原创 去年参加电子大赛时做的电源报告

 开关稳压电源（E题）
摘要：在此次设计中，由交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压18V，此电压通过滤波电路输入到集成稳压器输入端，在集成稳压器输出端可得到30V到36V直流电压。第一部分，使用了变压隔离器。变压隔离器实际上是一个由开关和高频变压电路组成的。第二部分，我们使用了整流滤波，整流电路用的是典型的桥式整流电路。在整流电路中，使得大小和方向随时变化的交流电变成方向不变的直流电。整流后的电源不能直接提供给下一级需要稳定电路，所以通过滤波电路，在此滤波电路中设计的是∏型滤波电路。从而阻碍了脉动直流中交流成分通过。第三部分，采用了升压型的DC/DC变换器。第四部分完成直流稳压电源输出的电压和电流测量和数字显示电路。
关键词：稳压直流、隔离器、桥式整流、升压、∏型滤波、数字显示。
  目录
第1部分 开关稳压电源电路设计
第2部分 理论参数计算
第3部分 系统调试和测试数据
第4部分 误差与结果分析
第5部分 结论
参考文献
附录1  电路原理图

第1部分 开关稳压电源电路的设计论证

1.1 系统整体方案的思路论证
题目要求设计一个开关稳压电源电路，实现能用DC/DC变换器实现变压的功能，能对输出电压、电流的测量和数字显示功能。设计分为四大模块：隔离电压、整流滤波、DC/DC变换器、输出电压/电流的测量和数字显示。隔离电压用了变压器隔离。用了四个1N5408二极管来整流和电解电容来滤波。DC/DC变换器来控制电路中的参数。最后完成显示输出电压、电流的测量和数字。开关稳压电源电路具有效率高、稳定范围宽、发热小、体积小、重量轻等优点。为了尽量的得到要求的标准，必须采用可行的措施。
1.2  方案论证和比较
DC/DC主回路拓扑：DC/DC变换器是直流电源和负载之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变和供电电压，实际上是作为1个电压调节器。由于采用电压而变成在时间上断续的脉冲输出.下图为DC/DC主回路拓扑结构图：

    设计任务中，要求：
 
 经过分析问题及初步的整体思考，拟定以下方案：
方案的实现：采用了主要有隔离电压器、整流滤波电路、DC/DC变换器电路、数字显示电路4部分组成。交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压18V。整流滤波电路中，我们使用了整流滤波，整流电路用的是典型的桥式整流电路。在整流电路中，使得大小和方向随时变化的交流电变成方向不变的直流电。整流后的电源不能直接提供给下一级需要稳定电路，所以通过滤波电路，在此滤波电路中设计的是∏型滤波电路。从而阻碍了脉动直流中交流成分通过。其中LM2577-ADJ是满足升压的集成稳压器，此电压通过滤波电路输入到集成稳压器输入端，在集成稳压器输出端可得到30V到36V直流电压，最大输出电流达到3A，R1接在LM2577-ADJ集成稳压器的输出端和调整端之间，其输出电压为Uo=1.23(1+R2/R1),改变电阻R2的阻值就能改变输出电压的大小。数码显示电路是采用了CC7107与LED数码管显示的数字一一对应。最后，还需要设计一个+5V的供电电源，供电给数码显示器。
1.3单元电路的方案论证和设计
设计分为四大模块：隔离电压、整流滤波、DC/DC变换器、输出电压/电流的测量和数字显示。
1.3.1下图为开关稳压电源电路的核心电路原理图一：
 
                                    图1.3.1
1．隔离电路
利用隔离变压器把220V~电源变为18V~电源，变换中从输入到输出能够通过信号的频率，能够提供保证选定的电流和电压的变比

2．整流滤波电路
整流滤波电路可分为整流部分和滤波部分。
整流部分的本质上就是设计能使电流只向一个方向流动。正弦交流电有正负两个对称的半周期，这两个半周期里，电流在电路中按相反的方向流动，也就是说在正半周期间电流如果向一个方向流动，那么负半周期间的电流将倒过来流动。要使整流后的电流只能想一个方向流动，那么让电流只在正半周或者只在负半周间流动，另外半个周期不让它流动。设计的整流电路为桥式整流电路中，变压器次级线圈和半波整流时一样，而使用的整流二极管比全波整流要多1倍，用到4个。这4个二极管构成电桥电路形式。
整流电路虽然解决电流的流动问题，但是在绝大多数情况下，这样的电路不能直接供电给下个电路。因为从交流电整流后未经任何处理的直流电，通过滤波后可以有效减小脉动的直流电中脉动成分的幅度，使得直流电的交流成分大大下降，使最后得到的直流电基本稳定，从而满足电子设备供电需要。

3．DC/DC变换器
在开关稳压电源电路中使用了LM2577-ADJ升压型开关稳压电路。它是输出电压可调的开关电压调整器，输出最大电压为60V。片内有耐压为65V，额定电流为3A的NPN开关晶体管。输入电压范围为3.5到40V。即输出电压高于输入电压,其基本工作原理是,由52kHz固定频率振荡器的输出通过逻辑电路等,来控制NPN开关晶体管的导通和截止,使外接电感线圈L中蓄积电流能量.开关晶体管VT导通时,电感线圈L中蓄积以Ui/L速率增加的电流能量;截止时,蓄积的能量以(Uo-Ui)/L速率经二极管V通过输出电容C4放电.输出电压Uo由电感线圈L中蓄积的能量确定,能量的多少通过调整电感线圈的峰值电流进行控制.分压电阻R2,RP0和R3把分得的输出电压馈送给片内误差放大器的反相输入端,误差放大器把此电压和内部1.23V基准电压之差进行放大,其输出与开关导通时流经电感线圈的电流值,即电流传感电阻与电流传感放大器检测的值通过比较器进行比较.比较器的输出控制开关晶体管VT,若电感线圈的电流值超过误差放大器的输出,晶体管VT截止,从而控制电感线圈的峰值电流.1脚外接的R1和C3用于调整电流控制反馈环响应的相位补偿量.出现过电流 温度过高的输入电压低的异常状况时,由其相应的检测电路禁止控制VT的逻辑电路输出。
1.3.2 输出电压、电流的测量和数字显示
CC7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。下图为开关稳压电源电路的核心电路原理图二：
：
 
                                图1.3.2
为了显示简化电路，显示模块使用单片A/D芯片CC7107，芯片会自动进行一系列的数值转换后，以BCD码在LED上显示出相应的电压值。开关的作用是为了开启整个电路，拨动开关时，可达到对电压和电流的切换。选择显示模式。当测量电流时，先通过电阻转换成相应的电压值进行测量。数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻。
第2部分 理论参数计算
电路图的理论计算：
对图1.3.1的主回路器件的选择与参数的计算
输出电压:30~60V,          最大输出电流Iomax:2A,
 1 对于整流滤波电路中的二极管的选用，它们所承受的反向电压就是变压器次级线圈两端的电压，即每一个截止的整流二极管上所承受的最大反向峰值电压均为：Udmax等于Ui的根号2倍。即：UDmax=∏/2 Uo.所以耐压值为50V， 最大平均整流电流为3A。由此可以选常用的整流二极管IN5408
2滤波电容的C1的选用
 滤波电容C1可由纹波电压△Vopp和稳压系数Sv来确定，由已知的Vo,Vi, △Vopp,Sv可确定电容选用为 的电解电容
3电感的选用，选用电感必须先计算开关占空比D，电感中蓄积的能量E·T和满负载时电感线圈的平均电流IINC.DC三个参数（0≤D≤0.9）。
D=（Vo+VD-Vi）(Vo+VD-0.6)=(36+0.6-25)(36+0.6-0.6)=0.2944…………其中VD为二极管正向压降，取值为0.6V。
E·T=D（Vi-0.6） /52=138.14V· s
IINC.DC=(1.05 Io)/(1-D)=3.00A根据E·T和IINC.DC值的交点可求得电感代码为H150,故电感L为H150
6 补偿网络R1,C3与输出电容C4的选用
R1,C3稳压器工作稳定的补偿网络，其数值主要由稳压器电压增益，
Iomax,L和C4定，R1,C3和C4值的计算如下：
 。
先求R1的最大值R1≤（750 Iomax  ）/ ≤(750 2  )/( )≤3.11K故R1可选用阻值为3K 的电阻
再求C4的最小值
C4≥｛Vi R1 ［Vi+(3.74   L)｝/［487800  ］≥1848.7
故Cout可取为2200
最后求C3的最小值C3≥(58.5   C4)/(  Vi)
≥(58.5   2200)/(  25)≥0.74
故可取 C3 为1   
5．输出电压的分压电阻R1、R2和RP0的阻值的选用
 R1、R2和RP0对输出电压获得的电压与LM2577的片内基准电压1.23V比较从而控置输出电压。根据（R1+RP0）/R2=（36/1.23）-1=28.78
故可选取R2为2K,R1为40K,可调电阻RP0为20K,且随着可变电阻值RP0的变化,输出电压V0也随着产生相应的变化
6.输入电容C2的选用
   为使稳压器稳定工作,供给稳压器的电源纹波必须很小,为此,在LM2577输入端接入ESR非常小的0.1 左右的电容C2使纹波电流经此地旁路入地
7,二极管D的选用
   二极管的耐压必须大于输出电压,额定电流必须大于Io应选用肖特基二极管或快速恢复二极管.在本设计中选用的是稳压二极管IN5822,耐压为40V,电流为3A
第3部分  系统调试与测试数据：
1.测试仪器:DY2101数字万用表
2.测试数据：
1) 调试时先接上变压输出的18V交流电用万用表200V直流电压档整流滤波电容器2200uF,把可变电阻RP0调到最小,此时测试得的输出电压为27.5V,而理论值由 (R1）/R2=40/2=（V0/1.23）-1=20可得为25.83V,故误差在允许范围之内。慢慢加大可变电阻的电阻值，此时随着阻值的加大，输出电压由27.5V慢慢上升至37.1V
 2) 将数字万用表拨到20A的直流档,可测得最大的输出电流为2.1A
3) 当把U2由15V变到21V时,由测试得的输出电压的变化可算得电压变化率为SU=1.9%
   4) 当输出电压为18V 时,IO从0变到2A时，可算得负载调整率SI=4.8%
   5) 当U2=18V,UO=36V,IO=2A可算得输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP=0.81V
   6) 当U2=18V,UO=36V,IO=2A可算得DC-DC变换器的效率 =80%
   7) 当电流过大时,LM2577将停止工作
3 系统调试：.系统总装完成后,数码管根据键盘输入值显示输出波形的各个参数,这些参数与实测数据相比较,存在固定误差.调整转换程序中的参数,固定误差基本消除,但存在非线性误差.根据实测数据,确定非线性校正数据.
第4部分 误差与结果分析：
4.1 误差分析
在设计过程中，综合分析可知测试电路中可能带来的误差因素有：
① 测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 测纹波电压时示波器造成的误差。
④ 虽然说是稳压电源，但也不是绝对的。
⑤ 稳压电源会有一定的温度系数。
4.2 结果分析
（1） 性能较好，能够实现要求的电压变化范围（30V到36V），向负载提供较稳定的直流电压。
（2） 此稳压电路由于采用了基准可调的电路结构，使得输出的直流稳压电压值的可调范围大大加宽。
（3） 所实现的直流稳压电源能够把交流纹波减少，减少到不影响负载正常工作。
（4） 测得电路结果中，电容的放电速度较慢。
第5部分 结论
通过这次课程设计，可以实现DCDC变换的功能，使我们受益颇多。既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。在此基础上学习了开关稳压电源电路设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。同时，也培养了我们认真严谨的工作作风。
参考文献：
(1) 程勇.《实用稳压电源DIY》.福建科学技术出版社.2004.
(2) 薛永毅等编.《新型电源电路应用实例》．电子工业出版社.2001
(3) 赵广林.《新型电源集成电路应用手册》.电子工业出版社.2006
(4) 赵文博. 《新型常用集成电路速查手册》.人民邮电出版社.2006