集成直流稳压电源设计.docx
- 文档编号:16125047
- 上传时间:2023-07-10
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:289.38KB
集成直流稳压电源设计.docx
《集成直流稳压电源设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《集成直流稳压电源设计.docx(26页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
集成直流稳压电源设计
要求:
一、论文提纲
论文应包含以下几个部分:
封面(自行设计)、文章标题,作者姓名,作者单位(学校、专业、班级全称),中文摘要,英文摘要,正文,参考文献等。
二、论文格式要求
、[摘要](以摘录或缩编方式复述文章的主要内容):
~字;
、[关键词](选用可表达文章主要内容的词或词组):
~个关键词;
、[标题]:
论文题目十分重要,必须用心斟酌选定。
()准确得体,论文题目能准确表达论文内容,恰当反映所研究的范围和深度。
()简短精炼,力求题目的字数要少,用词需要精选,一般不超出个字。
()外延和内涵要恰如其分。
、[正文]:
()论文正文篇幅一般在字不等,包括简短引言、论述分析、结果和结论等内容。
文字太少就不能充分展开论述。
()文中出现的外文缩写,除公知公用的,首次出现一律应标有中文翻译或外文全称。
()文中图、表应有自明性,且随文出现。
()图中文字、符号必须写清,所有出现的数值都应标有明确的量与单位。
()文中表格一律采用“三线表”。
()文中有关量与单位必须符合国家标准和国际标准,用单个斜体外文字母表示。
()正文章节编号采用三级标题顶格排序。
一级标题形如,,,…排序;二级标题形如,,,…排序;三级标题形如,,,…排序;引言不必排序。
、[参考文献]:
参考文献主要有专著(),论文集(),报纸文集(),期刊文章(),学位论文(),报告(),标准(),专利(),其他未说明文章()等。
参考文献如为专著,所列项目包括:
作者姓名.书名.版本.出版地:
出版者,出版年;参考文献如为期刊,所列项目包括:
作者姓名.版本.年.月.卷(期)~年.月.卷(期).出版地:
出版者,出版年;参考文献如为电子文献,所列项目包括:
作者姓名.电子文献题名.文献出处或网址,发表或更新日期.。
三、论文撰写内容参考
反映集成电路课程讲授基本内容及相关芯片应用实际,进行实际系统分析及应用研究。
可从以下方面展开论述:
1、综述类。
介绍集成电路的发展及现状,包括模拟集成电路、数字集成电路及模数混合集成电路的发展、现状及应用。
2、实际应用设计分析类。
结合具体芯片进行系统设计分析,包括软件设计仿真;硬件设计及芯片选型。
重点体现集成芯片的功能应用。
可选基本应用范围包括但不限于:
模拟集成电路的线性及非线性应用;集成变换器集成应用;集成信号发生器;集成有源滤波器;集成稳压电源;语音和图像集成电路;数字集成电路及应用;嵌入式系统及应用;系统及应用;集成电路及应用等
、展望类,主要对未来集成电路的发展应用及新技术进行研究。
四、论文提交
、提交成果:
任务书、封面、论文、论文评阅标准、论文评阅表(填写好个人信息及论点、论据、论证部分),将文件按顺序装订整齐。
、提交时间:
第十三周周五前提交。
五、注意事项
、论文如出现抄袭或出现雷同论文,老师将不再通知作者本人,成绩直接按分计。
(抄袭的界定是同学所提交的论文的查重率不得超过;雷同论文的界定是指同学提交的论文的相似度超过)
、提交的课程论文原则上要求手写,交打印稿的同学,以班级为单位将电子档文档压缩后发指导老师邮箱。
、课程论文评阅表的论点、论据、论证部分由学生根据自己论文内容填写。
提交的论文请同学们将自己论文的全部信息填写完整,只留下教师参考“课程论文评阅标准”进行评阅打分的部分内容。
摘要
引言
原理电路的设计
设计思路
总体设计原理
电源变压器的基本原理
整流电路的基本原理
单相桥式整流电路工作原理
参数计算
单相桥式整流电路的负载特性曲线
滤波电路的基本原理
稳压电路的基本原理
电路元件选择
集成稳压器的分类与选择
集成稳压器的分类
集成稳压器的选择
电源变压器的选择
集成整流桥及滤波电容的选择
稳压电路的设计
典型稳压应用电路
一般应用电路
固定低压输出电路
加外接保护电路
从零起调的实用稳压电源
新型多路稳压电路设计
仿真结果与分析
电路原理图
说明书
电路每级波形图
电路输出波形图
仿真结果与误差分析
参考文献
附录一
附录二
摘要
随着电子技术的快速发展,高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高,如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。
考虑到实验室经常使用±与±的直流输出电压,与只能提供可调稳压电源和只能提供固定稳压电源的电路不同,本文旨在通过开关控制同一电路,利用交流变压器、整流环节、滤波环节,通过三端可调式集成稳压芯片、将交流电压转化为±,±和一组可调正电压的直流电压多路输出,并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。
关键词:
集成稳压电源半波整流电容滤波仿真
.±±,, ,,±,±, .
:
引言
随着电子技术的快速发展,高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高,如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。
直流稳压源为电路提供直流电压和能量,其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。
事实上功率较小的直流电源大多数都是将的交流电流经过整流、滤波和稳压后获得的。
、是固定集成稳压器芯片,经过对外围电路的改进设计,可以达到大范围的输出电压调整,因而,若能通过对、集成芯片的外电路设计,以实现实验室对直流稳压电源的需求,则可满足教学上各种综合实验的需要,成为各类高校理工类电子技术及相关专业的理想器件之一。
而大多数直流稳压电源不是只能提供可调电压就是只能提供稳值电压,因此需要创新出一种电路使之能够同时提供稳值电压和可调电压,便可满足一些实验者的需求,同时也能使实验电路总体结构变得简洁明了。
原理电路的设计
设计思路
本文的设计主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路个部分。
变压电路:
将交流电网的电压变味所需要的电压值。
整流电路:
将交流电压变成脉动的直流电压。
滤波电路:
由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波,因此需要设计滤波电路加以滤除。
稳压电路:
在电网电压波动、负载和温度变化时,依然维持输出直流电压稳定。
图直流稳压电源设计思路
总体设计原理
图直流稳压设计原理示意图
本文设计的直流稳压电源是单相小功率电源用于实验室使用,它将频率为,有效值为的单相交流电压转换为幅值稳定,输出电压为±、±、可调的直流电压。
单相交流电经及过电源变压器,整流电路,滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。
直流电源的输入为的电网电压(即市电),一般情况下,所需直流电压数值和电网电压的有效值相差较大,因而需要通过电源变压器降压后,再对交流电压进行处理。
变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压,即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压,半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图中所画。
可以看出,它们均含有较大的交流分量,会影响负载电路的正常工作;例如,交流分量将混入输入信号被放大电路放大,甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号;因而不能直接作为电子电路的供电电源。
图中整流电路输出端所画波形时未接滤波电路时的波形,接入滤波电路后波形将有所变化。
为了减小电压的脉动,需要通过低通滤波电路滤波,使输出电压平滑。
理想情况下,应将交流分量全部滤掉,使滤波电路的输出电压仅为直流电压。
然而,由于滤波电路为无源电路,所以接入负载后势必影响其滤波效果。
对于稳定性要求不高的电子电路,整流,滤波后的直流电压可以作为供电电源。
交流电压通过整流,滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压,但是电网电压波动或者负载变化时,其平均值也将随之变化。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响从而获得足够高的稳定性。
电源变压器的基本原理
变压电路相对简单,仅有一个单相变压器,变压器将市电转化为电路能承担的电压。
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流)。
变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。
变压器的基本原理是电磁感应原理。
变压器两组线圈圈数分别为和,为初级,为次级。
在初级线圈上加一交流电压,在次级线圈两端就会产生感应电动势。
当>时,其感应电动势要比初级所加的电压还要高,这种变压器称为升压变压器;当<时感应电动势要比初级所加的电压要低,这种变压器为降压变压器。
变压器的输出功率和输入功率的比值,叫做变压器的效率。
当变压器的输出功率等于输入功率时,效率η等于,变压器将不产生任何损耗,但实际上这种变压器是没有的,变压器传输电能时总要产生损耗。
变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系,通常功率越大,损耗与输出功率比就越小,效率也就越高。
反之,功率越小,效率也就越低。
整流电路的基本原理
整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件(如二极管、晶闸管等),将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。
但是,这种电压直流幅值变化很大,包含有很多的脉动交流成分,还不能作为直流电源使用。
对于高质量的稳压电源,其整流电路一般都选用桥式整流电路。
整流电路常见的有单相桥式整流电路,单相半波整流电路,和单相全波整流电路。
本次设计为桥式整流滤波电路,就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。
其电路图如下图所示:
图桥式整流电路及波形
单相桥式整流电路工作原理
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路,如图()所示。
在分析整流电路工作原理时,整流电路中的二极管是作为开关运用,具有单向导电性。
根据图()波形图的电路图可知:
当正半周时,二极管、导通,在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当负半周时,二极管、导通,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。
单相桥式整流电路的波形图见图()。
参数计算
根据图()可知,输出电压是单相脉动电压,通常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
…………….....……...
流过负载的平均电流为
.............................................................
流过二极管的平均电流为
...................................................
二极管所承受的最大反向电压
......................................................................
单相桥式整流电路的负载特性曲线
单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系
.......................................................................
该曲线如图所示,曲线的斜率代表了整流电路的内阻。
图单相桥式整流电路负载特性曲线
单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过,而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。
所以单相桥式整流电路的变压器效率较高,在同样功率容量条件下,体积可以小一些。
单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路,故广泛应用于直流电源之中。
滤波电路的基本原理
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻两端并联电容器,或与负载串联电感器,以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。
常用的结构如图所示。
图滤波电路常用结构
由于电抗元件在电路中有储能作用,并联的电容器在电源供给的电压升高时,能把部分能量存储起来,而当电源电压降低时,就把能量释放出来,使负载电压比较平滑,电容具有平波的作用;与负载串联的电感,当电源供给的电流增加(由电源电压增加引起)时,它把能量存储起来,而当电流减小时,又把能量释放出来,使负载电流比较平滑,即电感也有平波作用。
滤波电路的形式很多,为了掌握它的分析规律,把它分为电容输入式(电容器接在最前面,如图()、())和电感输入式(电感器接在最前面,如图())。
前一种滤波电路多用于小功率电源中,而后一种滤波电路多用于较大功率电源中(而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联)。
这次电路设计中采用型滤波电路。
下图为单相桥式整流、电容滤波电路。
在分析电容滤波电路时,要特别注意电容器两端电压对整流元件导电的影响,整流元件只有受正向电压作用时才导通,否则便截止。
图滤波电路图
负载未接入(开关断开)时的情况:
设电容器两端初始电压为零,接入交流电源后,当为正半周时,通过、向电容器充电;为负半周时,经、向电容器充电,充电时间常数为
...........................................................................
其中包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。
由于一般很小,电容器很快就充电到交流电压的最大值
,极性如图所示。
由于电容器无放电回路,故输出电压(即电容器两端的电压)保持在
,输出为一个恒定的直流,如图中<(即纵坐标左边)部分所示
图电容充放电图
接入负载(开关合上)的情况:
设变压器副边电压从开始上升(即正半周开始)时接入负载,由于电容器在负载未接入前充了电,故刚接入负载时<,二极管受反向电压作用而截止,电容器经放电,放电的时间常数为
..............................................................................
因一般较大,故电容两端的电压按指数规律慢慢下降,其输出电压,如图的段所示。
与此同时,交流电压按正弦规律上升。
当>时,二极管、受正向电压作用而导通,此时经二极管、一方面向负载提供电流,另一方面向电容器充电(接入负载时的充电时间常数()≈很小),将如图中的段,图中段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻上产生的压降。
随着交流电压升高到接近最大值
。
然后,又按正弦规律下降。
当<时,二极管受反向电压作用而截止,电容器又经放电,波形如图中的段。
电容器如此周而复始地进行充放电,负载上便得到如图所示的一个近似锯齿波的电压,使负载电压的波动大为减小。
总之,电容滤波电路简单,负载直流电压较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,故适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。
稳压电路的基本原理
滤波以后虽然纹波因数大大减小,但输出电压还不够稳定,主要是当负载电流或电网波动时,输出电压会随之发生变化,为此还需要加稳压措施。
稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)等发生变化时,使输出直流电压不受影响,而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成,采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。
电路元件选择
集成稳压器的分类与选择
集成稳压器的分类
集成稳压器的种类很多,按出线端子多少和使用情况大致可分为三端固定式、三端可调式、多端可调式及单片开关式等几种。
多端可调式是早期集成稳压器产品,其输出功率小,引出端多,使用不太方便。
三端固定式集成稳压器是将取样电阻、补偿电容、保护电路、大功率调整管等都集成在同一芯片上,使整个集成电路模块只有输入、输出和公共个引出端,使用非常方便,因此获得广泛应用。
缺点是输出电压固定,代表产品是和。
三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种输出电压,代表产品是和等。
开关式集成稳压电源是最近几年发展的一种稳压电源,其效率特别高。
它的工作原理与多端可调式和三端固定式都不同,是由直流变交流高频再变直流的变换器。
通常有脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种,输出电压是可调的。
集成稳压器的选择
由于多端可调式集成稳压器引出端多,使用不太方便,故不太适合当做实验室直流稳压电源。
由于开关式集成稳压电源是由直流变交流高频再变直流的变换器,设计与布局较为复杂,故也不太适合做实验室直流稳压电源。
由于三端固定式集成稳压器使用非常方便,缺点为输出电压固定,而考虑到实验室常用固定的±与±直流输出电压,则可以选择三端固定式集成稳压器。
由于三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种输出电压,则可以通过改变电阻值来获得不同的直流输出电压,以此满足实验室的可调直流电压的需求。
事实上,可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的,这种集成稳压器,在集成芯片的内部,输入电流几乎全部流到输出端,流到公共端的电流非常小,因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路,应用更为灵活。
正电源系列的基准电压为,可在之间连续可调。
其内部设有过流、过电压保护和调整管安全工作区保护电路,使用安全可靠,性能比三端固定式集成稳压器系列性能更加。
再通过查阅三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器相关芯片与资料,发现三端固定式集成稳压器、无法做到输出负电压,需外接反相器来实现输出负电压;而可以输出正电压,可以输出负电压。
综上所述,则总体考虑,使用、芯片即可同时实现±与±直流电压输出与可调直流电压输出。
故本文采用、进行模拟仿真。
选择芯片用以输出、,用以输出、以及可调电压。
由于稳压芯片中已经存在保护电路,故不再另设二极管保护电路。
电源变压器的选择
电源变压器选取了±变压器。
(上端、中端接地、下端)
集成整流桥及滤波电容的选择
由于√×≈,,额定工作电流,所以集成整流桥芯片选择。
因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布,易引起自激振荡,形成高频干扰。
所以稳压器的输入端并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波,抑制高频干扰。
固在稳压芯片前并入电容,在其后并入电容。
为了更好的消除纹波,在输出端前再并入电解电容。
依稳压电源的工作原理可知,如果变压器副边电压太大,则太大,两端电压大,功耗大,芯片温升高,容易损坏芯片且浪费电能。
反之,如果太小,则内部调整管管压降太小,不在放大区,失去调整作用。
这个值应使在最不利的条件下仍然能正常工作。
而且在能正常稳压的前提下,压降尽可能小,以减小功耗。
这里说的最不利条件是指交流电网电压最低和输出电流最大。
由资料可知,它的正常工作条件是->,输出电压时,>。
图充放电图
由于的充放电作用,波形如图所示。
是充电时间,是放电时间,通常
>>,≈
∴
.............................................................................................................
为了设计,应计算Δ
.....................................................................................................................................
其中是桥式整流电路中个二极管的压降(粗略计算)
...................................................................................................................
由上述,
.......................................................................................................................
考虑最不利条件:
取(电网向下波动),取则
……..
则取µ的电容足够。
稳压电路的设计
典型稳压应用电路
一般应用电路
图一般应用电路图
图为三端可调正输出集成稳压器的一般应用电路。
电路中和组成可调输出的电阻网络,为了能使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收,所以设定为Ω。
通过泄放的电流为。
输入电容用于抑制纹波电压。
输出用于消振,缓冲冲击性负载,保证电路工作稳定。
输出电压为
………………………………………………………………………………..
式中通常为µ。
固定低压输出电路
图固定低压输出电路图
图为不加可调输出电阻网络,得到固定低压输出的电路,温度漂移很低,只由内部基准电压源的温漂决定。
加外接保护电路
图加外接保护电路图
图加外接保护电路图,由于外接输出电容的存在,容易发生电容放电而损害稳压器。
若有外接保护二极管,电容放电时,导通钳位,使稳压器得到保护。
是为了防止调节端旁路电容放电时而损坏稳压器的保护二极管。
旁路电容也是为抑制纹波电压而设置的。
当为µ时,能提高纹波抑制比。
从零起调的实用稳压电源
图从零起调的实用稳压电源电路图
图为从零起调的实用稳压电源图。
该电路关键部分是、、获得负压,、与稳压滤波后由场效应管进行恒流来提高、正向导通的二次稳压性能,从而改善了低压段之间的稳压性能。
此端提供的的负基准电压,接于电位器。
新型多路稳压电路设计
考虑到需要在同一电路中能够输出±,±和一组可调正电压。
则可将多路目标分离成单个目标,即通过多路开关的通断来分别实现输出±、输出±、输出一组可调正电压。
输出固定电压±和±的电路基本模块可以参考图固定低压输出电路图,不采取图加外接保护电路图的原因是稳压芯片中已经存在保护电路,可不再另设二极管保护电路,用以简化电路。
输出一组可调正电压的电路基本模块可以参考图从零起调的实用稳压电源电路图,考虑到输出的一组可调正电压的电路图与输出固定电压的电路图需同时表示,则输出一组可调正电压的电路不应与输出固定电压电路有冲突,应当化繁为简,取电路的核心部分,同时又保证电路不会出错,故可舍弃二极管组,保证可以输出可调正电压即可。
电路图见图。
仿真结果与分析
电路原理图
图原理图
说明书
开关控制和。
开关、、并联分别为选择、、可调电压。
开关、并联分别为选择、。
为可调电阻,调节大小,可输出不同大小的直流电压,即为可调电压。
输出点即为芯片的输出端
电路每级波形图
图变压后波形图
通过变压电路后的交流电压波形。
图整流后波形图
通过整流电路后的整流波形。
图滤波后波形图
通过滤波电容后的滤波波形。
电路输出波形图
图输出波形图
开关闭合、闭合、断开、断开、断开、闭合,输出直流电压波形。
图输出波形图
开关闭合、闭合、断开、断开、断开、闭合,输出直流电压波形。
图输出波形图
开关闭合、断开、闭合、断开、断开、闭合,输出直流电压波形。
图输出波形图
开关断开、闭合、断开、闭合、断开、闭合,输出直流电压波形。
图输出波形图
开关断开、闭合、断开、断开、闭合、闭合,输出的可调直流电压波形。
仿真结果与误差分析
由直流电压表的示数可知:
可调输出端的输出电压最低为,最高为。
±输出端的输出电压分别为、。
±输出端的输出电压分别为、。
表仿真结果与误差表
输出要求
仿真结果
误差
可调电压
计算所使用的*()*≈()公式存在误差。
在误差允许范围内可以认为输出已经符合预先设计的要求。
参考文献
[]谭博学.集成电路原理及应用.北京:
电子工业出版社
[]何希
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 集成 直流 稳压电源 设计