双路可调直流稳压电源设计与制作

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课程设计报告

课程设计名称： 双路可调直流稳压电源设计与制作

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1.稳压电源发展史

1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。

60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。

70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。

2.方案论证

2.1串联式直流稳压电路

串联型直流稳压电源通常由电源变换电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和负载组成，其原理框如图3.1-1、图3.1-2所示。

图3.1-1 直流稳压电源原理框图

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图3.1-2 稳压电路原理方框图

（一）各单元电路功能及作用（表3.1-1）

1. 电源变换电路：电源变换电路通常是将220V的工频交流电源变换成所需的低压电源，一般由变压器或阻容分压电路来完成。

2.整流电路：整流电路主要利用二极管正向导电、反向截止的原理，把交流电整流变换成脉动直流电。整流电路可分为半波整流、全波整流和桥式整流。如果采用桥式整流，其整流后的电压波形如图3.1-1中的波形U3所示。其输出的脉动电压平均值。U3?流为ID?1???02sin?tdt?22?U2?0.9U2桥式整流电路中流过二极管的平均电

1桥式整流电路中二极管承受的最殴打反向电压I0(I0为负载平均电流）2URM?2U2。

3. 滤波电路：滤波电路时利用电容和电感充放电储能原理，将波动变化大的脉动直流电压（频率为100Hz，是交流电源频率的两倍）滤波成较平滑的直流电。滤波电路有电容式、电感式、电容电感式、电容电阻式。具体须根据负载电流大小和电流变化情况以及对波纹电压的要求而选择滤波电路形式。最简单的滤波电路就是把一个电容与负载并联后接入整流输出电路。其整流滤波后的电压波形如图3.1-1中的波形U4所示。桥式整流电容滤波电路的输出电压U4?(0.9~2)U2其系数大小主要由负载电流大小决定，滤波电容要满足C?(3~5)T1(T??0.02 s)2RL50才有较好的滤波效果。

4. 稳压电路：稳压电路时直流稳压电源的核心。因为，通过整流滤波虽然获得了直流输出电压，但它还会随着输入电网波动为波动，或随着负载的变动而变化，是一种电压值不稳定的直流电压，而且波动系数也比较大，所以必须加入稳压电路，稳压电路可以保证输出直流电压更加稳定 稳压电路单元包括基准电压、取样电压、比较放大器、调整原件等基本电路和保护电路，图3.1-2为其原理方框图 。 基准电压的稳定性直接关系到整个稳压电源的稳定性，通常由稳压管电路获得，基准电压一般取输出电压的1/2左右。 取样电路的作用是将输出电压Uo比例取出一部分，作为控制调整原件的依据。稳压电压Uo取样比和基准电压Uvd决定，改变取样比或基准电压，即可改变稳压电源的输出电压。 比较放大器是一个直流放大器，它对取样电压与基准电压的差值进行放大，然后去控制调整原件。 调整原件是稳压单元的执行元器件，一般由一个工作在线性放大区的功率管构成，它的的基极输入电流受比较放大器的输出电压控制。当电流大时调整管的导通度就大，否则，导通度就越小。由于整个稳压电源的输出电流全

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部要经过调整管，所以调整管应有足够的功耗和满足集电极电流指标。一般可采用复合晶体管，但其电流放大系数则是两个晶体管放大系数之乘积。采用复合管的好处是可以极大地提高调整管的电流放大系数、降低动态内阻等。

2.2开关稳压电源

1 开关稳压电路的工作原理

开关稳压电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。功率转换部分是开关电源的核心，它对非稳定直流进行高频斩波并完成输出所需要的变换功能。它主要由开关三极管和高频变压器组成，电路如图1(a)所示，波形如图1(b)所示。Ui 是用电网交流220V 直接整流滤波得到的直流高压(这样可省去工频变压器)。高频变压器的原绕组为N1，N2 为变压器副绕组，供输出用。N3 为基极正反馈绕组，R1 是启动电阻，R2 是限流电阻。加上电源时，电流通过R1 流向开关管T 的基极，使T 导通。此时变压器副边的二极管反向偏置，于是T 集电极电流和变压器绕组N1 中电流相等。由于是从零起动，基极电流不大，就能使T 导通。原绕组N1 通过电流，产生上正下负的感应电压，经磁芯耦合，反馈绕组N3 也产生感应电压UL3，并向T 的基极注入iB，使T 进一步导通，即UL3 增加，iB 增大，使iC 进一步增大，这是一个正反馈雪崩过程。在T 导通期间，副边因二极管反偏没有电流。当T 进入高饱和区后，iC 的变化率减小，原边N1 绕组感应电压下降，同时反馈绕组N3 电压下降，造成iB 下降，iC 下降，这再次形成一个正反馈雪崩过程，使开关管迅速截止。T 的导通时间TON 取决于iC 达到饱和的时间。T 导通期间，副边电路截止，原边线圈储能。T 截止时，N1 的感应电压上负下正，相应地N3 的电压上负下正，保证T 截止，同时副边N2 电压上正下负，D 导通。由N2 通过D 向负载传送能量，副边绕组中电流iD 线性下降，直到iD=0，电路恢复起始状态，开始一个新的周期，T 再次导通。TOFF 取决于副边绕组放电到零的时间。输出电压与开关管的导通时间成正比。

2 开关稳压电源的优点: [1].功耗小，效率高。 [2].体积小，重量轻。 [3].稳压范围宽。 [4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。 [5].电路形式灵活多样。

开关稳压电源的缺点:开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措

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施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

2.3三端集成稳压器电路

如图所示，他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载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。

正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及外围器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。

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。在实际中，如果对电路的要求不太高，多采用第二种设计方案。

3. 通用电路图

三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317系列三端集成稳压器，其输出电压调节范围可达1.25～37 V，输出电流可达1.5 A，内部带有过载保护电路，具有稳压精度高、工作可靠等特点。其输出电压的调节原理如图5所示。由于LM317的2，3脚之间的电压U32为一稳定的基准电压(1.25 V)，故有：

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其中，R1为固定电阻，故调节R2可以调节输出电压UO，并且UO的最小值为1.25 V。

电压补偿电路的设计。因要求输出电压从0 V起调，LM317集成稳压器不能直接满足要求，需设计一个电压补偿电路，抵消LM317的1.25 V最小输出电压。电压补偿电路由电阻R4和二极管D组成。

式中，U3为LM317的3脚电压；UO为输出电压；UD为二极管D的正向压降，即为补偿电压，其值略大于LM317的基准电压(1.25 V)。这里用3只串联的锗材料整流二极管的导通压降来实现。当调节R2少，使U3达到与UD相等时，输出电压即为0 V。之后，当调节R2逐渐增大时，UO即由0 V开始增大。由于负载电流流过D，故D的最大工作电流应能适应负载电流的要求。图5中R4用于给D提供工作电流。

软启动电路由晶体管T，电阻R3，R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压UO有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压UI接入时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导

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通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故UO很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以UO也升高。当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，UO也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。

器件参数确定：

（1）集成稳压器：LM317、LM337 （1.2~37V可调满足要求） （2）变压器：双15V，30W

UO=0～±12V，但是LM317的可调范围是1.2~37V。因此没有修正之前稳压电源的输出UO=1.25～±13.25V。

Uomax?(Ui?Uo)min?Ui?Uomin?(Ui?Uo)max 13.25+3V≤Ui≤1.25+40V 16.25V≤Ui≤41.25V

U2≥Uimin/1.1=16.25/1.1=14.8V，取15V I2≥Iomax=0.5A，P2≥U2*I2=15*0.5=7.5W

由表3.5.1可知?=0.6，因此P1≥2*P2/0.6=25W，为留有余地，一般功率选30W。

（3）整流二极管：1N4001(URM=50V，IF=1A)满足要求

反向击穿电压URM>2U2=2*15=21.21V,额定工作电压IF>Iomax=0.5A （4）滤波电容：

?UoSv?Uo?UiUiIo?常数T?常数 一般地，稳压系数为Sv≤3*10-3，

式中，Uo=13.25V，Ui=16.25V，Uopp=5mV，

?Uopp*Ui0.005*16.25?Ui???2.044V?3Uo*Sv13.25*3*10则

C?

Ic*tIomax*t0.5*0.01???2446?F?Ui?Ui2.044滤波电容，所以取两个电容并联，一个

2200?F，一个470?F。

（5）R1，Rp1：R1=120~240?；由Uo=1.25(1+RP1/R1),得RP1=(Uo/1.25-1)R1.可以根据Uomax和Uomin求出RP1max和RP1min从而根据RP1max选择RP1的大小。

假定R1=240?，由于UO=1.25～±13.25V，则由RP1=(Uo/1.25-1)R1得RP1min=0?，RP1max=2304?，则RP1为2.5K?精密线绕可调电位器。

4.仿真图

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5.调试过程

(一)调整电路得到符合要求的输出电压值 1.变压器部分调试

调节、测量变压器的输入电压（电源电压）为220V。

方法：万用表交流电压250V档，在调试桌的电源上测量，可不考虑红黑表笔 测量变压器的输出电压为18V

方法：万用表交流电压25V档，在变压器输出端测量，可不考虑红黑表笔

2.整流滤波部分调试

测量整流滤波电路的输出电压为 2?18?25V方法：万用表直流电压50V档，测量C1两脚间的电压，注意区分红黑表笔（可看电容极性）。

3.稳压电压调试

电路空载下，调节电阻RP1，使输出电压为12V

方法：万用表直流电压25V档，测量输出端的电压，注意区分红黑表笔。

(二)性能参数的调试

1. 装配质量检测

对照电原理图和元器件表认真检查所用元器件的规格、型号有无装配错误，如果有错，应及时改正。

对照安装图，检查印制线路板的装配质量。重点检查有无短路、搭焊、漏焊、虚焊或假焊，电容C1有无接反用Ω×1K挡测C1两端电阻，应大于220KΩ（红表笔接负端，黑表笔正端），测V6的C极对地电阻，应大于几十千欧（红表笔接负端，黑表笔正端）。 2. 接线通电

接线，要求：变压器的次级引线的一端接到稳压电路的VD1的负极或VD4的正极，另一端接到VD3的负极或VD2的正极接线结束后，再接通220V电源。 3. 测可调输出电压范

要求：输出电压可调范围Umax~Umin=-15V~+15V。 方法：通数字万用表DC200V挡测输出端电压。

步骤：侧输出端电压（红表笔接至C5的正极或接大功率管的E极，黑表笔接地端），调节电位器RP1顺时针到底和逆时针到底时的输出电压范围Umax~Umin。 4．测纹波电压U纹

接通电源，调节调压器，使输入电压为220V 调节RP1，空载输出电压U0=12±0.2V保持不变

接上负载电阻RL，使输出电流I0=1A（电流表指示）

将晶体管毫伏表接至稳压电源的输出端（红夹子接“+”端，黑夹子接“地”端） 直接读出晶体管毫伏表的纹波电压值U5。 5. 最大输出电流

接通电源，输入电压220V，调节RP1，使空载输出电压U0=12V±0.02V不变

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调节负载电阻RL，使输出电流I0=1A，测量输出电压U0是否是U0=12V±0.12V（电流调整率为1%）

逐渐减小负载电阻RL的值，使I0增大到1.2V，同时U0是否下降，如果不下降或输出电压在U0=12V±0.12V范围内，说明最大输出电流能达到1.2A的要求 继续减小负载电阻R1的值，使I0继续增大，同时监测U0是否下降，如果不下降，如果不下降或输出电压在U0=12V±0.12V的范围，此时的I为最大输出电流I最大，对照指标要求进行分析。

6.课程设计心得体会

因为之前模电的实验考试做的是直流稳压电源，所以觉得会很简单，而实际做起来发现并非想象中的那么简单。实验也不知道失败了多少次，但最终还是有所成功的。现在觉得，作设计就应该有种踏实的态度，简单也好，难做也罢，只要我们静下心来投入到其中，也就成功了一半。而自己掌握的比较差，但我仔细看了看课本，所以在设计此次电源时，我脑海中就有了最初的单元电路，翻模电课本在结合自己的设计之后我完成了自己的设计，但是在做仿真的时候，本来想先熟悉一下EWB用它来做仿真的，但是掌握了EWB的基本用法之后，发现其元件库所含元件太少，尤其是其中没有LM317，集成稳压器很难找到，所以我又改用了Multisim10来做仿真，但是，由于时间仓促，而且完全不熟悉这个仿真软件，所以结果并不是很理想。但是，通过本次设计，懂得了制作过程中电路处理的方法，并了解了直流稳压电源的系统方案论证与选择和各模块方案设计与论证，让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标，也让我们认识到在此次设计电路中所在的问题；而通过不断的努力去解决这些问题。

通过此次设计，我深刻的体会到只有在实践中才能检验自己掌握知识的程度，在设计过程中我查看了一些参考书目本次设计的不足在与虽然原理清楚了，但对于实际电路，不只是仅有那点知识和原理就够的。

通过此次设计，也培养了我们的专业学习能力。通过对所设计电路的仿真，我们掌握了一些基本的使用专业软件的能力，为我们以后的专业学习打下基础。 但是，由于设计是安排在期末考试左右，又是第一次做课程设计，因而在时间上产生了一定的冲突，很多问题来不及细细思考，只是依葫芦画瓢的做，在作报告时花了很多不时间，值得我们在下一次的课程设计中好好改进，对文档的处理能更加熟练，对报告论文的形式更加有把握，内容更加充实完善。

7 参考文献

童诗白.《模拟电子技术基础（第二版）》.北京：高等教育出版社，1988 谢自美.《电子线路设计、实验、测试（第二版）》.武汉：华中科技大学出版社，2000

康华光.《电子技术基础 模拟部分（第四版）》. 武汉：华中科技大学出版社，1998

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ba16.html