一. 設計任務與設計的基本要求：
(1).直流穩(wěn)壓電源的任務：
利用所學的知識設計并制作交流變換為直流的穩(wěn)壓電源．
(2)直流穩(wěn)壓電源的基本要求：
A．穩(wěn)壓電源 在輸入電壓為220Ｖ．50HZ. 電壓變化范圍為+10%~-10%條件下：
a. 輸出電壓可調(diào)范圍為：+9V~+12V;
b. 最大輸出電流為:Imax＝1.5A;
c. 電壓調(diào)整率≤0.2%(輸入電壓220V變化范圍+10%~-10%下，滿載)；
d. 負載調(diào)整率≤2%(最低輸入電壓下，空載到滿載)；
e. 紋波電壓(峰-峰值) ≤5mV(最低輸入電壓下，滿載);
f. 效率≥40%(輸出電壓為+9V，輸入電壓為220V下，滿載);
g. 具有過流保護及短路保護功能;
B. 穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為直流+12V的條件下；
a. 輸出電流為：4~20mA可調(diào)；
b. 負載調(diào)整率≤2%(輸入電壓+12V，負載電阻由200Ω~300Ω變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率);
C. DC-DC變換器 在輸入電壓為+9V~+12V條件下：
a. 輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA;
b. 電壓調(diào)整率≤2%(輸入電壓變化范圍+9V~+12V)；
c. 負載調(diào)整率≤2%(輸入電壓+12V下，空載到滿載);
d. 紋波電壓(峰-峰值) ≤100mA(輸入電壓+9V下，滿載);
注：以下是本電路的發(fā)揮部分：
(1)擴充功能：
a. 排除短路故障后，自動恢復為正常狀態(tài)； b. 過熱保護；
c. 防止開, 關機時產(chǎn)生的＂過沖＂；
(2)提高穩(wěn)壓電源的技術指標；
a. 提高穩(wěn)壓調(diào)整率和負載調(diào)整率；
b. 擴大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值．
(3)改善DC-DC變換器的性能；
a. 提高效率(在100V, 100mA下測試);
b. 提高輸出電壓．
(4)用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流．
摘 要
本系統(tǒng)穩(wěn)壓電源部分采用電壓調(diào)整器uA723外加調(diào)整管2SC3280實現(xiàn)此功能，再通過單片機MCS-51(89C51)來起控制電路，實現(xiàn)了擴充多種功能．穩(wěn)流部分采用了三端穩(wěn)壓調(diào)整器LM317T實現(xiàn)．DC-DC變換器采用了兩片PFM控制芯片MAX770來實現(xiàn)，使輸出電壓提高到+100V，輸出電流最大可以達到100mA．電壓調(diào)整，負載調(diào)整率及紋波電壓均優(yōu)于指標要求．可以說本系統(tǒng)比其它同類產(chǎn)品要好的多．
二．方案論證與比較
１．穩(wěn)壓電源部分
方案一：簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源；
并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負載并聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動態(tài)特性好，電路簡單，并具有自動保護功能；負載短路時調(diào)整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小電流時調(diào)整管需承受很大的電流，損耗過大，因而不能采用此方案．
方案二：輸出可調(diào)的開關電源；
開關電源的功能元件工作在開關狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實現(xiàn)短路保護與過流保護，但是電路比較復雜，設計繁瑣，在低輸出電壓時開關頻率低，紋波大，穩(wěn)定度極差，因而也不能采用此方案．
方案三：由uA723組成的零伏起調(diào)電源；
uA723內(nèi)部設有高精度基準電壓源和高增益的放大器，外圍電路比較簡單，電壓穩(wěn)定度也比較高，其典型電壓調(diào)整率為0.01%，負載調(diào)整率為0.03%，且熱穩(wěn)定性好，輸出噪聲也很小，還內(nèi)設有過電流控制電路，使用安全可靠，具有較高的性價比，為首選方案，所以此方案為必選題．
２．穩(wěn)流電源部分
方案一: 采用7805三端穩(wěn)壓器電源;
固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成,它的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW78xx系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進一步的濾波,輸出端也要接電容可以改善負載的瞬間影響,此電路的穩(wěn)定性也比較好,只是采用的電容必須要漏電流要小的鉭電容,如果采用電解電容,則電容量要比其它的數(shù)值要增加10倍,但是它不可以調(diào)整輸出的直流電源;所以此方案不易采用.
方案二:采用LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源;
LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調(diào)的直流電壓. 不過它只能連續(xù)可調(diào)的正電壓,穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流,過熱保護電路;由一個電阻(R)和一個可變電位器(RP)組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路,輸出電壓為:Vo=1.25(1+RP/R).由此可見此穩(wěn)壓器的性能和穩(wěn)壓穩(wěn)定都比上一個三端穩(wěn)壓電源要好,所以此此方案可選,此電源就選用了LM317三端穩(wěn)壓電源,也就是方案二.
3.DC-DC變換部分;
方案一:用正弦信號(幾十赫茲以下)驅(qū)動硅鋼型互感耦合變壓器,經(jīng)整流濾波后輸出.由于硅鋼的磁滯特性,這種電源的開關頻率不算高,易出現(xiàn)磁飽和,因而不利于制作高效率的開關電源.
方案二:采用高頻磁芯和開關特性好的VMOS管的PFM或PWM型開關電源,負載調(diào)整特性好,效率高,性能優(yōu)良,但制作調(diào)試復雜,所以此方案也不于采納,
方案三:采用充電泵型變換器,該類電源以電容代替電感作貯能元件,為一個或多個電容供電.該類電源的最大特點是元件易得,體積小,電路比較簡單,無電感;但由于對充電泵的要求嚴格,不適合于工作在大負載條件下,因而在大多數(shù)電源中沒有被廣泛使用.
綜合考慮效率,輸出功率,輸入輸出電壓,負載調(diào)整率,紋波系數(shù),本設計選用方案二.考慮到PWM對磁性元件,開關元件特性的要求較低,因而較易實現(xiàn).對于效率和紋波的要求可以通過仔細調(diào)整磁性元件的參數(shù)(L,Q,M等)使其工作在最佳狀態(tài),所以我們在選擇方案的時候考慮到電路要簡單,元件要容易找,還有在電路設計的時候避免遇到某些不必要的問85題,所以我們選擇了上述的方案中的第二個方案;第二個方案就能夠達到我們的要求,的所以方案二我們采用了,利用開關特性和負載調(diào)整特性好及效率高,性能優(yōu)良,而采用了它.(方案二)
三.直流穩(wěn)壓電源電路的方框圖如下:
直流穩(wěn)壓電源方框圖
四.電路原理及各部的分離電路;
1.穩(wěn)壓電路部分;
采用精密電壓調(diào)整器uA723,外加大功率調(diào)整管以提供大電流輸出.uA723的特點如下:
①無外接調(diào)整管時最大輸出電流為:I=150mA;
②外接調(diào)整管時,輸出電流最大可達到12A以上;
③最大輸入電壓為:Vmax=40V;
④輸出電壓可調(diào)整范圍為: +9V~+12V;
具體的電路圖如下圖所示:
電源變壓器的效率如下所示:(小型變壓器)
副邊功率P2/vA | <10 | 10^30 | 30^80 | 80^200 |
效率 η | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.85 |
由uA723的特性可知:要使電路實現(xiàn)零伏起調(diào),uA723的7腳至少要獲得-2V的附加電壓,本方案不采用多抽頭的變壓器,該-2V電壓可通過由電容C1,C2和二極管D1,D2組成的倍壓電路獲得.其輸出電壓由電阻R1和齊納二極管Z1固定-5.6V
,使uA723中的差分放大器在輸出電壓為0時仍能工作,主要的正電壓通過整流橋和濾波電容C3從變壓器獲得.uA723的供電電壓由齊納二極管Z2固定在33V,以防止超過其極限電壓值(40V).由BG2,BG3組成的達林頓管將輸出電流提高到超過1A的范圍.
在12腳和3腳間加0.6V的電壓可調(diào)節(jié)極限電流值,該電壓是電阻R9和電位器VR3是壓降的總和,VR3的壓降是VR3的電阻值與晶體管三極管BG1的集電極電流值的乘積,極限電流值可以通過電位器VR3連續(xù)調(diào)節(jié).
輸出電壓由電位器VR2進行線性調(diào)節(jié),電位器VR1用于調(diào)節(jié)零輸出電壓.
本設計還通過單片來實現(xiàn)了短路過流保護,過熱保護,具體的電路圖如下:
過熱保護:溫度開關KT一端通過一個上拉電阻接正電源,另一端接地,當溫度過高時開關斷開,產(chǎn)生一個零電平跳變送給單片來進行處理.
過流檢測和短路保護原理:采用單片機MCS-51(89C51)對輸出電流進行周期性的檢測,可以方便地實現(xiàn)短路保護及短路故障排除后自恢復的所有功能.過流或短路時,檢測電路向單片P1口發(fā)出報警信號,單片證實后啟動它的保護電路,經(jīng)過短時間延時后繼續(xù)查詢P1口上的內(nèi)容,如無報警信號,則電路又恢復到正常狀態(tài).
過熱保護,發(fā)聲報警等功能也直接由單片機(89C51)來實現(xiàn)控制.
2.穩(wěn)流電源部分;
LM317是三端可調(diào)式正電壓調(diào)整器,正常工作時在其調(diào)整端與輸出端之間有一個高穩(wěn)定度的1.25V電壓,利用該電壓即可以獲得可調(diào)的電流輸出.實際中, LM317輸出端與電位器之間串接了一個10Ω/1W的電阻,使最大電流限制在125mA左右,以免發(fā)生過流現(xiàn)象.
具體的電路圖如下所示:
3.DC-DC變換部分;
DC-DC變換器的核心部件是兩片升壓開關調(diào)節(jié)器MAX770,MAX770結合了PFM低的吸取電流和PWM大功率應用下效率高的特點,能比以往的PWM器件提供更大的電流.
MAX770有以下的特點:
①開關頻率較高(300KHZ),減小了電感的尺寸;
②在較寬輸出電流范圍內(nèi)可以達到87%的效率;
③功耗比較低;
用MAX770制成的升壓器如下圖所示;由于MAX770對VMOS管的驅(qū)動能力有限,使用了一片MAX770很難實現(xiàn)本電路的性能指標,因此本電路采用了兩級MAX770.
五. 測試方法與調(diào)試過程;
1.穩(wěn)壓電源部分;
(1) 輸出電壓范圍測試 調(diào)節(jié)可調(diào)電位器,用數(shù)字型萬用表測出電阻兩端的輸出電壓,最小值為0.821V,最大值為:24.61V.
(2) 最大輸出電流測試 將輸出電壓調(diào)整至9V,輸出端接通可調(diào)電阻,串入數(shù)字萬用表,測得最大輸出電流為:2.06A.
(3) 電壓調(diào)整率測試 將調(diào)壓變壓器輸出端接穩(wěn)壓電源的輸入端,將穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)整至9V,調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器,使其輸出從176V升至到253V,用數(shù)字萬用表測量負載兩端的電壓,測得最大電壓變化量為:10mV,計算得電壓調(diào)整率為:(0.01/9)*100%=0.11%.
(4)負載調(diào)整率測試 空載時將輸出電壓調(diào)整至9V,在負載端接入300Ω/120W的變阻器,將變阻器從6Ω調(diào)整至100Ω,用數(shù)字萬用表監(jiān)視輸出電壓的變化,測得最大電壓變化量為:0.04V,因此負載調(diào)整率為:(0.04/9)*100%=0.44%.
(5)紋波電壓測試 將電壓輸出調(diào)整至9V,外接一個6Ω的電阻,將示波器置于AC/5mV輸入擋,測得負載上的紋波電壓為:1mV.
(6)效率測試 將電壓輸出調(diào)整至9V,外接一個6Ω的電阻,其輸出功率P0=81/6=13.5W.在負載不變的情況下,測出穩(wěn)壓電源的交流輸入電壓為:12V,交流電流為:2.05A.因此輸入功率Pi=12*2.05=24.7W(設功率因數(shù)為1),電源效率為(P0/Pi)*100%=(13.5/24.7)*100%=40%,達到上述所要求的指標.
(7)過流保護及短路保護功能測試 將電壓輸出調(diào)至為9V,外接一個6Ω的電阻,用萬用表測得輸出電流為:0.說明過流保護功能正常.再將輸出短路,現(xiàn)象如同上,說明短路保護功能一切正常.
(8)采用單片機(89C51)來實現(xiàn)保護,檢測 短路故障排除自恢復,過熱保護,防止關機時產(chǎn)生的”過沖”均測試通過;一切正常.
2.穩(wěn)流電源部分;
(1) 輸出電流測試 輸入電壓為+12V,改變外接電阻的大小,記錄最小電流值Imin與最大電流Imax.Imax=45.40mA, Imin=1.46mA.
(2) 負載調(diào)整率的測量 輸入電壓+12V,負載電阻由220Ω至300Ω之間變化,設定輸出電流20mA,每上升20Ω測輸出電流,數(shù)據(jù)如下所示:
電阻/Ω | 200 | 220 | 240 | 260 | 280 | 300 |
電流/mA | 19.71 | 19.72 | 19.70 | 19.70 | 19.70 | 19.70 |
負載調(diào)整率≈0.02/20.00=0.1%.
3. DC-DC變換器部分;
(1) 輸出電壓電流測試 輸入電壓由+9V至+12V變化,負載接3.6KΩ/10W電阻,測得輸出電壓為+100.11V,輸出電流為:30.7mA.
(2) 電壓調(diào)整率的測試 空載,輸入電壓由+9V至+12V變化,測得最大電壓變化為:0.1V.
(3) 負載調(diào)整率的測試 輸入電壓+12V,空載,測得輸出電壓 +100.1V;10KΩ/5W電阻,測得輸出電壓為: +100.0V.
(4) 紋波電壓測試 輸入電壓 +9V,接3.6KΩ/10W的電阻,示波置于交流AC/250mV擋,測得紋波電壓.Vpp≈80mV.
(5) 效率的測試 輸入電流為:5A,輸入電壓為:11.8V時,測得輸出電壓為100.08V(3.6KΩ的電阻,電流為:27.8mA),計算可得出: η=64.3%.
六. 電路的結果分析
1. 穩(wěn)壓電路部分;
(1) 輸出電壓的可調(diào)范圍 由于本電路中uA723的7腳接-2V,因此可以實現(xiàn)從零伏起調(diào),這也是本電路的特色之一,本電路實現(xiàn)了0^20V可調(diào),超過指標要求.
(2)最大輸出電流 它由uA723的3腳所接電阻R9決定,計算公式為:Imax=0.6/R9,由于本電路中R9為0.33Ω,因此Imax限制為2A左右.
(3)電壓和負載調(diào)整率及紋波電壓 優(yōu)于指標要求,這是由uA723優(yōu)良特性與方案設計思路決定的.
(4)效率的測試 輸出為9V,而輸入為17V左右,因此有一部分功率被調(diào)整管吸收,從而導致了效率并不是很高.
2. 穩(wěn)流電路部分;
(1) Rmin=10Ω, Rmax=1010Ω
I’min=1.25/1010≈1.24mA > Imin
受輸入電壓+12V與LM317內(nèi)部壓降約為1.7V的影響,可能的最大電流為: I’max=(12-1.7)/220≈46.82mA > Imax
Imin>I’min是由于LM317在小電流負載下穩(wěn)壓性能變差造成的.
Imax<I’max是由于LM317內(nèi)部的損耗而造成的.
(2) 負載調(diào)整率 LM317的典型負載調(diào)整率為:0.1%,本電源在工作時工作在小電流負載情況下,與理論值吻合.
3. DC-DC變換電路;
由于該變換部分輸入電壓為12V,輸出電壓為100V,升壓比較大,要保證電流輸出能力,多級并聯(lián)式開關升壓器是一種較好的選擇. 在保證第二級滿載輸出時,第一級至少應留有80%的裕量,且第一級電壓波動應不大于5%. 在實際電路中前級由于是升至次高壓,故要求開關管的Ron足夠小,Ids足夠大,Cis足夠小(否則將對驅(qū)動電路產(chǎn)生不利的影響);后級應對反向擊穿電壓有較高的要求,應不低于500V,取該級開關管耐壓值為:900V,以防止高壓毛刺擊穿.對磁芯的選擇決定了電源的功率容量,在實際中,高于200KHZ時采用鐵粉芯等帶空氣隙的磁芯可獲得良好的功率容量和磁滯特性,有利于大L值電感的充放電的完成,即提高Q值.在該模塊的測試中,可以看到在大DC變換比的指標下,采用了多級串聯(lián)主從式開關電源是一種較好的解決方案.
七. 此電路的誤差分析
綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有:
① 測得輸出電流時接觸點之間的微小電阻造成的誤差;
② 電流表內(nèi)阻串入回路造成的誤差;
③ 測得紋波電壓時示波器造成的誤差;
④ 示波器, 萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差;
可以通過以下的方法去改進此電路:
① 減小接觸點的微小電阻;
② 根據(jù)電流表的內(nèi)阻對測量結果可以進行修正;
③ 測得紋波時示波器采用手動同步;
④ 采用更高精確度的儀器去檢測;
八. 對此電路的綜合總結
通過本次設計,讓我們更進一步的了解到直流穩(wěn)壓電源的工作原理以及它的要求和性能指標.也讓我們認識到在此次設計電路中所存在的問題;而通過不斷的努力去解決這些問題.在解決設計問題的同時自己也在其中有所收獲.我們這次設計的這個直流穩(wěn)壓電源電路;采用了電壓調(diào)整管(uA723)外加調(diào)整管(2SC3280)來實現(xiàn)電壓的調(diào)整部分;還通過單片機(89C51)來實現(xiàn)電路的控制,也實現(xiàn)了擴充多功能;而穩(wěn)流部分采用了LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓電源管,通過LM317來實現(xiàn) 了電路中的穩(wěn)流部分,至于電路的最后一部分(DC-DC變換部分)我們是采用兩片升壓開關調(diào)節(jié)器(MAX770)來實現(xiàn)了電路中的DC-DC變換部分.本次設計在電壓調(diào)整器的電路中,采用了適當?shù)穆?lián)接方法,可以實現(xiàn)電壓”零”伏起調(diào);測試方法與過程也比較充分,同時也實現(xiàn)了電壓的可調(diào).同時我們四個人在設計此電路的時候也付出了不少,我們幾個分工完成了此電路,雖然電路不是很完善,我們已經(jīng)盡力的去把它給做好了;由于時間的關系此電路只有硬件,軟件沒有時間來完成.
(注:由于時間的原因本電路的軟件部分沒有在報告上體現(xiàn)出來).
九. 參考文獻資料:
◆何立民編著 . MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計--------系統(tǒng)配置與接口技術, 北京航空航天大學出版社, 1991.
◆王樹勛,潘承武,朱英杰編著. MCS—51單片微型計算機原理與開發(fā). 機械出版社,1990.
◆<<電子線路基礎>>,華東師范大學物理系萬嘉若,林康運等編著,高等教育出版社,1986年3月.
◆ <<電子技術基礎>>,華中工學院電子學教研室編,康華光主編,高等教育出版社,1982年6月.
◆<<電子線路設計>>,(第二版)華中科技大學謝自美主編,華中科技大學出版社,2000年5月.
66821730(技術支持)
