1、電子技術課程實驗報告 東華大學電子課程設計課題：12V-5V電源轉換器（開關電源） 目 錄1、 設計任務與需求32、 總體方案選擇4三、各模塊電路設計分解7四、電路總圖11五、所用元器件及購買清單12六、組裝與調試12七、收獲體會和建議16 參考文獻17 附錄 A17 附錄 B18 20電子技術課程實驗報告1、 設計需求與任務1.1、設計背景：開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，廣泛應用于各種電子設備、儀器及家電。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子

2、設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。開關電源又被稱為高效能節能電源，內部電路工作在高頻開關狀態，自身消耗的能量極低，一般電源效率可達80%左右。1.2、設計任務：12V-5V電源轉換器（開關電源）(1) 輸入直流電壓12V，輸出直流電壓5V(2)在額定負載下，輸出電壓跌落30mv(3)在額定負載下，輸出紋波50mv(4)在額定負載下，輸出尖峰電壓200mv(5)功率轉換效率大于70%(6)帶有過流保護(1A)二、總體方案選擇2.1、PFM與PWM調制方法：2.1.1、PWM 當輸出直流電壓偏離額定值時，反饋控制電路在保證開關管頻率不變的情況下，自動改變調整管的導通時間，即改

3、變脈沖電壓的寬度，從而改變脈沖電壓的占空比，使直流輸出電壓的偏移量在允許的范圍內。這種方案稱為脈沖寬度調制，簡稱PWM型開關電源。其反饋電路是脈寬調制電路。2.1.2、PFM： 當輸出直流電壓超過額定值時，反饋控制電路在保證調整管的導通時間不變的情況下，自動改變調整管的開關頻率（也就是改變脈沖電壓的頻率），從而改變電壓的占空比，使輸出直流電壓穩定在允許范圍內，這種方案稱為脈沖頻率調整，簡稱PFM型開關電源，其反饋電路為脈沖頻率調整電路。2.2、針對PFM主要有自激式與驅動式兩種方案。2.2.1自激式 正激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正在被直流脈沖電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功

4、率輸出。下圖所示正激式變壓器開關電源的簡單工作原理圖，其中Ui是開關電源的輸入電壓，T是開關變壓器，K是控制開關，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續流二極管，D3是削反峰二極管，R是負載電阻。 圖1-1原理：改變控制開關K的占空比D，只能改變輸出電壓的平均值Ua ，而輸出電壓的幅值Up不變。因此，正激式變壓器開關電源用于穩壓電源，只能采用電壓平均值輸出方式。 圖1-1中，儲能濾波電感L和儲能濾波電容C，還有續流二極管D2，就是電壓平均值輸出濾波電壓。2.2.2、驅動式 驅動式開關電源，是指運用振蕩電路高低電平實現開關導通與否,如下所示圖中，開關A用振蕩電路的產生的脈沖高低電平控制。原

5、理：以12V直流電壓作為輸入，通過振蕩電路控制功率驅動開關電路的通斷時間，實現電感的充放電時間，改變輸出電壓的平均值，然后進行LC濾波，對輸出電壓進行電壓采樣和過流保護作為反饋控制信號，最后輸出5V的電壓。設周期為1，開關導通時間D（D<1），根據通過電桿上的平均電壓為0，則可以得到如下式子 ，從而實現降壓的電源轉換。 振蕩電路的控制方法有如下倆種常用接法，復位法和斬波法。復位法：斬波法：2.3、方案的可行性分析自激式變壓器一個最大的缺點，就是在開關關斷瞬間，由于電磁感應，在初、次級線圈中都會產生一個很大反電動勢，容易擊穿開關元件，因此在設計中常常需要增加一個繞組以吸收反電動勢的能量。如

6、N3。而驅動式的串聯開關電源，相比之下，結構簡單，效率也較高，所以選擇振蕩式進行開關電源設計，與此同時，由于復位法反應更為靈敏，而且效果較好，振蕩調制電路常采用復位法。三、各模塊電路設計分解 3.1、功率驅動開關電路圖中電源電壓為12V。在電源和接地點之間分別接上一個10-100uf的旁路電容，能夠將電源中的噪音過濾掉，減少信號源對這個電路波形的干擾（在該電路設計中可以忽略該影響）。圖中R3=100,R4=100-300,R14=1-5.1k，Q1為大功率管，選用TIP32型號，Q2為中功率管，型號為3DG12，Q1、Q2實現兩級放大，大功率管的驅動通常需要較大的電流，通過中功率管Q2放大電流

7、驅動大功率管。3.2、LC濾波電路：二極管:選用普通二極管，在開關電路關斷時，電感放電，二極管與電阻R0構成蓄流回路。電感:由于電感是儲能元件，且電流不會突變，通過電感的充放電實現降壓型壓穩壓電源，同時具有濾波以及平波作用。電容：和電感實現LC濾波，具有抑制紋波的作用。電阻：RL為負載電阻。3.3、電壓采樣與過流保護實現原理：電壓調整，通過設定一定的基準電壓，將從輸出端的采樣值分壓后的值與比較，當>時，比較器的輸出高電平，三極管基極輸入高電平，三極管導通，集電極輸出低電平實現反饋控制，使電壓下降至5V;同理，當<，比較器輸出及時的調整，并反饋控制充放電時間，使電壓上升至5V。過流檢

8、測，其實現原理與電壓調整實質上一致，將采樣電流轉化為采樣電壓而實現過流保護，這里不做敘述。相關參數計算及說明：穩壓管穩壓值：由于輸出電壓要穩定在5V，所以基準電壓肯定不能超過5V，取基準電壓為3V，因此穩壓二極管的穩壓值為3V。比較器:比較器LM339(見附錄A)的正常使用時要接上拉電阻，常用的電阻值為5.1k-15k，可以選取5.1k作為使用。過流檢測電阻R10:由于最終額定負載電阻為5，為了減少R10對負載的影響，應該使R10盡量比較小，取0.1-0.2。通過使一個10K電阻與一段銅絲并聯，可以大致做成0.2的小電阻，經濟并且制作方法簡單。3.4、振蕩電路3.4.1、555定時器接成多諧振

9、蕩器時占空比: 振蕩頻率為：3.4.2、由于開關電源為12V-5V電壓轉換，所以充電時間(驅動管導通時間)至少應該占每個周期的5/12.為了使設計留有一定的余量，我們設計占空比為80%，振蕩頻率設計為3-20KHZ，綜合以上我們取R1=3K，R2=1K，C=14nf，此時占空比經計算得K1=80%，頻率f1=20.4K。3.4.3、復位端上拉電阻，R4=4.7K。四、電路總圖4.1、電路框圖描述4.2、電路原理圖五、所用元器件及購買清單本課程設計所涉及的清單如下器材名稱數量器材名稱數量可調雙通道直流穩壓穩流電源1臺1k與10k滑動變阻器 各一只雙蹤示波器1臺大功率管TIP32 1只多功能萬用表

10、1臺中功率管3DG12 1臺LM339比較器1片普通三極管 2只555集成芯片 1片電感2只二極管 1只面包板 1塊3V穩壓管 1只1000uf電容 1只導線若干470uf電容 1只1uf電容1只0.01uf電容兩只100電阻2只銅導線(制作小電阻)1段固定電阻10k,5.1k，4.7k,3k,1k,200若干六、組裝與調試6.1、在實際設計中，最常見的問題是，在面包板上按照圖紙連接好后，電源極性也沒有問題，但在示波器中出現理論應出現的波形。產生這種現象的原因有很多。針對上述情況，在電路調試中，我對每個模塊進行一一檢測，先檢測驅動開關電路，發現引腳連接都沒有問題，卻始終無法驅動電路，我首先猜想

11、是自己的導線可能接觸不良，或者導線插入面包板過長，對電路板的內部產生短路問題，仔細檢查后也沒有問題，最后我猜想是面包板本身插孔可能有些故障，因此用萬用表達到歐姆檔，對插孔進行測量，發現本應不導通的三列插孔之間的電阻為100左右(實際電阻應為M級)，改接其他插孔后，電路輸出很快就出現了5V左右的電壓。在現實連接調試過程中，要不斷對各部分功能電路模塊分塊進行排查，確保各個部分的正常工作。6.2、在電路的輸出結果出現5V后，我進一步對設計要求的其他參數進行測定，發現紋波很大，在老師的建議下，我將LC濾波電路中電容改為大電容1000uf，紋波得到很好地改善，而且波形更加趨于穩定。6.3、紋波得到改善后

12、，我繼續調試尖峰電壓的參數。發現尖峰電壓接近1.2V，遠沒有達到設計要求，楊老師的指導下，在LC濾波電路之前加上一個小電容(0.1uf)后，觀察波形，尖峰已經變為之前的一半，隨后對電路做了進一步的改進，在555定時器的電源輸入端和LM339比較器的電源輸入端加了一個470uf的大電感，整體效果得到進一步改善。6.4.1、實驗數據記錄：要求指標實測指標輸出電壓 5V5V電壓跌落 mv340mv紋波mv0.3v尖峰電壓mv600mv輸入電流0.47A轉換效率88.6%輸出電流A1A6.4.2、實驗最終波形七、收獲體會和建議 模電綜合課程設計，較之以前的模擬電子技術實驗，對我們來說具有更大的挑戰性。

13、它不僅需要我們把握理論數據與實際之間的差別，而且要考慮到各個模塊的綜合以后相互之間的影響，例如模塊的級聯后所帶來的負載變化、干擾信號。在實際動手操作之前，我花了不少時間在Multisim軟件上分析元器件的參數，以得到正確的仿真電結果。以往的試驗中，我們只需要照著原理圖連線，測數據等，但這次需要我們自己設計電路圖，該選擇多大的，電阻、電容，參數大了會產生什么影響，應該在什么端口做改變，怎樣組合才是一個比較優化的結果，都是需要自己不斷思考的問題。在實際設計過程中，開始把整個電路圖連好后測試結果，一直沒有出現5V，在老師的建議下，我一個模塊一個模塊檢測結果，先把單個的模塊確保沒有問題，再看綜合效果，

14、發現很多細小的問題，錯誤很快迎刃而解，這也讓我神社體會到模塊化設計，調試的重要性。整個課程設計過程，讓我對之前學的模擬電子技術有了一個更加深刻更加形象具體的了解，通過理論知識指導實踐操作，又通過實踐操作來理解理論知識，讓我受益匪淺，進步很大；但同時也深刻認識到，自己無論是在理論知識還是實際操作仍然有待更大的提升。最后感謝老師孜孜不倦的指導。參考文獻【1】電路（第五版）邱關源 主編 高等教育出版社【2】模擬電子技術基礎華成英 童詩白 主編 清華大學電子學教研組【3】數字電子技術基礎 張申科 崔葛瑾 編著 電子工業出版社【4】電子技術基礎（模擬部分）康華光 主編 高等教育出版社 附錄ALM3391、 LM339引腳圖以及典型應用電路2、LM339作為基