1、機電一體化實訓5v直流穩壓電源設計報告 學校： 班級：機械設計制造及其自動化姓名： 學號： 指導老師： 設計時間：2012.7.22012.7.13畢業設計（論文）任務書電子工程系 系 電氣自動化技術 專業 一、畢業設計（論文）題目直流穩壓電源的設計二、畢業設計（論文）時間 2011 年 9月 18 日至 年 月 日三、畢業設計（論文）地點： 陜西航空職業技術學院 四、畢業設計（論文）的內容要求：1、輸出電壓在024v之間可任意可調，輸出電流最大3a2、輸出電壓設定值穩定度為 圖3.7 輸出波形圖1%3、輸出電壓中文波小于10mv 摘 要直流穩壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕的特點，近年來

2、獲得了飛速發展。直流穩壓電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使直流穩壓電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。本文主要以半橋變換電路為開關電源的主電路，設計一臺品質優良的直流開關穩壓電源。直流開關穩壓器中所使用的大功率開關器件價格較貴,其控制電路亦比較復雜,另外,開關穩壓器的負載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子系統。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因而開關穩壓器的保護應該兼顧穩壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多,這里介紹極性保護、程序保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護以及過熱保護等電路。通常選

3、用幾種保護方式加以組合,構成完善的保護系統。直流高壓穩壓電源的長期穩定性主要受溫度的影響，文中分析了直流高壓穩壓電源的構成原理，建立了溫度穩定性的數學模型，給出了精確和可行的定量計算方法，并應用到具體的實例中加以驗證，說明了該模型的應用價值，對直流高壓穩壓電源的設計具有理論指導作用。關鍵詞：穩壓器 半橋變換電路 數學模型 應用價值目錄第一章直流穩壓器原理3第二章直流穩壓電源簡介62.1 直流穩壓電源的構成62.2 直流穩壓電源的分類62.3 直流穩壓電源的技術指標7第三章直流穩壓電源的設計83.1設計目的及要求83.2設計步驟及思路93.2.1直流穩壓電源設計思路103.2.2直流穩壓電源原理

4、83.2.3總體電路圖83.3單元電路設計與原理說明93.3.1電源變壓器103.3.2整流電路123.3.3濾波電路133.3.4穩壓電路133.3.5元器件選擇和電路參數計算說明153.4 電路板的設計16第四章 電路仿真184.1 測試要求184.2 測試結果和計算結果分析184.3 電路的誤差分析與改進19心得體會19第一章 直流穩壓器原理直流開關穩壓器的輸入一般都是未穩壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電源。極性保護的目的,就是使開關穩壓器僅當以正確的極性接上未穩壓直流電源時才能工作。利用單向導通的器件可以實現電源的極性保護。最簡單的極性保護電路如圖1

5、所示。由于二極管d要流過開關穩壓器的輸入總電流,因這種電路應用在小功率的開關穩壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環節,可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便于識別極性正確與否。 一、極性保護直流開關穩壓器的輸入一般都是未穩壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電源。極性保護的目的,就是使開關穩壓器僅當以正確的極性接上未穩壓直流電源時才能工作。利用單向導通的器件可以實現電源的極性保護。簡單的極性保護電路如圖1所示。由于二極管d要流過開關穩壓器的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩壓器上比較合適。在

6、較大功率的場合,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環節,可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便于識別極性正確與否,在圖1中的二極管之后,接指示燈。二、程序保護開關穩壓電源的電路比較復雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功的開關部分。開關晶體管則屬大功率，為保護開關晶體管在開啟或關斷電源時的安全,必須先讓調制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機程序。開關穩壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器在開機瞬間,濾波電容器會流過。很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常輸入電流的數倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,并使

7、輸入保險絲熔斷。另外,浪涌電流也會損害電容器,使之壽命縮短,近年來，隨著微機、中小型計算機的普及和航空航天數據通信，交通郵電等事業的訊速發展，以及為了各種自動化儀器、儀表和設備配套的需要，當代對電源的需要不僅日益增大，而且對電源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及諸如程序控制、電源通/斷、遠距離操作和信息保護等功能提出了更高的要求。對于這些要求，傳統的線性穩壓電源無法實現，和線性穩壓電源相比，開關穩壓電源具有以下的一些優越性:1）效率高開關穩壓電源的調整開關管工作在開關狀態，截止期間，開關元件漏電流極小，因此功率消耗小而效率高，通?？蛇_到80%-90%以上。功耗小使得機內溫升亦低，周圍元件不會

8、因長期工作在高溫環境下而損壞，有利于提高整機的可靠性和穩定性。而傳統的線性穩壓電源的晶體管一直工作在放大區，全部負載電流都通過調整管，因而損耗大，效率低，一般只在50%左右，功率等級也比較低。2）穩壓范圍寬從本質上說，線性穩壓電源的電壓調整作用是靠調整管的“變阻”作用實現的，因而調壓范圍小。開關穩壓電源的電壓調整作用是通過對直流電壓進行脈寬調制而實現的，因而線性控制區域大，調壓范圍寬，在交流電壓變化較大時，開關穩壓電源仍能達到很好的穩壓效果。3）體積小重量輕開關電源可將電網輸入的交流電壓直接整流再進行pwm控制，這樣可省去笨重的電源變壓器(為了和高頻變壓器相區別，電源變壓器又稱為工頻變壓器)，

9、使電源的體積大大縮小，重量減輕。在隔離式開關電源中，高頻隔離變壓器由于頻率高而可以使體積小、重量輕。4）安全可靠開關穩壓電源一般都有輔助電路，以提供自動保護功能。正因為直流穩壓電源有著這多方面的優點,所以對它的研究有著重要的意義,這不僅是對自己所學知識的總結，而且對自己以后從事電力方面的工作有著很大的幫助作用。穩壓電源原理圖如圖1.1所示。其中，核心元件是lm338，它是一片大電流可調穩壓集成電路，。該集成電路在采用一般接法時，其輸出電壓范圍是1237v。為了進一步拓寬其輸出電壓的范圍，本電路對其傳統應用電路進行了一些改進。現簡單介紹如下：lm338要求輸入、輸出端最大電壓差不能超過40v，這

10、就限制了它的最高輸出電壓。當電源輸出電壓較低、電流比較大時，功耗全部消耗在lm338上，造成集成電路發熱嚴重。為了解決這個問題，在本電源的設計中，將lm338輸入端電壓改為分段可調型。由開關k1-2控制jij9這九個繼電器，將不同的交流電壓切換到整流橋的輸入端，整流后得到高低不同的直流電壓輸入到lm338中，這樣就降低了穩壓塊的輸入電壓，同時開關k11同步切換lm338調整端的分壓電阻，使調整端的基準電壓不斷改變，輸出端電壓就以每檔5v的規律變化。這樣一來lm338的輸入、輸出電壓差就被限制在一個較小的范圍內。不但降低了穩壓集成電路的損耗，而且提高了最大輸出電壓。 圖1.1穩壓電源主電路 lm

11、338在內部設有12v的基準電壓，而輸出電壓要比調整端電壓高，這樣就使lm338的輸出電壓最低只能是12v。為使其輸出電壓能從零開始，本電源設計用r10、dw2等元件組成-12v的基準電壓，使lm338的調整端電壓降至-12v，這樣既保證了輸出端比調整端高的要求，又能使輸出電壓從零伏開始。如果穩壓集成電路的輸入端接入較高的電壓，而輸出端恰好是空載，此時開機，lm338很容易由于過電壓而在瞬間損壞。為了解決這個問題，在lm338的輸入端加入了由vt1組成的輸入電壓限制電路，實際上就是一個射極跟隨器，用這個電路保證lm338的輸入輸出電壓差最高為5v，從而避免了因過電壓損壞集成電路。在圖1.1中，

12、dw1主要是用來保護lm338不被擊穿，選27v、1w的穩壓管即可，dw2穩壓值為12v，可選用2cw100或2cw50，也可以用兩只2ck2串聯起來代替，但要注意接入的極性（正好與圖1。1中相反）。d1d4使用參數大于6a耐壓100v的整流二極管或全橋。電源變壓器t的功率要大于300v。穩壓集成電路的型號lm338k，要用金封的。j1j9選用優質6v小型繼電器，觸點電流要大于5a。輸出電壓微調電位器w選用wxd3-13精密多圈線繞電位器。電壓檔位選擇開關k1選用2x9的小型波段開關。r為電流表取樣電阻，可根據所選用的表頭靈敏度不同，截取一定長度的導線繞制，如果要提高輸出電壓顯示精度，可將電壓

13、表v換成市售成品數字式直流電壓表 圖1.2管腳分布 該電源的技術參數： 直流穩壓輸出范圍 dc 024v： 最大輸出電流3a； 電壓調整率 0001v； 紋波系數 0002： 等效內阻015； 穩壓系數 0.005。第二章 直流穩壓電源簡介2.1 直流穩壓電源的構成許多電子產品如電視機、電子計算機、音響設備等都需要直流電源，電子儀器也需要直流電源，實驗室更需要獨立的直流電源。為了提高電子設備的精度及穩定性，在直流電源中還要加入穩壓電路，因此稱為直流穩壓電源。典型的直流穩壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等幾部分構成。電源變壓器把50hz的交流電網電壓變成所需要的交流電壓；整流

14、電路用來將交流電變換為單向脈動直流電；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電流中的交流成分（即波紋電壓），是指成為平滑的直流電；穩壓電路的作用是當輸入交流電網電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。2.2 直流穩壓電源的分類 直流穩壓電源的發展已有幾十年的歷史，已從分立器件發展到集成電路。集成穩壓電路具有體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優點，隨著功率集成電路的發展，集成穩壓電路已有多個品種、多種型號問世，按輸出電壓、輸出電流形成系列產品，已成為直流穩壓電源的主流產品，特別適用于小型電子設備使用。目前生產直流穩壓電源種類很多，可以從不同的角度分類：1、按穩定方式分，有參數型穩壓器和反饋調整

15、型穩壓器。參數型穩壓器電路簡單，主要是利用電子組件的非線性實現穩壓，例如，1只電阻和1只穩壓管即可構成參數型穩壓器。反饋調整型穩壓器具有負反饋，是閉環調整系統，利用輸出電壓的變化，經取樣、比較、放大得到控制電壓，去控制調整元件，從而達到穩定輸出電壓的目的。2、按調整元件和負載連接方式分，有并聯式穩壓器和串聯式穩壓器。調整元件與負載并聯的稱為并聯式穩壓器，調整元件與負載串聯的稱為串聯式穩壓器。3、按作用器件分，有電子管穩壓器、穩壓管穩壓器、晶體管穩壓器、可控硅穩壓器等。4、按調整器件的工作狀態分，有線性穩壓器和開關穩壓器。調整器件工作在線性放大狀態的為線性穩壓器，調整器件工作在開關狀態的稱為串聯

16、式穩壓器。5、按電路的主要部分是集成電路還是分立元件分，有集成線性穩壓器、集成開關穩壓器和分立元器件組成的穩壓器。2.3 直流穩壓電源的技術指標穩壓電源的主要技術指標包括特性指標和質量指標，前者標識穩壓電源的功能又稱試用指標，后者反映了穩壓電源質量的優劣。1、特性指標2、輸入電壓及適用范圍。3、輸出電壓及輸出電壓調整范圍4、額定輸出電流（指電源正常工作時的最大輸出電流）以及過流保護電流值。（1）電壓調整率負載電流0 及溫度t不變而輸入電壓u1變化時，輸出電壓u0的相對變化量u0/u0與輸入電壓變化量u1之比值，稱為電壓調整率，即一般直流穩壓電源的電壓調整率su為1%、0.1%、0.01%不等，

17、其值越小，穩壓性能越好。電壓調整率也可定義為：在負載電流和溫度不變時，輸入電壓變化時，輸出電壓的變化量u0，單位為毫伏。（2）穩壓系數穩壓系數定義為負載不變時，輸出電壓相對變化量和輸入電壓相對變化量之比，即式中，u1為穩壓電路輸入直流電壓，即整流電路的輸出電壓。一般情況下s在10-210-4數量級。顯然，s越小穩壓電路輸出電壓的穩定性越好。（3）負載調整率（亦稱電流調整率）在交流電源額定電壓條件下，負載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量用百分數表示（4）輸出電阻（內阻）當輸入電壓固定時，輸出電壓變化量與負載電流變化量之比，稱為輸出電阻r0，亦稱內阻，即r0=其單位為歐。r0的大小反

18、映了當負載變動時，穩壓電路保持輸出電壓穩壓的能力。r0越小負載能力越強，一般r0i2*u2=4.8w2、選擇整流電路中的二極管變壓器的副邊電壓u2=16v橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：16橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：0.3查手冊選整流二極管in4001，其參數為：反向擊穿電壓ubr=50v16v,最大整流電流if=ia0.3a3、濾波電路中濾波電容的選擇濾波電容的大小可用式c=ui/(t*i) 求得。（1）求ui： 根據穩壓電路的穩壓系數的定義：設計要求u05mv，sr0.005，u0= -12v +12v，ui=16v代入上式，則可求得ui=u0/（u0*sr）；

19、（2）濾波電容c，t=0.01s設定i0=i0max=1.2a則可求得c。注意：因為大容量電解電容由一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩壓器的輸入、輸出端常并入瓷介質小容量電容用來抵消電感效應，抑制高頻干擾。3.4 電路板的設計原理圖設計是整個protel99se工程的開始,是pcb文檔設計乃至最后制版的基礎。一般設計程序是:首先根據實際電路的復雜程度確定圖紙的大小,即建立工作平面；然后從元器件庫中取出所需元件放到工作面上,并給它們編號、對其封裝進行定義和設定；最后利用protel99se提供的工具指令進行布線,將工作平面上的元器件用具有電氣意義的導線、符號連接起來,對

20、整個電路進行信號完整性分析,確保整個電路無誤。3.4.1電路板的規劃 電路板規劃的主要目的是確定其工作層結構,包括信號層、內部電源/接地層、機械層等。通過執行菜單命令designboard layers，在打開的對話框中可以控制各層的顯示與否，以及層的顏色等屬性設置。如果不是利用pcb向導來創建一個電路板文件的話,就要自己定義pcb的形狀和尺寸。繪制時需單擊工作窗口底部的層標簽，再由placekeepout 命令來單獨定義。該操作步驟實際上就是在keep out layer(禁止布線層)上用走線繪制出一個封閉的多邊形，而所繪多邊形的大小一般都可以看作是實際印制電路板的大小。3.4.2 元器件的

21、選擇對元器件的選擇要嚴格遵循設計要求，在進行pcb設計之前，首先要準備好原理圖sch的元件庫和pcb的元件庫。元件庫可以用peotel99se自帶的庫，當很難找到合適的，可以自己根據所選器件的標準尺寸資料自己做元件庫。原則上先做pcb的元件庫，再做sch的元件庫。pcb的元件庫要求較高，它直接影響板子的安裝；sch的元件庫要求相對比較松，只要注意定義好管腳屬性和與pcb元件的對應關系就行。3.4.3 pcb電路板生成的流程1、生成網絡表 在原理圖里面加好封裝，保存，erc檢查，生成元件清單檢查。生成網絡表。2、建立pcb 選擇好公制，捕獲和可見刪格大小，設計好外框(向導或自己畫)，然后放好固定

22、孔的位置，大小(3.0mm的螺絲可以用3.5mm的內孔焊盤，2.5的可以用3的內孔)，邊緣的先改好焊盤，孔大小，位置固定。3、布局 調用網絡表，調入元件，修改部分焊盤大小，設置好布線規則，可以改變標號的大小，粗細，隱藏標稱值。然后先把需要特殊位置的元件放好并瑣定。然后根據功能模塊布局，(可以用sch里面選擇過度到pcb里面選擇的方式)，一般不用x，y進行元件的翻轉，而是用空格旋轉。對于一個功能模塊先放中心元件，或大元件，然后放旁邊的小元件，(比如集成塊先放，然后放直接和集成塊兩管腳直接相連的元件，再放和集成塊一個管腳相連的元件，而且類似的元件盡量放在一起，比較美觀也要考慮后面連線的方便性)。當

23、然一些特殊關系的元件先放，比如一些濾波電容和晶振等需要靠近某些元件的先放好。還有會干擾的元件先整體考慮要離遠點。高低壓模塊要間隔6.4mm以上。要注意留出散熱片，接插件，固定架的位置。一些不能布線的地方可以用fill。還要考慮散熱，熱敏元件。電阻，二極管的放置方式：分為平放與豎放兩種： (1)平放：當電路元件數量不多，而且電路板尺寸較大的情況下，一般是采用平放較好;對于1/4w以下的電阻平放時，兩個焊盤間的距離一般取4/10英寸，1/2w的電阻平放時,兩焊盤的間距一般取5/10英寸；二極管平放時，1n400x系列整流管，一般取3/10英寸；1n540x系列整流管,一般取45/10英寸。 (2)

24、豎放：當電路元件數較多，而且電路板尺寸不大的情況下，一般是采用豎放，豎放時兩個焊盤的間距一般取12/10英寸。4、布線：先設置好規則里面的內容，vcc，gnd 大功率等大電流的線可以設置的寬點(0.5mm-1.5mm)，一般1mm可以通過1a的電流。對于大電壓的線間距可以設置大點，一 般1mm為1000v。設置好了，先布vcc，gnd 等一些比較重要的線。注意各個模塊的區分。對單面板最好可以加一些條線。加過孔，不一定橫平豎直，集成塊的焊盤間一般不走線，大電流的寬線可以在solder層畫上線，以便后面上錫；走線用45度角。5、手工修改線：修改一些線的寬度，轉角，補淚地或包焊盤(單面板必須做)，鋪

25、銅，處理地線。第四章 電路仿真 4.1 測試要求1、測試并記錄電路中各環節的輸出波形。2、測試穩壓電源輸出電壓的調整范圍及最大輸出電流。固定輸出+5v時最大輸出電流0.3a和固定輸出12v時最大輸出電流0.1a3、測量輸出電阻r0。4、測量穩壓系數。用改變輸入交流電壓的方法，模擬ui的變化，測出對應的輸出直流電壓的變化，則可算出穩壓系數sr。（注意：用調壓器使220v交流改變10%。即ui=44v）5、用毫伏表可測量輸出直流電壓中的交流紋波電壓大小，并用示波器觀察、記錄其波形。6、分析測量結果，并討論提出改進意見。4.2 測試結果和計算結果分析1、電壓輸出波形和紋波變化見仿真圖4.1 輸入波形

26、圖 4.2 經過整流圖4.3 經過濾波電路后的波形 圖4.4最終輸出波形2、穩壓系數sr的理論值計算sr=0.0030.0054.3 電路的誤差分析與改進1、綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有：測得輸出電流時接觸點之間的微小電阻造成的誤差；電流表內阻串入回路造成的誤差；測得紋波電壓時示波器造成的誤差；示波器，萬用表本身的準確度而造成的系統誤差；2、可以通過以下的方法去改進此電路；減小接觸點的微小電阻；根據電流表的內阻對測量結果可以進行修正；測得紋波時示波器采用手動同步；采用更高精確度的儀器去檢測；根據設計可添加可調電壓：uo=+3v+9v所要求的性能指標，選擇集成三端穩壓器

27、。因為要求輸出電壓可調，所以選擇三端可調式集成穩壓器?？烧{式集成穩壓器，常見主要有cw317、cw337、lm317、lm337。317系列穩壓器輸出連續可調的正電壓，337系列穩壓器輸出連可調的負電壓，可調范圍為1.2v37v，最大輸出電流i0max為1.5a。穩壓內部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠，性能優良、不易損壞、使用方便等優點。其電壓調整率和電流調整率均優于固定式集成穩壓構成的可調電壓穩壓電源。lm317系列和lm337系列的引腳功能相同，管腳圖和典型電路如圖4.5和圖4.6。 圖5典型電路圖4.5 管腳圖 圖4.6 典型電路圖圖4.7 39v輸出直流穩壓電路示意圖輸出電壓表達

28、式為:u0=1.25式中，1.25是集成穩壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓，此電壓加于給電阻兩端，將產生一個恒定電流通過輸出電壓調節電位器，電阻常取值，一般使用精密電位器，與其并聯的電容器c可進一步減小輸出電壓的紋波。圖中加入了二極管d，用于防止輸出端短路時10f大電容放電倒灌入三端穩壓器而被損壞。lm317其特性參數：輸出電壓可調范圍：1.2v37v輸出負載電流：1.5a輸入與輸出工作壓差u=ui-uo：340v能滿足設計要求,故選用lm317組成穩壓電路。心得體會隨著畢業日子的逼近，畢業設計也接近了尾聲。在指導老師的帶領下，我終于順利完成的畢業設計（論文）。在沒有做畢業設計以前覺得畢業

29、設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次做畢業設計發現自己的看法有點太片面。畢業設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。注重理論與實踐的相結合。在整個的設計中我更加了解到了： 在這次畢業設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。 我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結論：知識必須通過應用才能實現其價值！有些東西以為學會了，但真