基于数显直流稳压电源的毕业设计

NANCHANG UNIVERSITY

毕业设计

The graduation design

（2009—2012年）

题 目: 数显式直流稳压电源电路设计 英文题目: Digital DC power supply circuit design 学 院: 共青学院 系 别: 信息工程系 专 业: 应用电子技术 班 级: 09应用电子技术（1）班 学生姓名: 余韦 学 号: 8210909051 指导老师: 愈金华 起讫日期:

二 ○ 一 一 年 十一月

摘 要

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。常用的稳压电源有交流和直流之分，当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。不可否认电源已经广泛地应用于我们生活的方方面面，所以，学习并了解电源的制作原理和技术对于我们的生产和发展都具有积极的意义。

由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。

本文主要设计并制作数字显示的直流稳压电源。本电源作为一个微型启动器，具有可调整电压，调压范围是1.25V-20V，而且具备输出电压可以显示的功能。本文介绍了直流稳压系统的总体的设计方案，它主要由变压器部分、整流滤波部分、稳压部分、电压数字显示部分和输出部分组成。电源的稳压部分用三端集成稳压管LM317完成，数字显示部分用ICL7107芯片完成。ICL7107是一种市场上应用非常广泛的集成芯片，内置程序，可以直接驱动LED数码管。本设计的显示部分是采用ICL7107芯片制作LED显示的数字电压表，并联到输出端，完成电压显示的功能。本电源具有设计简单灵活，成本低，效率高，调整精度高等优点，在市场上有很好的应用前景。

Abstract

Today's society people greatly enjoy the convenience of electronic equipment, electronic equipment, but any more than there is a common circuit - power supply circuit. Large supercomputers, small pocket calculator, all electronic devices must be more support in the power circuit to work properly. Commonly used with AC and DC power supply of the points, of course, the power supply circuit style, complexity vary widely. Undeniable power has been widely used in all aspects of our lives, so learn and understand the power of production principles and techniques for our production and development and many have a positive meaning.

As characteristic of electronic technology, electronic circuit design equipment for the power requirement is to provide a steady, full of energy load requirements, and usually require a stable DC performance. This can provide a stable DC power supply is DC regulated power supply. DC power supply in power supply technology plays a very important position.

In this paper, design and production figures show that the DC power supply. The power supply as a mini-starter with adjustable voltage regulator range 1.25-20V, and output voltage can be displayed with the function. This article describes the display section and the output DC component. Power supply regulator part of the integrated three-terminal regulator with a LM317 completed, the digital display section complete with TCL7107 chip. TCL7107 is a very broad application on the market integrated chip, built-in program, you can directly drive LED digital tube. The design of the display part of the chip is produced using TCL7107 LED display digital voltmeter, in parallel to the output voltage display function to complete.

目 录

1 前言 ........................................................................................................................................ 1 1.1 稳压直流电源的研究背景 ................................................................................................. 1 1.2 课题的主要内容 ................................................................................................................. 1 1.2.1 电源的输出控制 .............................................................................................................. 1 1.2.2 稳压直流电源的功能 ...................................................................................................... 2 1.2.3 性能指标 .......................................................................................................................... 2 1.2.4 论文的总体结构 .............................................................................................................. 2 2 方案的选择和设计思路 ........................................................................................................ 3 2.1 方案设计与论证 ................................................................................................................. 3 2.2 芯片的选择 ......................................................................................................................... 4 2.2.1 LM317三端可调节稳压器 ............................................................................................. 4 2.2.2 ICL7107三位半LCD/LED显示A/D转换器............................................................... 5 3 可调稳压直流电源的设计 .................................................................................................... 7 3.1 可调稳压直流电源的基本组成 ......................................................................................... 7 3.2 整流滤波电路 ..................................................................................................................... 8 3.2.1 整流电路 .......................................................................................................................... 8 3.2.2 滤波电路 .........................................................................................................................11 3.3 稳压电路 ........................................................................................................................... 13 3.4 过流保护 ........................................................................................................................... 16 3.5 显示电路 ........................................................................................................................... 18 3.5.1 参数的计算 .................................................................................................................... 19 3.5.2 元件的选择 .................................................................................................................... 20 3.5.3 ICL7107的校准 ............................................................................................................ 21 3.5.4 ICL7107的供电电源 .................................................................................................... 21 4

稳压直流电源的测试 ......................................................................................................... 23

4.1 电源的输出显示精确度与纹波测试 ............................................................................... 23

4.2 负载能力测试 ................................................................................................................... 28 5 稳压直流电源的实物图 ...................................................................................................... 30 5.1 通电后的工作情况 ........................................................................................................... 30 5.2 电源实物图 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 6 结语 ...................................................................................................................................... 31 6.1 结论 ................................................................................................................................... 31 6.2 体会 ................................................................................................................................... 31 致谢 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................................................... 32 英文摘要 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 附录

1 前言

1.1 稳压直流电源的研究背景

直流稳压电源一般由三大部分组成，它们分别是变压器部分，整流滤波部分和稳压器部分。通过变压器把220V的市电变为电源所需要的低压交流电，然后经过整流器，把交流电变成直流电，但是这时候的直流电并不稳定，需要经过滤波后，再由稳压器稳压输出稳定的直流电。本设计采用lm317芯片作为集成稳压电路的芯片，不仅电路简单，而且电压可以在1.25V-37V内连续可调，而且它效率高，性能好，有较高的调整精度，各方面都适合设计的要求。本电源在市场上很有应用前景，可以作为收音机或掌机的外接电源，也可以用作手机电池的充电器，功率高点的还作为小型电视或其他家用电器的电源。

直流稳压电源是电子技术常用的仪器之一，它现在广泛的应用在学校教学，科学研究等领域，是电子设计人员进行实验操作和科学研究必不可少的电子仪器。在日常的电子电路中，供电电源常常要用到稳压直流电源。所以，稳压直流电源具有非常重要的研究意义。

在日常生活中，很多家用电器或者IT产品都要用到稳压直流电源供电。但是在实际生活中，我们的家庭用电都是用到220V的交流电网。这就需要通过变压，整流，滤波，稳压电路来将交流电转换成稳压的直流电，供家用电器使用。变压器可以将220V的交流电转换成适合用电器的低压交流电。整流器由二极管组成，用于滤去整流输出电压中的纹波。

1.2 课题的主要内容 1.2.1 电源的输出控制

本系统利用lm317的稳压及其电压可调的功能，通过旋转接在调整脚的电位器，实现输出电压在1.25-20V内连续可调，调整精度较高。LM317的电压调整电路图如图1所示。

图1 lm317的电压调整原理电路图

如图1所示，通过调整可调电阻RV1的阻值，就可以调整输出电压Vo的大小。所以，如果希望调整的精度高，可调电阻RV1的调整精度也要高。 1.2.2 稳压直流电源的功能

本设计的稳压直流电源，除了可以输出稳定的直流电压和实现电压的平滑连续可调外，还有数显功能，能够用LED数码管显示输出端的电压。 1.2.3 性能指标

输出最大电压：20V 输出最小电压：1.25V 输出最大电流：1.5A 最大传送功率：20W 1.2.4 论文的总体结构

第一部分主要介绍课题的背景，研究意义，介绍本文的主要研究内容，包括实现的功能和性能指标等。

第二部分提出稳压直流电源的总的设计思路和几种可行的方案，以及各方案实现的功能，并对这些不同的方案进行分析，最终选择了本方案，并对本方案需要用到的元器件进行详细的介绍。

第三部分对选择的方案进行分析阐述，把电路分模块地论述，给出各部分电路图。 第四部分对稳压直流电源的性能参数进行测量和评估，以及对被控对象进行研究。 第五部分给出设计的实物图。

第六部分对本稳压直流电源给出本课题的结论，作结束语。

2 方案的选择和设计思路

2.1 方案设计与论证 1 输出电压范围1.25V-20V； 2 波纹系数尽量小，输出稳定； 3 能数字显示电压。

三个方案的选择：

方案一：开关电源，采用PWM脉宽调节。它的功耗比较小，效率高，稳压范围宽，电路的形式多样。但是，PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电压的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小的时候，即希望调出很小的电压的时候。

方案二：用单片机控制输出电压的调整，使用电压采样电路，通过A/D转换实现闭环控制。主要由微控制器模块，稳压控制模块，电压采样模块，显示键盘模块，电源模块五部分组成。方案二系统框图如图2所示。

图2 方案二系统框图

方案三：利用lm317集成稳压芯片为核心，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定的直流电。再用ICL7107芯片制作数字显示电压表头，芯片的供电也是用lm317制作+5V的稳压电源提供。方案三系统框图如图3所示。

图3 方案三系统框图

根据课题的要求最终选择方案三，虽然方案三电压调节精度不及方案二，但是连续可调的直流电压比较符合课题，方案二中的数控直流电源是步进调压的。而且方案三具有电路简单，价格低廉，便于操作等优点，而且经过调试，其电压输出稳定，调压精度高，效率高，完全符合课题的要求。 2.2 芯片的选择

2.2.1 LM317三端可调节稳压器

Lm317是可调节三端正电稳压器，在输出电压的范围是1.25V-37V的时候能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常容易使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。此外，还使用内部限流，热关断和安全工作区补偿从而使之能防止烧断保险丝。

Lm317是应用很广泛的集成电路之一。它不仅能构成三端稳压电路的最简单形式，同时输出电压具有可调的功能。此外，它还有众多的优点，例如，调压范围宽，稳压性能好，噪声低，纹波抑制比高。它的主要性能参数如下：

输出电压：1.25-37V DC； 输出电流：5mA-1.5A；

保护电路：芯片内部有过热，过流，短路保护电路； 最大输入输出电压差：40V DC； 最小输入输出电压差：3V DC

集成稳压器有多种型号供选择，每种型号有着不同的性能指标，可用于功能要求不一样的各种电路。表1为几种集成稳压器的型号与性能指标：

表1 几种集成稳压器的型号与性能指标 类型

参数 输入电压 输出电压

符号 V1 V0

单位 V V V %V % /℃ dB uA Ω mA

三段固定

三端可调

可调

78Mxx、79Lxx lm317、LM337 LM138 +-（8-40）

+-（3-40）

35 大电流

+-（5-24） +-（1.2-37） 1.2-32 +-(2.0-2.5)

3-18 12-15 300 53-62、60

空挡（1.5）

2.8 0.01 0.1 (0-75) ℃ 65、77-80 50、65-100

3.5 0.01-1.5

0.01 0.03 60-75

最小电压差 （Vi-Vo）min 电压调整率 电流调整率 温度系数 纹波抑制比 调整端电流 输出阻抗 最小负载电流

Sv Si S RR Id Zo Iomin

输出电流 Io A M（0.5）

0.1-1.5

L（0.1）

最大功耗 输出噪声电压

Pmax Vn

W 0.6-20 50

uV(峰-峰值) 4-70、125-600

2.2.2 ICL7107三位半LCD/LED显示A/D转换器

ICL7107是现时一种在数字仪表领域上应用非常广泛的三位半A/D转换器，它的用途非常广泛，不仅可以用于制作数字显示电压表，电路稍加改造，还可以用于制作数字电流表和数字温度计等实用的电路或仪表。

ICL7107是一种高性能，高效率，低功耗的三位半A/D转换器电路。它集成了七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统，并且可以直接驱动发光二极管。ICL7107芯片将高精度，低成本和通用性非常好地集于一身，而且极性误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种各样的系统中都发挥了非常大的作用。而且，只要用十来个作用的无源电子元件和LED发光管就可以与ICL7107构成一个具有高性能的仪表面板，充分表现出ICL7107芯片的低成本还有电路设计简单等优点。

ICL7107芯片共有40个引脚，芯片的第一脚，是将芯片正放，眼睛面对芯片的型号字符，在芯片的左下方就是它的第一脚。当知道了那个脚是第一脚，按照逆时针方向排列，依次是第二引脚到第四十引脚。

芯片的第一引脚是供电，需要接入DC5V的电压。第36引脚是基准电压，正确数值时100mv，第26引脚是负电源引脚，它的电压数值是负的，最好是-3.2v到-4.2v左右，不能够是正电压或者零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚。

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，在通常的情况下，这四个引脚都接地。下面给出ICL7107芯片的管脚排列图，如图4所示：

图4 ICL7107的管脚排列图

表2为ICL7107芯片的各种极限参数的表格，包括工作温度、储存温度、热阻和最大结温等。

表2 ICL7107的极限参数

参数类型 电源电压 电源电压 电源电压 模拟输入电压 参考源输入 时钟输入 时钟输入 工作温度 贮存温度 热阻 最大结温

型号 ICL7106 ICL7107 ICL7107 ICL7106/ICL7107 ICL7106/ICL7107

ICL7106 ICL7107 ICL7106/ICL7107 ICL7106/ICL7107 ICL7106/ICL7107 ICL7106/ICL7107

符号 V+~V- V+~GND V-~GND

Topr Tstg

参数范围

15 6 -9 V+~V- V+~V- TEST~V+ GND~V+ 0~70 -65~150 50 150

单位 V V V ℃ ℃ ℃/W ℃

3 可调稳压直流电源的设计

3.1 可调稳压直流电源的基本组成

稳压电源一般分为五部分，由变压器降压电路，全桥整流电路，滤波电路，稳压电路和保护电路组成。

稳压电源电路图如图5所示。

图5 稳压电源电路原理图

Lm317可调式集成稳压电源的原理图如图5所示，只要接线正确，一般能良好地实现它的功能。交流220V电压经过电源变压器降压整流后得到直流电压Vin，电压Vin经过滤波电路输入到集成稳压器的输入端，在集成稳压器输出端课调出1.25V-20V（可调范围取决于R2和R3的取值，最大范围可以从1.25V调到37V。）的电压。

为获得较高的输出电压值，LM317稳压器的调节端与地之间的电阻R2值及其压降往往较大，在R2两端并接一个不小于10uF的电容C3，可有效地抑制输出端的纹波。由于稳压器在1∶1的深度负反馈下工作，当输出端负载为容性的某一值时，稳压器有可能出现自激现象。因此，在稳压器的输入端接入0.1uF的电容C2，输出端接入10uF的电解电容C5，提供足够的电流供给，同时可以防止可能发生的自激振荡以及减小高频噪声和改善负载的瞬态响应。当输入端发生短路时，C5通过稳压器的调整管放电，C5值较大，则放电时的冲击电流很大，电压会通过稳压器内部的输出晶体管放电，可能造成输出晶体管发射结反向击穿。为此，在稳压器两端并接二极管D6，输入端短路时C5通过D6放电，保护LM317稳压器。

3.2 整流滤波电路

因为课题需要5V-12V的稳压直流电，所以需要用到220V转18V的变压器把高压的交流电转成低压交流电。因为课题不需要用到20V以上的电压，所以应该选用18V-24V的变压器，这样可以降低LM317集成芯片的功耗，达到低功耗，高效率的要求。 3.2.1 整流电路

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用单相桥式整流电路。

单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。桥式整流电路原理图如图6所示。

图6 桥式整流电路原理图

选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM和正向电流IF。由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。流过整流管的平均电流：

ID

Ii

2

Io

0.01A

Ii

IR2

IR2

IR1 Iadj

式中Ii 为稳压器的输入电流，IR1、IR2、Iadj 分别为流过R1、R2，以及调整端的电流，则：

ID

0.01 Io

2

考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的2～3 倍。二极管最大反向电压：

Udmax

2

1.2Ui

式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui为整流输出电压(即稳压器输入电压)。为了保证稳压器LM317稳定运行，输入电压Ui与输出电压U0之差一般在5～15V范围，取Ui-U0=10V，得：

Udmax 1.2Ui 1.2(Uo 10) 12 1.2Uo

设计时可考虑一定的余量。根据计算，1N4007的二极管符合设计要求，可以用作整流桥。桥式整流电路电压和电流波形如图7所示。

图7 桥式整流电路电压和电流波形

如图7所示，在交流电压u2的整个周期内，负载Rl都有同方向的电流通过，故Rl上得到单方向全波脉动的直流电压。这样，四个二极管组成的整流桥就完成了整流的功能。

3.2.2 滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。所以我们需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。

对于滤波电路的选择有两种方案：

方案一：采用电感滤波电路。由于电感在电路中有储能的作用，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，当电流减小时，它有可以把能量释放出来，是负载电流比较平滑，有平波的作用。在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，而且容易引起电磁干扰。一般的情况下只适用于低电压，大电流的场合。电感滤波电路图如图8所示：

图8 电感滤波电路

方案二：采用电容滤波电路。由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负

载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。电容滤波电路原理图如图9所示。

图9 电容滤波电路

经过分析，最终决定采用方案二。

经过滤波，电路的电压、电流波形如图10所示。滤波电解电容C的选择原则是：取其放电时间常数RLC大于充电周期的3～5 倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C的充电周期等于交流电源周期T的一半，即C≥(3~5) T2RL，式中RL为整流后的等效负载电阻，经过考虑，本设计取C为2200uF。

设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导 通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=Uc≈U2，在u2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容 C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压Uc按 指数规律缓慢下降，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电 过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压的波动大为减小。

图10 桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形

3.3 稳压电路

稳压电路是整个设计之中一个很重要的组成部分，几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源供电才能正常工作。所以，研究和熟悉稳压电路的组成和设计具有非常重要的意义。

稳压电路主要用于提供更加稳定的直流带能源。考虑到整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还是有相当的距离，主要是存在两方面的问题：第一方面，但负载电流变化的时候，因为整流滤波电路存在一定的内阻，所以输出的直流电压将有可能随之发生变化。第二方面，由于电网电压并不稳定，当电网电压发生波动时，整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也相应的发生变化。因此，在设计中，采用三端集成稳压器lm317来实现稳定电压的功能。

其中，调整管接在输入端和输出端之间。当电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压基本保持不变。放大短路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极。放大倍数越大，则稳定性能越好。由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电路的一种，而串联型直流稳压电路的输出电压和基准电压成正比，因此，基准电压的稳定性将直接影响稳压电路的输出电压的稳定性。采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一步份送到放大电路的输入端。启动

电路的作用是在刚接通电流输入电压的时候，是调整管、放大电路和基准电源等建立各自的工作电路，而当稳压电路正常工作是启动电路被断开，影响稳压电路的性能。保护电路主要起到限流保护，过热保护和过压保护的作用。

稳压部分的电路原理图如图11所示。

图11 稳压电路原理图

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压

块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。 稳压电源的输出电压可用下式计算：

RVo 1.25(1 )

R3

仅仅从公式本身看，R3、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R3和R2的阻值是不能随意设定的。1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R3应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D5，D6用于保护LM317。

首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压的317稳压块

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