模电课设-稳压源

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目: 直流稳定电源的设计

初始条件：

要求完成的主要任务:

设计并制作交流变换为直流的稳定电源。

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）

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

内容摘要

可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展而来，应用广泛。本设计用LW317三端稳压器设计直流稳压、LW317三端稳压芯片电路和反馈式逆变电路设计稳流电源和DC-DC变换器。

利用相关知识计算出各电路中各个器件的参数，正确有效焊接设计的电路，使电路性能达到设计要求中的电压调调整范围、电流调节范围，纹波电压等指标。

关键词：LM317三端稳压芯片稳压电路

LM317三端稳压芯片稳流电路

反馈式逆变电路DC-DC变换器。

目录

课程设计任务书---------------------------------------------------------------------------------------------------------1

摘要----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

1电路的设计--------------------------------------------------------------------------5

1.1 直流稳压电源电路设计------------------------------------------------------------------------------------6

1.1.1 晶体管串联式直流稳压电路.................................................................................................... -6

1.1.2采用三端集成稳压器电路 (6)

1.1.3用单片机制作的可调直流稳压电源 (7)

1.2 最终采用的直流稳压电源电路设计方案------------------------------------------------------------------7 1.3 直流稳压源组成------------------------------------------------------------------------------------------------------8

1.3.1波形变化-------------------------------------------------------------------------------------------------------8

1.3.2整流滤波电路-------------------------------------------------------------------------------------------------9

1.3.3 直流稳压源-------------------------------------------------------------------------------------------------11

1.3.4 直流稳压部分总电路------------------------------------------------------------------------------------12-

1.4 直流稳流-------------------------------------------------------------------------14

1.4.1 高精度恒压恒流直流稳压电源电路---------------------------------------------14

1.4.2 LM311.7构成的可调稳流源电路-----------------------------------------------14 1.5 最终采用的直流稳流电源电路设计方案-----------------------------------------------15

1.5.1 Boost升压斩波电路---------------------------------------------------------16

错误！未定义书签。 1.5.2 开关电容DC-DC变换-------------------------------------------------------------------------------------16

1.5.3 PWM DC/DC变换器----------------------------------------------------------------------------------------16

1.5.4 DC-AC-DC转换升压电路------------------------------------------------------17 1.6 最终决定的DC-DC转换电路设计方案------------------------------------------------17 1.7电路图与主要工作原理-------------------------------------------------------------18

1.7.1 稳压模块工作原理-----------------------------------------------------------19

1.7.2 稳流模块工作原理-----------------------------------------------------------20

1.7.3 DC-DC转换器模块工作原理---------------------------------------------------20 1.8主要参数的选择与计算-------------------------------------------------------------21

2电路仿真---------------------------------------------------------------------------22

2.1 稳压模块的仿真---------------------------------------------------------------22

2.2 稳流模块的仿真---------------------------------------------------------------23

2.3 DC-DC转换器模块的仿真--------------------------------------------------------23

4 数据整理及最终分析------------------------------------------------------------------24

4.1稳压模块的数据结果记录---------------------------------------------------------24

4.2 整体分析-----------------------------------------------------------------------24

5 设计心得体会------------------------------------------------------------------------25

6 主要参考文献------------------------------------------------------------------------26

附录1-元件清单-----------------------------------------------------------------------27 附录2 -完整电路放大图----------------------------------------------------------------28

+

U

I

取比较放样

电

路调整管

大电路

基准电压

1电路的设计

1.1 直流稳压电源电路设计

1.1.1 晶体管串联式直流稳压电路

该电路中，输出电压U0经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO 为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。其电路结构：

图 1.1.1 串联直流稳压电路原理框图

单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

1.1.2采用三端集成稳压器电路

该电路采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负

U +

U O -

图1.1.2 三端集成稳压器电路原理框图

1.1.3用单片机制作的可调直流稳压电源

由于目前接触单片机的知识有限只简单叙述其特点。硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。

该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24 V 范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。

1.2 最终采用的直流稳压电源电路设计方案

经过比较，三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良，

可靠性高。又因这种稳压器 具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，我决定采用第二种CM317

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。CM117/CM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM117/LM317 一般不需要外接电容。电路图如下：

1.2 LM317集成稳压电路

317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调范围为1.2~37V ，最大输出电流为1.5A 。满足设计需要。图中R1，R2，电位器组成电压输出调节电路，电容C1为滤波电容，电容

C2与电位器并联组成输出滤波电容，减小输出的纹波电压。二极管D6的是防 止输出端与地短路时，电容C2上的电压损坏稳压器。

1.3 直流稳压源组成

常用的电源是电压为220v 或380v ，因此需将交流电转换为直流电。交换的方法是有交流电网经过变压、整流、滤波、稳压这几个步骤。

--->

->

变压整流滤波稳压

图1.3 直流稳压电路组成

1.3.1波形变化

输入电压波形

图a 输入电压波形图

经变压器降压后的电压波形

图b降压后的电压波形

未加滤波电容时LM317输入端电压的波形

图c 整流后波形

加入滤波电容后LM317输入端电压的波形

图d 滤波后电压

LM317输出端电压即输出电压的波形

图e 稳压后电压波形

1.3.2整流滤波电路

滤波电路通常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，由于电抗元件在电路中有储能的作用，并联的电容C 在电源供给的电压升高时，可以把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，又可以把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C 具有平波的作用。滤波电路形式多种多样，依不同的划分标准又可进行不同的分类，在此不一一列举。主要有单相桥式整流、全波整流。此设计实验中，采用的是单相桥式整流，主要因为全波整流,效率低，元件少，变压器需要二组电源；桥式整流，效率高，元件多，变压器单电源。

桥式整流原理图：

图1.3.2桥式整流原理图 V L 和IL:

t d t V V ωωπ??=?sin 212π

0L 222V =2

9.0V ≈

纹波系数:

每个整流管的平均电流:

整流管最大反向电压:

1.3.3 直流稳压源

本实验所采用LM317集成稳压电路，它的性能优良，可靠性高。又因这种稳压器 具有体积小、使用方便、价格低廉等优点。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成

稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，本电路采用正端稳压317，可调范围为1.2V~37V ，最大输出电流 为1.5A 。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。系列和lM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如下图，输出电压表达式为：

483

.0L

2

L

22=-=V V V K r D3

D1I I =L

2

L 45.02

1R V I ==2RM

2V V =

1.3.3 图LM317集成稳压电路

其性能参数：：V0=1.2～37V，最大允许电流I=1.5A，最小输入输出压差（V i-V0)min= 3V,最大输入输出压差（V i-V0)min=40V

1.3.4 直流稳压部分总电路

1.3.4直流稳压电路图

1.4 直流稳流电源电路设计

1.4.1 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。

1.4.2 LM311.7构成的可调稳流源电路

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。

最终我采用采用第三种设计方案，用LM317制作这一电路简单易行，在性能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理想的方案之一。

图1.4 LM317集成稳流电路

1.5 DC-DC转换器电路设计

1.5.1 Boost升压斩波电路

图3 boost升压斩波电路

Q1导通时：D1截止，电源对电感进行充电。电容对负载进行供电。

Q1截止时：电感上的电势反向，和电源串联，D1导通，对电容进行充电，从而可以将C1的电压充至高于输入电压的值。

此电路可以达到升压的要求，但输出功率偏大。

1.5.2 开关电容DC-DC变换器

开关电容DC/DC变换器的统一模型及工作原理

开关电容DC/DC变换器的统一模型如图1所示,图中S代表功率开关ci代表ni阶的串并电容组合结构,阶数ni为其中的电容个数,下标i代表第i级串并电容组合结构。串并电容组合结构是由电容（通常取值相同）和二极管构成的，其中的电容具有串联充电，

并联放电的特性，如图2虚线框中为二阶串并电容组合结构，图3为基本的开关电容DC/ DC变换器。

图4 开关电容DC/DC变换器的统一模型

图5 二阶串并电容组合开关电容DC/DC变换器（SP－SC）

图6 基本开关电容（BSC）DC/DC变换器

在状态I，Si1和Si4导通，Si3截止，C1....Cm并联充电,而根据串并电容组合结构的特点,构成Ci的ni个电容Cij却呈串联状态；同样地,在状态II,Si1和Si4截止,Si3导通，C1....Cm串联放电,而构成Ci的ni个电容Cij却呈并联状态。在状态I,Co放电

提供负载电流,在状态II，C1....Cm向Co补充电量。同时Co起到输出滤波的作用,这样便能得到一个平滑的输出电压。

1.5.3 PWM DC/DC变换器

图7 PWM DC/DC变换器的原理图

1MHz 电流型PWM DC/DC变换器的原理图。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。

UC3843 的限流和占空比控制

变压器初级电流流过取样电阻R后，在R两端产生正比于初级电流的电压，该电压经RC 滤波加到UC3843 的9脚，从而实现逐周限流。正常工作状态下，UC3825的9脚输入电压必须低于1V 门限电压。9脚输入电压超过1V时，脉宽将随之变窄。当9脚输入电压超过1.4V时，输出电流中断，并且UC3843 开始软启动程序。

利用斜坡RAMP 脚(7脚)输入信号，UC3843 可以实现电流型控制或常规的占空比控制。当该脚接定时电容器时，UC3843 可以实现占空比控制。当RAMP 脚接电流取样电阻时，UC3843 可以实现电流型控制。在这种应用电路中，初级电流波形经过很小的RC滤波网络后，产生斜坡波形。RC网络的作用是斜率补偿。该输入信号的动态范围为1.3V，通常用来产生PWM 斜率补偿。

同步整流电路

过去低电压输出的DC/DC 开关变换器采用肖特基二级管作为同步整流管，其正向压降约为0.4 ～0.65V，低电压、大电流时通态功耗很大。因功率MOSFET管的正向压降很小，所以用功率MOSFET管作为输出的整流管。与肖特基二极管相比，用功率MOSFET 管的优点除了正向压降很小外，还有阻断电压高，反向电流小等优点。图2所示为输出全波同步整流电路。功率MOSFET管VT1、VT2为两个整流管(VD1、VD2分别为VT1、VT2内部反并联二极管)。当变压器次级绕组同名端为正时，VT2、VD2同时导通，VT1、VD1阻断，在L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流；反之，当变压器次级绕组同名端为负时，VT1、VD1同时导通，VT2、VD2阻断，在L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流。

采取此功率MOSFET 管整流电路，可以大大提高整流效率。输出+5V/20A，采取导通电阻10mΩ的功率MOSFET 管，则导通损耗为：

PON=10mΩ×(20A)2=4×103mW=4w

如果采取肖特基二极管整流电路，肖特基二极管的导通压降取0.6V，则导通损耗为：PON=0.6V×20A=12w

可见仅整流管损耗就减小8W，效率约能提高6%。

变压器的制造

初级绕组N2与次级绕组N4之间具有较紧密的耦合；而初级绕组N1到初级绕组N2之间的耦合不很严格。

高频设计

需要特别注意外部导体和元件的布置，减小不必要的电感和电容影响。所有的导线长度必须尽可能地短。印制电路板应仔细地布置元件及其连接。功率MOSFET 管栅极的电阻应选碳成分的电阻，以降低串联电感。

1.5.4 DC-AC-DC转换升压电路

如图所示，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，且升压范围比较大，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。

图8 DC-DC变换器电路

1.6 最终决定的DC-DC转换电路设计方案

鉴于制作难度、电路性能、工作效率、元器件取得的难易程度等多方面考虑，我最后选择了第四种设计方案。

1.7电路图与主要工作原理

经过仔细研究，我决定采用如下电路制作稳定电源实物。

图1.7 整体设计电路图

1.7.1 稳压模块工作原理