1、電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告 東華大學(xué)電子課程設(shè)計(jì)課題：12V-5V電源轉(zhuǎn)換器（開關(guān)電源） 目 錄1、 設(shè)計(jì)任務(wù)與需求32、 總體方案選擇4三、各模塊電路設(shè)計(jì)分解7四、電路總圖11五、所用元器件及購(gòu)買清單12六、組裝與調(diào)試12七、收獲體會(huì)和建議16 參考文獻(xiàn)17 附錄 A17 附錄 B18 20電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、 設(shè)計(jì)需求與任務(wù)1.1、設(shè)計(jì)背景：開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備、儀器及家電。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子

2、設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)電源又被稱為高效能節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量極低，一般電源效率可達(dá)80%左右。1.2、設(shè)計(jì)任務(wù)：12V-5V電源轉(zhuǎn)換器（開關(guān)電源）(1) 輸入直流電壓12V，輸出直流電壓5V(2)在額定負(fù)載下，輸出電壓跌落30mv(3)在額定負(fù)載下，輸出紋波50mv(4)在額定負(fù)載下，輸出尖峰電壓200mv(5)功率轉(zhuǎn)換效率大于70%(6)帶有過流保護(hù)(1A)二、總體方案選擇2.1、PFM與PWM調(diào)制方法：2.1.1、PWM 當(dāng)輸出直流電壓偏離額定值時(shí)，反饋控制電路在保證開關(guān)管頻率不變的情況下，自動(dòng)改變調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間，即改

3、變脈沖電壓的寬度，從而改變脈沖電壓的占空比，使直流輸出電壓的偏移量在允許的范圍內(nèi)。這種方案稱為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM型開關(guān)電源。其反饋電路是脈寬調(diào)制電路。2.1.2、PFM： 當(dāng)輸出直流電壓超過額定值時(shí)，反饋控制電路在保證調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間不變的情況下，自動(dòng)改變調(diào)整管的開關(guān)頻率（也就是改變脈沖電壓的頻率），從而改變電壓的占空比，使輸出直流電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，這種方案稱為脈沖頻率調(diào)整，簡(jiǎn)稱PFM型開關(guān)電源，其反饋電路為脈沖頻率調(diào)整電路。2.2、針對(duì)PFM主要有自激式與驅(qū)動(dòng)式兩種方案。2.2.1自激式 正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功

4、率輸出。下圖所示正激式變壓器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，其中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。 圖1-1原理：改變控制開關(guān)K的占空比D，只能改變輸出電壓的平均值Ua ，而輸出電壓的幅值Up不變。因此，正激式變壓器開關(guān)電源用于穩(wěn)壓電源，只能采用電壓平均值輸出方式。 圖1-1中，儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C，還有續(xù)流二極管D2，就是電壓平均值輸出濾波電壓。2.2.2、驅(qū)動(dòng)式 驅(qū)動(dòng)式開關(guān)電源，是指運(yùn)用振蕩電路高低電平實(shí)現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)通與否,如下所示圖中，開關(guān)A用振蕩電路的產(chǎn)生的脈沖高低電平控制。原

5、理：以12V直流電壓作為輸入，通過振蕩電路控制功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電感的充放電時(shí)間，改變輸出電壓的平均值，然后進(jìn)行LC濾波，對(duì)輸出電壓進(jìn)行電壓采樣和過流保護(hù)作為反饋控制信號(hào)，最后輸出5V的電壓。設(shè)周期為1，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間D（D<1），根據(jù)通過電桿上的平均電壓為0，則可以得到如下式子 ，從而實(shí)現(xiàn)降壓的電源轉(zhuǎn)換。 振蕩電路的控制方法有如下倆種常用接法，復(fù)位法和斬波法。復(fù)位法：斬波法：2.3、方案的可行性分析自激式變壓器一個(gè)最大的缺點(diǎn)，就是在開關(guān)關(guān)斷瞬間，由于電磁感應(yīng)，在初、次級(jí)線圈中都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大反電動(dòng)勢(shì)，容易擊穿開關(guān)元件，因此在設(shè)計(jì)中常常需要增加一個(gè)繞組以吸收反電動(dòng)勢(shì)的能量。如

6、N3。而驅(qū)動(dòng)式的串聯(lián)開關(guān)電源，相比之下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率也較高，所以選擇振蕩式進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，由于復(fù)位法反應(yīng)更為靈敏，而且效果較好，振蕩調(diào)制電路常采用復(fù)位法。三、各模塊電路設(shè)計(jì)分解 3.1、功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路圖中電源電壓為12V。在電源和接地點(diǎn)之間分別接上一個(gè)10-100uf的旁路電容，能夠?qū)㈦娫粗械脑胍暨^濾掉，減少信號(hào)源對(duì)這個(gè)電路波形的干擾（在該電路設(shè)計(jì)中可以忽略該影響）。圖中R3=100,R4=100-300,R14=1-5.1k，Q1為大功率管，選用TIP32型號(hào)，Q2為中功率管，型號(hào)為3DG12，Q1、Q2實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大，大功率管的驅(qū)動(dòng)通常需要較大的電流，通過中功率管Q2放大電流

7、驅(qū)動(dòng)大功率管。3.2、LC濾波電路：二極管:選用普通二極管，在開關(guān)電路關(guān)斷時(shí)，電感放電，二極管與電阻R0構(gòu)成蓄流回路。電感:由于電感是儲(chǔ)能元件，且電流不會(huì)突變，通過電感的充放電實(shí)現(xiàn)降壓型壓穩(wěn)壓電源，同時(shí)具有濾波以及平波作用。電容：和電感實(shí)現(xiàn)LC濾波，具有抑制紋波的作用。電阻：RL為負(fù)載電阻。3.3、電壓采樣與過流保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理：電壓調(diào)整，通過設(shè)定一定的基準(zhǔn)電壓，將從輸出端的采樣值分壓后的值與比較，當(dāng)>時(shí)，比較器的輸出高電平，三極管基極輸入高電平，三極管導(dǎo)通，集電極輸出低電平實(shí)現(xiàn)反饋控制，使電壓下降至5V;同理，當(dāng)<，比較器輸出及時(shí)的調(diào)整，并反饋控制充放電時(shí)間，使電壓上升至5V。過流檢

8、測(cè)，其實(shí)現(xiàn)原理與電壓調(diào)整實(shí)質(zhì)上一致，將采樣電流轉(zhuǎn)化為采樣電壓而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，這里不做敘述。相關(guān)參數(shù)計(jì)算及說(shuō)明：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值：由于輸出電壓要穩(wěn)定在5V，所以基準(zhǔn)電壓肯定不能超過5V，取基準(zhǔn)電壓為3V，因此穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為3V。比較器:比較器LM339(見附錄A)的正常使用時(shí)要接上拉電阻，常用的電阻值為5.1k-15k，可以選取5.1k作為使用。過流檢測(cè)電阻R10:由于最終額定負(fù)載電阻為5，為了減少R10對(duì)負(fù)載的影響，應(yīng)該使R10盡量比較小，取0.1-0.2。通過使一個(gè)10K電阻與一段銅絲并聯(lián)，可以大致做成0.2的小電阻，經(jīng)濟(jì)并且制作方法簡(jiǎn)單。3.4、振蕩電路3.4.1、555定時(shí)器接成多諧振

9、蕩器時(shí)占空比: 振蕩頻率為：3.4.2、由于開關(guān)電源為12V-5V電壓轉(zhuǎn)換，所以充電時(shí)間(驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通時(shí)間)至少應(yīng)該占每個(gè)周期的5/12.為了使設(shè)計(jì)留有一定的余量，我們?cè)O(shè)計(jì)占空比為80%，振蕩頻率設(shè)計(jì)為3-20KHZ，綜合以上我們?nèi)1=3K，R2=1K，C=14nf，此時(shí)占空比經(jīng)計(jì)算得K1=80%，頻率f1=20.4K。3.4.3、復(fù)位端上拉電阻，R4=4.7K。四、電路總圖4.1、電路框圖描述4.2、電路原理圖五、所用元器件及購(gòu)買清單本課程設(shè)計(jì)所涉及的清單如下器材名稱數(shù)量器材名稱數(shù)量可調(diào)雙通道直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源1臺(tái)1k與10k滑動(dòng)變阻器 各一只雙蹤示波器1臺(tái)大功率管TIP32 1只多功能萬(wàn)用表

10、1臺(tái)中功率管3DG12 1臺(tái)LM339比較器1片普通三極管 2只555集成芯片 1片電感2只二極管 1只面包板 1塊3V穩(wěn)壓管 1只1000uf電容 1只導(dǎo)線若干470uf電容 1只1uf電容1只0.01uf電容兩只100電阻2只銅導(dǎo)線(制作小電阻)1段固定電阻10k,5.1k，4.7k,3k,1k,200若干六、組裝與調(diào)試6.1、在實(shí)際設(shè)計(jì)中，最常見的問題是，在面包板上按照?qǐng)D紙連接好后，電源極性也沒有問題，但在示波器中出現(xiàn)理論應(yīng)出現(xiàn)的波形。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有很多。針對(duì)上述情況，在電路調(diào)試中，我對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行一一檢測(cè)，先檢測(cè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路，發(fā)現(xiàn)引腳連接都沒有問題，卻始終無(wú)法驅(qū)動(dòng)電路，我首先猜想

11、是自己的導(dǎo)線可能接觸不良，或者導(dǎo)線插入面包板過長(zhǎng)，對(duì)電路板的內(nèi)部產(chǎn)生短路問題，仔細(xì)檢查后也沒有問題，最后我猜想是面包板本身插孔可能有些故障，因此用萬(wàn)用表達(dá)到歐姆檔，對(duì)插孔進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本應(yīng)不導(dǎo)通的三列插孔之間的電阻為100左右(實(shí)際電阻應(yīng)為M級(jí))，改接其他插孔后，電路輸出很快就出現(xiàn)了5V左右的電壓。在現(xiàn)實(shí)連接調(diào)試過程中，要不斷對(duì)各部分功能電路模塊分塊進(jìn)行排查，確保各個(gè)部分的正常工作。6.2、在電路的輸出結(jié)果出現(xiàn)5V后，我進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)要求的其他參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)紋波很大，在老師的建議下，我將LC濾波電路中電容改為大電容1000uf，紋波得到很好地改善，而且波形更加趨于穩(wěn)定。6.3、紋波得到改善后

12、，我繼續(xù)調(diào)試尖峰電壓的參數(shù)。發(fā)現(xiàn)尖峰電壓接近1.2V，遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，楊老師的指導(dǎo)下，在LC濾波電路之前加上一個(gè)小電容(0.1uf)后，觀察波形，尖峰已經(jīng)變?yōu)橹暗囊话耄S后對(duì)電路做了進(jìn)一步的改進(jìn)，在555定時(shí)器的電源輸入端和LM339比較器的電源輸入端加了一個(gè)470uf的大電感，整體效果得到進(jìn)一步改善。6.4.1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：要求指標(biāo)實(shí)測(cè)指標(biāo)輸出電壓 5V5V電壓跌落 mv340mv紋波mv0.3v尖峰電壓mv600mv輸入電流0.47A轉(zhuǎn)換效率88.6%輸出電流A1A6.4.2、實(shí)驗(yàn)最終波形七、收獲體會(huì)和建議 模電綜合課程設(shè)計(jì)，較之以前的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)我們來(lái)說(shuō)具有更大的挑戰(zhàn)性。

13、它不僅需要我們把握理論數(shù)據(jù)與實(shí)際之間的差別，而且要考慮到各個(gè)模塊的綜合以后相互之間的影響，例如模塊的級(jí)聯(lián)后所帶來(lái)的負(fù)載變化、干擾信號(hào)。在實(shí)際動(dòng)手操作之前，我花了不少時(shí)間在Multisim軟件上分析元器件的參數(shù)，以得到正確的仿真電結(jié)果。以往的試驗(yàn)中，我們只需要照著原理圖連線，測(cè)數(shù)據(jù)等，但這次需要我們自己設(shè)計(jì)電路圖，該選擇多大的，電阻、電容，參數(shù)大了會(huì)產(chǎn)生什么影響，應(yīng)該在什么端口做改變，怎樣組合才是一個(gè)比較優(yōu)化的結(jié)果，都是需要自己不斷思考的問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，開始把整個(gè)電路圖連好后測(cè)試結(jié)果，一直沒有出現(xiàn)5V，在老師的建議下，我一個(gè)模塊一個(gè)模塊檢測(cè)結(jié)果，先把單個(gè)的模塊確保沒有問題，再看綜合效果，

14、發(fā)現(xiàn)很多細(xì)小的問題，錯(cuò)誤很快迎刃而解，這也讓我神社體會(huì)到模塊化設(shè)計(jì)，調(diào)試的重要性。整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程，讓我對(duì)之前學(xué)的模擬電子技術(shù)有了一個(gè)更加深刻更加形象具體的了解，通過理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐操作，又通過實(shí)踐操作來(lái)理解理論知識(shí)，讓我受益匪淺，進(jìn)步很大；但同時(shí)也深刻認(rèn)識(shí)到，自己無(wú)論是在理論知識(shí)還是實(shí)際操作仍然有待更大的提升。最后感謝老師孜孜不倦的指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)【1】電路（第五版）邱關(guān)源 主編 高等教育出版社【2】模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)華成英 童詩(shī)白 主編 清華大學(xué)電子學(xué)教研組【3】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 張申科 崔葛瑾 編著 電子工業(yè)出版社【4】電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）康華光 主編 高等教育出版社 附錄ALM3391、 LM339引腳圖以及典型應(yīng)用電路2、LM339作為基