稳压电源设计报告大学生电子设计大赛.doc

全国大学生电子设计大赛稳压电源设计报告稳压电源摘要：本稳压电源，由变压器次级绕组接入，通过桥式整流和电容滤波，经过LM7812、LM7912稳压，形成典型的双电源稳压电路，输出±12V 100mA电流。桥式整流后的电压，经过LM2576降压后，输出+5V电压，给后一级的LDO稳压电路供电，AS1117在满载（800mA）时，压差仅1.2V。用+5V供电，可以保证其工作在线性状态，3.3V输出稳定。关键字：LM7812、LM7912、LM2576、AS1117Abstract: The regulated power supply, the transformer secondary windings access, through the bridge rectifier and capacitor filter, through the LM7812, LM7912 voltage regulator, the formation of double power supply circuit, the output current of the 100mA + 12V. After the bridge rectifier voltage, through the LM2576 step-down, output +5V voltage, LDO voltage regulator circuit power level to, AS1117 at full load (800mA), pressure difference is only 1.2V. With +5V power supply, can ensure that the work in the linear state, the 3.3V output stability.Keywords: LM7812、LM7912、LM2576、AS1117目录一、前言1二、方案论证与比较1方案一1方案二1方案三2方案四2三、单元模块的设计31、前级稳压电路的设计32、5V稳压电路的设计33、后级稳压电路的设计4四、系统调试：5五、系统功能与指示参数：6六、检测输出电压和电流：71、检测方法72、测试方案73、检测仪器84、测试结果与分析8七、设计总结8八、参考文献：10九、附：101、系统原理图:102、PCB图：10 一、前言本电源是专门为电子竞赛设计的，主要用于电子竞赛中设计的电子系统供电。考虑到竞赛中涉及的电子器件有运算放大器、嵌入式处理器及小功率的机电部件（不考虑电源控制类题目），为保证电子系统的稳定运行，各组电源均采用稳压电源。二、方案论证与比较方案一采用开关稳压电源，其调整管是断续地工作在导通和截止状态。与传统的线性串联型稳压电源，其调整管是连续地工作在线性放大状态；优点：电源效率高、体积小。缺点：电路复杂，技术难度高；只能对一组电源实现稳压；安全性差。方案二工频变压器稳压，电路设计简单，稳压效果安全可靠，这种方式不足之处成本比较高，变压器内部结构比较复杂，普及性不强，不符合我们日常的要求，它的工作流程如下图所示：滤波电路整流电路220V50HZ变压器ML7812+12V输出LM7912+5V输出LM7805-5V输出LM7905-12V输出方案三工频变压器降压，一组双交流输出，串联线性稳压。优点：电路简单，变压器结构简单。缺点：效率低，器件功耗大。由于LM7805功耗大，发热较快，需要增加散热装置，增加成本。整流电路LM7812滤波电路220V50HZ变压器+12V-12VLM7912+5VLM78053.3VAS117稳压方案四工频变压器降压，一组双交流输出，线性稳压与开关稳压相结合。LM7805+5V-12V+12VLM7912LM7812滤波电路整流电路220V50HZ变压器上一方案的主要缺点在+5V电压稳压电路。将该部分电路用开关稳压电路代替。开关稳压电路大大提高电源效率，减少发热。电路复杂程度略有提高，可靠性会大幅提高。因此，我们选择方案四。3.3VAS117稳压三、单元模块的设计1、前级稳压电路的设计变压器将220V的交流电，经次级绕组降压输出，给电路系统提供合适的电压。输出后的电压，经过二极管整流桥，利用二极管单向导通的特性，将将交流电转换成单向的直流电。经过电容滤波电路，滤除脉动直流中的交流成分，减少交流成分，增加直流成分。然后由LM7812和LM7912进行稳压，最后输出±12V 100mA电流。用Lm7812和LM7912系列三端稳压IC来组成稳压电源，所需的外围器件较少，电路内部有过流过热，调整管保护电路，使用起来可靠方便，而且价格便宜，该系列稳压集成IC型号中lm78/lm79后面的数字12，代表该三端稳压集成电路的输出电压为12V。2、5V稳压电路的设计整流滤波后的电压，由LM2576进行稳压输出，输出后的电压，给电感提供足够的能量储备，同时,肖特基二极管续流输出给电容,电容滤波完成后输出稳定可靠的电压。LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具 有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括 LM2576(最高输入电压40V)及LM2576HV(最高输入电压60V)二个系列。各系列产品均提供有3.3V(-3.3)、5V(-5.0)、 12V(-12)、15V(-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。LM2576内部构造如图所示：肖特基二极管，又称肖特基势垒二极管，是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,简称肖特基二极管。与普通二极管（多指用PN结形成的硅二极管）相比最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降更低，仅0.4V左右。它也有一些缺点：耐压比较低，漏电流较大。其多用作高频、低压、大电流整流二极管（比如开关电源次极整流二极管），续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。而普通二极管只能用在低频整流场合，耐压可以做得更高。3、后级稳压电路的设计 5V电压经过AS1117后，输出3.3 V的电压，为了保证电路的稳定性，接入100uF的电容，进一步提高波纹抑制比。我们选用AS1117是一个低漏极电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的。AS1117有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V和5.0V。片内过热切断电路提供过载和过热保护电路，防止环境温度造成过高的结温。压稳压器，内部集成过热电路和限流保护，确保电源的稳定性。AS1117内部原理如图所示：四、系统调试： 实际电路的的设计与制作一般要经过初始电路，单元电路的实验，电路的改进和最后的定型电路四个步骤。1制作整流部分要检查整流二极管是否接反向了，否则会导致在测试时发光二极管不发光、后面无输出等问题。2测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。特别是极性电容这类，极性连接不对容易发生爆炸，同时对电源的开关要熟悉，正确连接电源引脚，以防闭合开关时，发生短路，烧坏变压器。3按照原理图焊接时必须要保证可靠接地，接地线尽量粗一些更好，更安全接地。4焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。可调稳压电源要经试验，证明是稳定可靠的。整机装配完毕、电路与元件焊接无误后即可正常工作，本实验以±12v软件仿真为例，如下图。软件仿真图：五、系统功能与指示参数：1、本次实验项目是稳压电源的设计，从名字里就能够了解到电路的功能，主要功能是： 输出电压 ： 输出电流： ±12V 100mA 供运算放大器电路 +5V 500mA 供5V单片机及外围电路 +3.3V 100mA 供3.3V单片机而且我们为了方便检查电源意外中想不到的故障特意设定了电源输出电压检测点和电源电流输出检测点，提高了电源电路的可靠性及维护性。2、系统各参数指标的检测：变压器的选择 电压估算： 电压估算： +12V输出 2V以上调整管压降 电容滤波升压1.2倍 1V整流管压降 ±10%电压波动 取变压器副边电压双15V 变压器容量估算- 双12V电源：15 x 2 x 0.1 = 3W- +5V(+3.3V)电源：(5 x 0.6)/0.6 = 5W- 变压器效率取80% 变压器容量：S = (3+5)/0.8 = 10VA 变压器铁心截面积：SJ = （11.5）SQR（S）=3.164.7（cm2)3、LM2576内部电路： LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具 有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括 LM2576(最高输入电压40V)及LM2576HV(最高输入电压60V)二个系列。各系列产品均提供有3.3V(-3.3)、5V(-5.0)、 12V(-12)、15V(-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。六、检测输出电压和电流：1、检测方法直流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（周围与随机漂移）及温度系数。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，一般直流电源的纹波电压VP-P10mV。（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。（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2、测试方案（1）测量稳压系数。用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数SV.（2）用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。3、检测仪器所使用的测试仪器设备如表1所示。序号名称型号、规格数量1数字万用表DT9205A12示波器UNIT13交流毫伏表1表1 测试仪器设备4、测试结果与分析1测试并记录电路中各环节的输出波形。2测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。我们用数字万用表测量出它在电路中的测量值，并记录下来。测量数据如下:实际值3.3V5V12V-12V测量值3.2V4.8V11.7V-11.8误差分析：误差主要是由于电路中所接电阻或其他元器件有一定的阻值所导致的。七、设计总结本次实验从电路图的设计，到PCB的完成，元件的选购经历了一个漫长的过程。我和两位队友分别分工，共同完成了这项题目。首先，220V/50hz的交流电，经过一个双15v的变压器，经过开关进入到由四个二极管组成的整流电路，电压由交流变成直流，经过滤波电容，LM7812和LM7912再滤波输出±12V的电压。其次，要经过LM2576输出5V和3.3V的电压，如下图的应用。再次，我们为了检测方便，特意增加了电源输出电压和电流的测试点，方便对电路的检测，如下图是电流测试点：最后，成功完成电路的设计，板子的制作，以及电路的调试。这次实验，我们收获了不少的知识，无论从电路元器件的选择，还是到电路的最终测试，都能够发现并解决问题，比如：我们在绘制原理图时增加输出电压的引脚，就讨论了数次，认为只需三对输出插孔就足以测试所有输出电压。当老师讲的新的芯片时，我们就会在网上搜集有关资料，确定芯片的引脚功能和标准的封装，然后正确的绘制电路图。对于不确定的某一些元器件的封装如电容，巧妙的绘制封装如下：这样可以适应不同类型封装的电容。我们对元器件的认识不是很多，通过网络我们能够快速查找有关或相关的电子器件的资料，收获了不少的知识。特别注意的一点就是，在原理图绘制电路图时，若用网路标号连接的两个电路或器件，一定要把网络标号写一致，不然PCB会出错，在PCB中我们把贴片式的封装该若在底层就改成镜像输出，若在顶层就不需要改了。 再好的作品也有需要完善的地方，我个人认为我们的电路板子整体看起来不错，但测试点没有顺序，看起来很不协调，如果设计时，把测试点换到上下一排，各分等间距这样不但看起来美观，测试起来也很方便。还有就是电源线输入的引脚焊盘要稍大些，这样就容易接线，电源地线接尽量的粗。八、参考文献： 1裴云庆. 开关稳压电源的设计和应用. 机械工业出版社.2010-07. 2刘 博. 模拟电子技术. 人民邮电出版社.2013-01. 3王志强等. 开关电源设计第二版 . 电子工业出版社.2005-09. 4陈大钦. 电子技术基础实验. 华中理工大学电子学教研室.2007-10.九、附录： 1、系统原理图:2、PCB图：