段集成直流稳压电器lm317，lm317输入电压30v左右，输出1.25—37v可调电压。且最大输出电流1.5a，电压调整率0.1%,80db纹波抑制比，自带输出短路保护，过流，过热保护电路。

比较上述三种方案，决定选用方案三。因为其稳压性能好，适用范围比较宽广

2.1.2 元件参数分析

2.2. 直流稳流电源

2.1.1 电路方案选择

方案一：基本思想是利用7805集成基推电压源，其3端与1端之间固定压降为5v，流经电阻后产生恒稳的电流。

(1)不加三极管的方案，如下图这是一种被普遍采用的产生恒流的方法，但它有两点不足。一是集成块的静态电流作为负载电流的一部分，当前者随输入电压及负载的变化而变化时，会影响后者的稳定；二是该电路不能提供小于I（a dj）的恒流。

图2—6 不用三极管的稳流电路

(2)使用三极管的方案。如下图：针对上一种方案，我们进行了改进，加进了一只三极管，则静态电流I（adj）由三极管e、c极提供，而流经RL的静态电流仅为I（adj）的1/(1+x)该电路能提供比I（adj）还小的恒定电流。

图2—7 使用三极管的稳流电路

设计中由于不需要太低的电流，所以不符合题目要求。

方案二：如图是一个由双运放构成的恒流电路。U2为深反馈同相放大器；U3接成电压跟随器组态．它把输出电压反馈回输入端。

方案三：

比较上述三种方案，决定选用方案三。因为其稳流性能好，适用范围比较宽广

2.1.2 元件参数分析

稳流电路；

输出级LM324的同向电压P V 和反向电压N V 分别为

4

34R R R V V R P +?=

+

4

33R R R V O +? 2

11'

R R R V V O N +?=

根据放大器特性，P V =N V ，取R O O V V V =-',则5R 上的压降)('O O V V -等于基准电压R V ，计算得到1R =2R =3R =4R 。则输出电流为

5

R V I R

O =

调节电位器可得到输出电流范围4～20mA 。

2.3. DC-DC 变换电路 2.3.1电路方案选择 方案一：

采用Boost 型DC-DC 升压器。这种电路结构简单，容易实现，但输入输出电压比太大，占空比大，输出电压范围小，难以达到较高的指标。

方案二：以TL494为控制核心，以功率晶体管IRF630、整流二极管HER107和高频变压器，以及阻容元件构成。TL494内部结构见附件2，电路原理如图8所示。TL494产生一定频率PWM 波，控制功率晶体管导通和截止。当IRF630受控导通时，高频变压器将电能转变

成磁能储存起来，当IRF630截止时，高频变压器原、副边电压极性改变，HER107由反偏变为正偏导通，高频变压器将原先储存的磁能转变为电能，通过整流和LC 滤波网络变成直流向负载供电。

TL494产生开关频率控制功率晶体管，并且产生基准电压REF V 。输出电压为

()

'

1212

11W

w REF Out R R R R R V V +++?=

取11R =100K ，12R =2.5K ，调节电位器W R =3.125K ，则可计算得输出电压Out V =100V 。

比较上述二种方案，决定选用方案二。因为，能够更加精确控制输出的电压，且输出范围较大，满足指标。 2.3.2元件参数分析

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电变压器原理图流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。市面上很难买到适合题目要求的高频变压器，因此我们选择自己绕制。

输入电压最小值Vin=9V ，最大占空比=0.45，要求输出电压U=100V ，电流I=10mA ，

得变压器功率

101.0100=?=?=I U P O W

取f=40KHz ，则变压器绕阻电感量

f

I D Vin L P ??=

max

=9?0.45/(0.01?40000) =10.1mH

匝数比()()

()in

O V D D V N N ?-?+=

max

max

112

1

=(100+1)?(1-0.45)/(0.45?

9)=13

2.4. MSP430F149显示采集电压

2.4.1. 器件介绍

（1）MSP430单片机 MSP430的性能

MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。

MSP430特点：

MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。

强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8~3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA 。

丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT ）、模拟比较器A 、定时器A （Timer_A ）、定时器B （Timer_B ）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC 、IIC 总线直接数据存取（DMA ）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer ）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16位定时器（Timer_A 和Timer_B ）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、SPWM 等； MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

MSP430的内部结构图

（2）12864液晶显示器

本次试验采用SMG12864G2-ZK 液晶显示模块，此液晶模块液晶显示模块是128×64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312 码简体中文字库（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及64X256 点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU 直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。

2.4.2 硬件设计

在MSP430F149内置一个ADC12模数转换器，并且采样速度快，ADC的所有功能都可以通过用户软件独立配置。结构如图：

软件设计的流程图为

3.仿真及分析

4.

5.

4.实验结果数据分析

表1 测试使用的仪器设备

（1）稳压电源测试

① 输出电压和输出电流测试。外接负载为5Ω、5.6Ω、6Ω、7Ω、8Ω的功率电阻，调节电位器，改变输出电压（9V~12V ），观察电流表读数变化。测量结果如下表2所示：

表2 输出电压、输出电流测试结果

从上表中可以看出，稳压电路完全达到要求。

注：如果设定过流保护时的电流为1.60A ，以上超过此值的视为无效。

② 负载调整率测试。输入电压下，从空载到满载，测得输出电压如下表3所示：

表2负载调整率测试结果

0%10001

.1201

.1201.12=?-=

?U

U

满足题目要求。

③ 纹波测试。接上负载后用泰克示波器观察纹波U c 为1.5mv 波动，能满足指标要求。 （2）稳流电源测试

① 输出电流测试。外接负载阻值为200Ω，调节电路中的电位器用万用表测出输出电流最小值和最大值。测试结果如下表3所示：

表3 稳流输出电流测试结果

② 负载调整率测试。用万用表分别测出负载为200Ω和300Ω时的输出电流，结果如下表4所示：

表4 稳流负载调整率测试结果

0%1001

.0201

.0201.020=?-=

?I I

（3）DC-DC 变换器测试

① 输出电压和电流测试电路见附件5所示。测电流所接负载阻值为10K ，测试结果输出电压U=100V ，输出电流I=10mA 。

② 电压调整率测试。在输入9~12V 电压下，用万用表直接测输出电压，结果如下表5所示：

表5 DC-DC 电压调整率测试结果

计算电压调整率为

%1.0%100100

100

1.100=?-=

?U

U

③ 负载调整率。测试电路见附件6所示，输入电压为12V 下，满载阻值为10K 测试，结果如下表6所示：

%1.0%100100

100

1.100=?-=

?U

U

④ 纹波电压测试。输入电压9V 下，满载，用泰克示波器直接测出纹波电压最大为70mV 左右。

5.实物制作

6.参考文献

【1】黄志伟 《全国大学生电子设计竞赛训练教程》电子工业出版社

2010.6

【2】余小平 《电子系统设计》北京航空航天大学出版社 2007.3 【3】吴友宇 《模拟电子技术基础》 清华大学出版社 2009.05

6. 心得体会

7. 我们组从选题——分析题目——拿方案——搭建电路——仿真——参数计算——选择合适的器件——做实物——调试——完成。花了四天时间，在这过程中我们遇到了很多的麻烦和问题，但经过我们组的共同努力，慢慢的克服了它，给我们的收益很大。

8.首先我们拿到题目“直流稳压电源”，它由四个部分组成‘变

压’、‘稳压电源’、‘稳流电源’、‘dc-dc’,我们讨论之后决定一人做两部分，在设计变压器时就一个交流降压再二极管交流变直流，没有多大问题，但在稳压电源，首先是想直接通过稳压电路输出但纹波波动太大对后级电路不利，然后想到的是用晶体管搭建电路，虽然所选器件简单，但所涉及参数太多不好调试。最后在第二个方案的基础上运用集成稳压器件lm317，稳压效果好，且输出电压在1.25-37v可调。最大电流输出2a。

9.选中器件后，就开始搭电路仿真，在网上查找器件的通用电

路，搭好基本电路之后，然后考虑短路，过流，过载，输出最大电流电路，对电路进行改进。通过不断额查资料到改变参数调试。

通过了解lm317的特性，发挥它最大的用处。最后终于拿出电路。

测试负载调整率0.纹波抑制1.5mv。由此说明仿真还是比较成功。

10.做实物，在这过程中因实验室没有我要的晶体管，所以我就

用s9013和s9012代替，但没想到却把负载烧坏了，后面才明白s9013是低功率的晶体管不能代替高功率的三级管，说明自己还是没有完全明白，以后要认真分析每一部分，因为电路设计是需要耐心的。在购回器件然后搭建电路之后，电路正常工作，但因器件及温度的原因，实际值与理论值还是有差别。但差别不大，说明我们是完成了的。

11.通过几天的努力，我觉得我们是勉强完成任务，但收获确是

很大，最主要的是增强了团队精神，因此我们以后还要再接再厉，

做出更好的作品。

附录

源程序：

#include "msp430x14x.h"

#include "ADC_Func.h"

#include "Yjd12864.h"

uint results[Num_of_Results]; //保存ADC转换结果的数组

ulong average;

//时钟初始化函数

void Init_Clock(void)

{

BCSCTL1=RSEL2+RSEL1+RSEL0;//XT2开启LFXT1工作在低频模式ACLK不分频最高的标称频率

DCOCTL=DCO2+DCO1+DCO0;//DCO为最高频率

do

{

IFG1&=~OFIFG;//清除振荡器失效标志

for(uint i=255;i>0;i--);

}while(IFG1&OFIFG);//判断XT2是否起振

BCSCTL2=SELM1+SELS;//MCLK SMCLK时钟源为TX2CLK不分频

}

/***********************主函数***********************/

void main( void )

{

uchar buffer[6]={0};

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

Init_Clock();

Init_ADC();

Init_LcdPort();

Init_Lcd();

_EINT();

while(1)