急求 基于DC-DC变换技术直流稳压电源设计

<电子技术课程设计>
直流稳压电源课程设计任务书

一：设计任务及要求：
1. 设计任务
设计一集成直流稳压电源，满足：
（1）当输入电压在220V交流时，输出直流电压为6V。
（2）输出纹波电压小于5mv，稳压系数<=0.01；
（3）具有短路保护功能。
(4) 最大输出电流为:Imax＝1.0A;
2.通过集成直流稳压电源的设计，要求学会：
（1）选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。
（2）掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法。
3．设计要求
（1） 电源变压器只做选择性设计；
（2） 合理选择集成稳压器；
（3） 完成全电路理论设计、绘制电路图；
（4）撰写设计报告。
目录

一.设计任务及要求：
二.基本原理与分析
三.三端集成稳压器
四.稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求
五.集成电路选用时应注意的问题
六.参数性能指标及测试方法
七.心得体会
八.参考文献

附：部分
二、原理与分析
1．直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。各部分的作用：

（1）电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。
（2）整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。

（3）三端集成稳压器：常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如图2，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo＝1.25（1＋R2/R1）
式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。

2．稳压电流的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。测试电路如图3。

图3 稳压电源性能指标测试电路

（1） 纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。
（2）稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即：
（3） 电压调整率：输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。
（4） 输出电阻及电流调整率
输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。

直流稳压电源设计 (未经整理仅供参考)
直流稳压电源设计
一. 设计任务与设计的基本要求：
(1).直流稳压电源的任务：
利用所学的知识设计并制作交流变换为直流的稳压电源．
(2)直流稳压电源的基本要求：
A．稳压电源 在输入电压为220V．50HZ. 电压变化范围为+10%~-10%条件下：
a. 输出电压可调范围为：+9V~+12V;
b. 最大输出电流为:Imax＝1.5A;
c. 电压调整率≤0.2%(输入电压220V变化范围+10%~-10%下，满载)；
d. 负载调整率≤2%(最低输入电压下，空载到满载)；
e. 纹波电压(峰-峰值) ≤5mV(最低输入电压下，满载);
f. 效率≥40%(输出电压为+9V，输入电压为220V下，满载);
g. 具有过流保护及短路保护功能;
B. 稳流电源 在输入电压固定为直流+12V的条件下；
a. 输出电流为：4~20mA可调；
b. 负载调整率≤2%(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);
C. 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≤2%(输入电压变化范围+9V~+12V)；
c. 负载调整率≤2%(输入电压+12V下，空载到满载);
d. 纹波电压(峰-峰值) ≤100mA(输入电压+9V下，满载);
注：以下是本电路的发挥部分：
(1)扩充功能：
a. 排除短路故障后，自动恢复为正常状态； b. 过热保护；
c. 防止开, 关机时产生的”过冲”；
(2)提高稳压电源的技术指标；
a. 提高稳压调整率和负载调整率；
b. 扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值．
(3)改善DC-DC变换器的性能；
a. 提高效率(在100V, 100mA下测试);
b. 提高输出电压．
(4)用数字显示输出电压和输出电流．

摘 要

本系统稳压电源部分采用电压调整器uA723外加调整管2SC3280实现此功能，再通过单片机MCS-51(89C51)来起控制电路，实现了扩充多种功能．稳流部分采用了三端稳压调整器LM317T实现．DC-DC变换器采用了两片PFM控制芯片MAX770来实现，使输出电压提高到+100V，输出电流最大可以达到100mA．电压调整，负载调整率及纹波电压均优于指标要求．可以说本系统比其它同类产品要好的多．
二．方案论证与比较
1．稳压电源部分
方案一：简单的并联型稳压电源；
并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用此方案．
方案二：输出可调的开关电源；
开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因而也不能采用此方案．
方案三：由uA723组成的零伏起调电源；
uA723内部设有高精度基准电压源和高增益的放大器，外围电路比较简单，电压稳定度也比较高，其典型电压调整率为0.01%，负载调整率为0.03%，且热稳定性好，输出噪声也很小，还内设有过电流控制电路，使用安全可靠，具有较高的性价比，为首选方案，所以此方案为必选题．
2．稳流电源部分
方案一: 采用7805三端稳压器电源;

固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好,只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容,如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍,但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用.
方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源;
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.
不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R).由此可见此稳压器的性能和稳压稳定都比上一个三端稳压电源要好,所以此此方案可选,此电源就选用了LM317三端稳压电源,也就是方案二.
3.DC-DC变换部分;

方案一:用正弦信号(几十赫兹以下)驱动硅钢型互感耦合变压器,经整流滤波后输出.由于硅钢的磁滞特性,这种电源的开关频率不算高,易出现磁饱和,因而不利于制作高效率的开关电源.

方案二:采用高频磁芯和开关特性好的VMOS管的PFM或PWM型开关电源,负载调整特性好,效率高,性能优良,但制作调试复杂,所以此方案也不于采纳,

方案三:采用充电泵型变换器,该类电源以电容代替电感作贮能元件,为一个或多个电容供电.该类电源的最大特点是元件易得,体积小,电路比较简单,无电感;但由于对充电泵的要求严格,不适合于工作在大负载条件下,因而在大多数电源中没有被广泛使用.

综合考虑效率,输出功率,输入输出电压,负载调整率,纹波系数,本设计选用方案二.考虑到PWM对磁性元件,开关元件特性的要求较低,因而较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调整磁性元件的参数(L,Q,M等)使其工作在最佳状态,所以我们在选择方案的时候考虑到电路要简单,元件要容易找,还有在电路设计的时候避免遇到某些不必要的问题,所以我们选择了上述的方案中的第二个方案;第二个方案就能够达到我们的要求,的所以方案二我们采用了,利用开关特性和负载调整特性好及效率高,性能优良,而采用了它.(方案二)
三.直流稳压电源电路的方框图如下:

220V电源部分---变压部分---整流滤波部分---稳压电源稳流电源部分---+9V^+12V

直流稳压电源方框图

四.电路原理及各部的分离电路;
1.稳压电路部分;
采用精密电压调整器uA723,外加大功率调整管以提供大电流输出.uA723的特点如下:
①无外接调整管时最大输出电流为:I=150mA;
②外接调整管时,输出电流最大可达到12A以上;
③最大输入电压为:Vmax=40V;
④输出电压可调整范围为: +9V~+12V;
具体的电路图如下图所示:
电源变压器的效率如下所示:(小型变压器)
副边功率P2/vA <1010^30 30^80 80^200
效率 η 0.6 0.7 0.8 0.85

由uA723的特性可知:要使电路实现零伏起调,uA723的7脚至少要获得-2V的附加电压,本方案不采用多抽头的变压器,该-2V电压可通过由电容C1,C2和二极管D1,D2组成的倍压电路获得.其输出电压由电阻R1和齐纳二极管Z1固定-5.6V
,使uA723中的差分放大器在输出电压为0时仍能工作,主要的正电压通过整流桥和滤波电容C3从变压器获得.uA723的供电电压由齐纳二极管Z2固定在33V,以防止超过其极限电压值(40V).由BG2,BG3组成的达林顿管将输出电流提高到超过1A的范围.

在12脚和3脚间加0.6V的电压可调节极限电流值,该电压是电阻R9和电位器VR3是压降的总和,VR3的压降是VR3的电阻值与晶体管三极管BG1的集电极电流值的乘积,极限电流值可以通过电位器VR3连续调节.
输出电压由电位器VR2进行线性调节,电位器VR1用于调节零输出电压.
本设计还通过单片来实现了短路过流保护,过热保护,具体的电路图如下:

过热保护:温度开关KT一端通过一个上拉电阻接正电源,另一端接地,当温度过高时开关断开,产生一个零电平跳变送给单片来进行处理.
过流检测和短路保护原理:采用单片机MCS-51(89C51)对输出电流进行周期性的检测,可以方便地实现短路保护及短路故障排除后自恢复的所有功能.过流或短路时,检测电路向单片P1口发出报警信号,单片证实后启动它的保护电路,经过短时间延时后继续查询P1口上的内容,如无报警信号,则电路又恢复到正常状态.
过热保护,发声报警等功能也直接由单片机(89C51)来实现控制.

2.稳流电源部分;

LM317是三端可调式正电压调整器,正常工作时在其调整端与输出端之间有一个高稳定度的1.25V电压,利用该电压即可以获得可调的电流输出.实际中,
LM317输出端与电位器之间串接了一个10Ω/1W的电阻,使最大电流限制在125mA左右,以免发生过流现象.
具体的电路图如下所示:

3.DC-DC变换部分;

DC-DC变换器的核心部件是两片升压开关调节器MAX770,MAX770结合了PFM低的吸取电流和PWM大功率应用下效率高的特点,能比以往的PWM器件提供更大的电流.
MAX770有以下的特点:
①开关频率较高(300KHZ),减小了电感的尺寸;
②在较宽输出电流范围内可以达到87%的效率;
③功耗比较低;

用MAX770制成的升压器如下图所示;由于MAX770对VMOS管的驱动能力有限,使用了一片MAX770很难实现本电路的性能指标,因此本电路采用了两级MAX770.
五. 测试方法与调试过程;

1.稳压电源部分;
(1) 输出电压范围测试
调节可调电位器,用数字型万用表测出电阻两端的输出电压,最小值为0.821V,最大值为:24.61V.
(2) 最大输出电流测试 将输出电压调整至9V,输出端接通可调电阻,串入数字万用表,测得最大输出电流为:2.06A.
(3) 电压调整率测试
将调压变压器输出端接稳压电源的输入端,将稳压电源输出电压调整至9V,调节调压变压器,使其输出从176V升至到253V,用数字万用表测量负载两端的电压,测得最大电压变化量为:10mV,计算得电压调整率为:(0.01/9)*100%=0.11%.
(4)负载调整率测试
空载时将输出电压调整至9V,在负载端接入300Ω/120W的变阻器,将变阻器从6Ω调整至100Ω,用数字万用表监视输出电压的变化,测得最大电压变化量为:0.04V,因此负载调整率为:(0.04/9)*100%=0.44%.
(5)纹波电压测试 将电压输出调整至9V,外接一个6Ω的电阻,将示波器置于AC/5mV输入挡,测得负载上的纹波电压为:1mV.
(6)效率测试
将电压输出调整至9V,外接一个6Ω的电阻,其输出功率P0=81/6=13.5W.在负载不变的情况下,测出稳压电源的交流输入电压为:12V,交流电流为:2.05A.因此输入功率Pi=12*2.05=24.7W(设功率因数为1),电源效率为(P0/Pi)*100%=(13.5/24.7)*100%=40%,达到上述所要求的指标.
(7)过流保护及短路保护功能测试
将电压输出调至为9V,外接一个6Ω的电阻,用万用表测得输出电流为:0.说明过流保护功能正常.再将输出短路,现象如同上,说明短路保护功能一切正常.
(8)采用单片机(89C51)来实现保护,检测 短路故障排除自恢复,过热保护,防止关机时产生的”过冲”均测试通过;一切正常.
2.稳流电源部分;
(1) 输出电流测试 输入电压为+12V,改变外接电阻的大小,记录最小电流值Imin与最大电流Imax.Imax=45.40mA,
Imin=1.46mA.
(2) 负载调整率的测量
输入电压+12V,负载电阻由220Ω至300Ω之间变化,设定输出电流20mA,每上升20Ω测输出电流,数据如下所示:
电阻/Ω 200 220 240 260 280 300
电流/mA 19.71 19.72 19.70 19.70 19.70 19.70

负载调整率≈0.02/20.00=0.1%.

3. DC-DC变换器部分;
(1) 输出电压电流测试
输入电压由+9V至+12V变化,负载接3.6KΩ/10W电阻,测得输出电压为+100.11V,输出电流为:30.7mA.
(2) 电压调整率的测试 空载,输入电压由+9V至+12V变化,测得最大电压变化为:0.1V.
(3) 负载调整率的测试 输入电压+12V,空载,测得输出电压 +100.1V;10KΩ/5W电阻,测得输出电压为:
+100.0V.
(4) 纹波电压测试 输入电压 +9V,接3.6KΩ/10W的电阻,示波置于交流AC/250mV挡,测得纹波电压.Vpp≈80mV.
(5) 效率的测试
输入电流为:5A,输入电压为:11.8V时,测得输出电压为100.08V(3.6KΩ的电阻,电流为:27.8mA),计算可得出:
η=64.3%.

六. 电路的结果分析
1. 稳压电路部分;
(1) 输出电压的可调范围
由于本电路中uA723的7脚接-2V,因此可以实现从零伏起调,这也是本电路的特色之一,本电路实现了0^20V可调,超过指标要求.
(2)最大输出电流
它由uA723的3脚所接电阻R9决定,计算公式为:Imax=0.6/R9,由于本电路中R9为0.33Ω,因此Imax限制为2A左右.
(3)电压和负载调整率及纹波电压 优于指标要求,这是由uA723优良特性与方案设计思路决定的.
(4)效率的测试 输出为9V,而输入为17V左右,因此有一部分功率被调整管吸收,从而导致了效率并不是很高.
2. 稳流电路部分;
(1) Rmin=10Ω, Rmax=1010Ω
I’min=1.25/1010≈1.24mA > Imin
受输入电压+12V与LM317内部压降约为1.7V的影响,可能的最大电流为: I’max=(12-1.7)/220≈46.82mA >
Imax
Imin>I’min是由于LM317在小电流负载下稳压性能变差造成的.
Imax (2) 负载调整率 LM317的典型负载调整率为:0.1%,本电源在工作时工作在小电流负载情况下,与理论值吻合.
3. DC-DC变换电路;
由于该变换部分输入电压为12V,输出电压为100V,升压比较大,要保证电流输出能力,多级并联式开关升压器是一种较好的选择.
在保证第二级满载输出时,第一级至少应留有80%的裕量,且第一级电压波动应不大于5%.
在实际电路中前级由于是升至次高压,故要求开关管的Ron足够小,Ids足够大,Cis足够小(否则将对驱动电路产生不利的影响);后级应对反向击穿电压有较高的要求,应不低于500V,取该级开关管耐压值为:900V,以防止高压毛刺击穿.对磁芯的选择决定了电源的功率容量,在实际中,高于200KHZ时采用铁粉芯等带空气隙的磁芯可获得良好的功率容量和磁滞特性,有利于大L值电感的充放电的完成,即提高Q值.在该模块的测试中,可以看到在大DC变换比的指标下,采用了多级串联主从式开关电源是一种较好的解决方案.

七. 此电路的误差分析
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
① 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;
② 电流表内阻串入回路造成的误差;
③ 测得纹波电压时示波器造成的误差;
④ 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差;
可以通过以下的方法去改进此电路:
① 减小接触点的微小电阻;
② 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;
③ 测得纹波时示波器采用手动同步;
④ 采用更高精确度的仪器去检测;
八. 对此电路的综合总结

通过本次设计,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存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了电压调整管(uA723)外加调整管(2SC3280)来实现电压的调整部分;还通过单片机(89C51)来实现电路的控制,也实现了扩充多功能;而稳流部分采用了LM317可调式三端稳压电源管,通过LM317来实现
了电路中的稳流部分,至于电路的最后一部分(DC-DC变换部分)我们是采用两片升压开关调节器(MAX770)来实现了电路中的DC-DC变换部分.本次设计在电压调整器的电路中,采用了适当的联接方法,可以实现电压”零”伏起调;测试方法与过程也比较充分,同时也实现了电压的可调.同时我们四个人在设计此电路的时候也付出了不少,我们几个分工完成了此电路,虽然电路不是很完善,我们已经尽力的去把它给做好了;由于时间的关系此电路只有硬件,软件没有时间来完成.
(注:由于时间的原因本电路的软件部分没有在报告上体现出来).
九. 参考文献资料:
◆何立民编著 . MCS-51系列单片机应用系统设计--------系统配置与接口技术, 北京航空航天大学出版社, 1991.
◆王树勋,潘承武,朱英杰编著. MCS—51单片微型计算机原理与开发. 机械出版社,1990.
◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社,1986年3月.
◆ <<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社,1982年6月.
◆<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社,2000年5月.