貴州民族大學畢業論文作者：周瑩（計信學院08級電子信息專業學生）指導教師：黃喜PAGEIIPAGE2論文題目12V線性穩壓電源的設計學院(系)專業班級姓名學號指導教師12V線性穩壓電源的設計摘要：穩壓電源是能為負載提供穩定交流電源或直流電源的電子裝置，數字式穩壓電源與傳統穩壓電源電路相比，具有操作方便、電壓穩定度高的特點；詳細介紹穩壓電源發展史、穩壓電源分類、國內外研究現狀；論述穩壓電源穩壓原理、穩壓過程；分析比較幾種設計方案，選擇最佳的設計方案；闡述最佳設計方案的電路原理；用MULTISIM軟件進行仿真，適當優化完善電路設計；對設計成品的諸多問題進行論述和分析。關鍵詞：穩壓電源12V穩壓源里方案設計最佳選擇原理分析電路仿真12Vlinearvoltage-stabilizedsourcedesignAbstract:Thevoltage-stabilizedsourceiscanprovidethestablealternatingcurrentsupplyorthedirect-currentpowersupplyelectronicinstallationfortheload;Thedigitalvoltage-stabilizedsourceandthetraditionvoltage-stabilizedsourceelectriccircuitcompares,Hastheeaseofoperation,thevoltagestabilityhighcharacteristic;Detailedintroductionvoltage-stabilizedsourcehistory、Voltage-stabilizedsourceclassification、domesticandforeignresearchpresentsituation;Elaborationvoltage-stabilizedsourceconstantvoltageprinciple、constantvoltageprocess；Theanalysiscomparesseveralkindofdesignproposals、andchoosesthebestdesignproposal；Elaboratesthebestdesignproposalcircuitry；CarriesonthesimulationwiththeMULTISIMsoftware、suitableoptimizationperfectcircuitdesign;Todesignstheendproductmanyquestionstocarryontheelaborationandtheanalysis.Keywords：Voltage-stabilizedsource12VConstantvoltageprincipleProjectdesignBestchoicePrincipleanalysisElectriccircuitsimulation目錄前言：…………….第一章：緒論…………………….第二章：穩壓電源穩壓原理第三章：穩壓電源設計方案比較和選擇第四章：電路原理分析第五章：設計使用的方法第六章：設計成品分析致謝參考附錄前言隨著社會飛速前進，用電設備與日俱增。但電力輸配設施的老化和發展滯后，以及設計不良和供電不足等原因造成末端用戶電壓的過低，而線頭用戶則經常電壓偏高。對用電設備特別是對電壓要求嚴格的高新科技和精密設備，猶如沒有上保險。不穩定的電壓會給設備造成致命傷害或誤動作，影響生產，造成交貨期延誤、質量不穩定等多方面損失。同時加速設備的老化、影響使用壽命甚至燒毀配件，使業主面臨需要維修的困擾或短期內就要更新設備，浪費資源；嚴重者甚至發生安全事故，造成不可估量的損失。穩壓電源是能為負載提供穩定交流電源或直流電源的電子裝置。數字式穩壓電源與傳統穩壓電源電路相比，具有操作方便、電壓穩定度高的特點。目前，數字式直流穩壓電源是電子技術常用的設備之一，廣泛應用于我們生活、工作、科研、各個領域。本文主要是將穩壓電源理論與實踐相結合，設計基于實驗室環境下的穩壓電源。運用Protel仿真軟件對設計電路進行仿真，對PCB紙板和布線提供了極大的便利。本文共分為六個章節，第一章緒論，主要介紹穩壓電源的發展和分類。第二章穩壓電源穩壓原理，主要闡述穩壓電源的穩壓過程的原理。第三章，重點論述穩壓電源的多種設計方案，在比較分析幾種方案優劣條件下，選擇比較適合的設計方案。第四章闡述選擇的設計方案的電路原理。第五章，運用Protel仿真軟件對電路仿真。第六章對設計成品進行分析。，第一章：緒論1.1穩壓電源的發展歷史穩壓電源是能為負載提供穩定交流電源或直流電源的電子裝置，包括交流穩壓電源和直流穩壓電源兩大類。其發展史基于1955年美國的科學家羅那（G.H.Royer）成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉和機械振子示換流設備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態，所以由此而制成的穩壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備。由于那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉換的速度也不能太高。60年代，由于微電子技術的快速發展，高反壓的晶體管出現了，從此直流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地擴大了它的應用范圍，并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源。省掉了工頻變壓器，又使開關穩壓電源的體積和重量大為減小，開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。70年代以后，與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產出來，使無工頻變壓器開關穩壓電源得到了飛速的發展，并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使無工頻變壓器開關穩壓電源成為各種電源。隨著時代的變遷，科技日益更新進步，穩壓電源隨著科技的進步得到很好的發展。穩壓電源的發展經歷了以下過程：二十世紀五十年代的磁飽和穩壓器發展到六、七十年代的磁泄放式恒壓變壓器；八十年代中期運用了磁補償形式的第一代參數穩壓器到九十年代中期運用第二代參數穩壓器；二十世紀初誕生了第三代參數穩壓器。參數穩壓器是一種運用鐵磁等效參數振蕩與同步跟蹤補償原理來取得穩定的交流輸出電壓和良好的雙向抗干擾性能的電源裝置。其綜合性能穩定可靠，雙向抗干擾能力強，能有效地濾除電網及負載所產生的各種頻率的正負脈沖和浪涌電壓的沖擊，且有較強的抗雷擊能力，安全、可靠、穩定性高；穩壓范圍特別寬，特別適用于電壓大幅度波動的場合；具有較強的過載能力，具有自動保護特性，當負載短路或內部元件損壞時，輸出電壓自動降至0伏。絕不會出現過壓輸出，確保用戶設備安全運行；參數穩壓器是目前各種技術類型交流穩壓電源當中綜合技術性能最優，可靠性最高，使用維護成本最低的一種產品。最大的結構特點是不采用電子器材，環境適應能力及穩定可靠性能最高。1.2.穩壓電源的分類：穩壓電源的分類多種多樣，按穩定結果可分為直流穩壓電源和交流穩壓電源。按穩定實現的方式可分為參數穩壓器和反饋調整型穩壓器。按穩壓電路的連接方式，則可分為并聯型穩壓器和串聯型穩壓器。按電路中主要元件的工作狀態又可分為線性穩壓器和開關穩壓器。交流穩壓電源中又有磁飽和穩壓器、電子管穩壓器、交流凈化電源、全自動補償型穩壓器及參數穩壓器。為了提高穩壓電源的轉換效率，增強對電網的適應性，縮小體積和減輕重量，使開關電源應運而生。目前最常用的的穩壓電源是開關電源，開關穩壓電源具有很多優點。(1).效率高，通常可達到80～90%；

(2).功耗小。開關管工作在開關狀態，功率消耗小，不需要采用大散熱器。同時機內溫升較低，有利于提高整機的可靠性和穩定性；

(3).穩壓范圍寬(150～250V)，適用于電網電壓波動很大的地區；

(4).體積小重量輕，可省去笨重的電源變壓器；

(5).安全可靠。一般都具有自動保護電路。3.國內外研究現狀：當今電源技術融合了電氣、電子、系統集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發展而來的現代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發展前景，同時也給電源提出了更高的要求。穩壓電源跟隨時代的發展邁入數控電源時代。數控電源是從80年代才真正的發展起來的，期間系統的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數控電源技術有了長足的發展。但其產品存在數控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數控電源主要的發展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現為精確數控電源的發展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用，到90年代，己出現了數控精度達到0.05V的數控電源，功率密度達到每立方英寸50W的數控電源。從組成上，數控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關調節電壓，調節精度不高，而且經常跳變，使用麻煩數字化智能電源模塊是針對傳統智能電源模塊的不足提出的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節數，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。電源采用數字控制，具有以下明顯優點:1.易于采用先進的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。2.控制靈活，系統升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。3.控制系統的可靠性提高，易于標準化，可以針對不同的系統(或不同型號的產品)，采用統一的控制板，而只是對控制軟件做一些調整即可。4.系統維護方便，一旦出現故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進行調試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復，甚至控制參數的在線修改、調試;也可以通過MODEM遠程操作。5.系統的一致性好，成本低，生產制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產成本下降。6.易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯運行系統。為了得到高性能的并聯運行逆變電源系統，每個并聯運行的逆變電源單元模塊都采用全數字化控制，易于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現復雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實現高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯運行系統。隨著人們生活水平的不斷提高,數字化控制無疑是人們追求的目標之一,它所給人帶來的方便也是不可否定的,其中數控制直流穩壓電源就是一個很好的典型例子,但人們對它的要求也越來越高,要為現代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的設施就需要從數字電子技術入手，一切向數字化，智能化方向發展。第二章：穩壓電源的穩壓原理2.1穩壓電源穩壓的基本原理穩壓電源是能為負載提供穩定交流電源或直流電源的電子裝置，包括交流穩壓電源和直流穩壓電源兩大類，此研究的是線性直流穩壓電源，直流穩壓器的設計由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路這幾個模塊組成。圖2-1直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成，其原理框圖如圖2-1所示。電網供給的交流電壓（220V，50Hz）經電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓，再用濾波器濾去其交流分量，就可以得到比較平直的直流電壓。本設計主要通過變壓，整流，濾波，穩壓過程將220V、50mA交流電，變為穩定的12V、1mA直流電，并實現輸出電壓可預置在0V～＋12V之間的任意一個值連續可調。穩壓過程如下圖：圖2-2第三章：穩壓電源設計方案比較和選擇3.1比較并分析幾種設計方案的最佳選擇方案一：利用51系列單片機設計（1）采用51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以經過轉換器進行模數轉換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數據處理及顯示。采用軟件方法來解決數據的預置以及電流的步進控制，利用51系列單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達0.1V，并可由數碼管顯示實際輸出電壓值和電壓設定值。利用單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器輸出模擬量，再經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電電流的變化而輸出不同的電壓。(2)設計理論此直流穩壓電源共有六部分，輸出電壓的調節是通過“+”，“-”兩鍵操作，步進電壓精確到0.1V控制可逆計數器分別作加，減計數，可逆計數器的二進制數字輸出分兩路運行：一路用于驅動數字顯示電路，精確顯示當前輸出電壓值；另一路進入數模轉換電路（D/A轉換電路），數模轉換電路將數字量按比例，轉換成模擬電壓，然后經過射極跟隨器控制,調整輸出級，輸出穩定直流電壓。設計方框圖如下：圖3-1缺點：電路設計比較復雜，涉及程序語言設計，相對復雜。方案二：采用可調三端穩壓電源構成直流可調電源，可采用3-2圖所示圖3-2三端穩壓芯片LM317輸出電壓可以0V起調，輸出公式：Vout=1.25×(1+R2/R1)缺點：數字電位器誤差較大，控制精度不夠高，誤差電壓較大。同時更重要的是幾乎所有的數字電位器能夠容忍的電流都在20mA以下。方案三：晶體管串聯式直流穩壓電路。（1）根據穩壓電源穩壓基本原理，可以畫出下圖所示的原理方框圖圖3-3交流電壓經整流濾波后,得到平滑的直流電壓,作為穩壓電路的輸入電源。同時運用比較放大電路,它的核心是調整管,輸出電壓的穩定是管的壓降相應改變,然后再經過取樣電壓，比較反饋，使輸出電壓保持穩。（2）具體設計1.取樣電路:它是檢測輸出電壓Vo的變化,把Vo的全部或部分取出來和基準電壓比較并放大后來控制調整管的調整作用,使輸出電壓穩定。2.基準電壓電路:把Vo值與恒定的電壓值比較,此恒定電壓的作用是作為一種基準,也稱基準電壓。提供恒定電壓的電路就是基準電壓電路.3.比較放大電路:把取樣電壓和基準電壓相比較,用基準電壓減去取樣電壓,得到差值電壓的大小越大，輸出電壓Vo也就越穩定，電路的穩定系數和輸出電阻就越小。4.過載短路保護電路:串聯調整型的穩壓電源,調整管和負載是串聯的,當負載電流過大或短路時,大的負載電流或短路電流全部流過調整管,此時負載端的壓降小,幾乎全部整流電壓加在調整管的c極和e極之間,因此在過載或短路時,調整管Vce.Ie和允許功耗超過正常值,調整管在此情況下會很快燒壞,所以在過載或短路時應對調整管采取保護,保護電路設計時應保證當負載電流在額定值內,保護電路對電源不起作用,但過載或短路時,保護電路控制調整管使其截止,輸出電流為零,對負載和電源均起保護作用。由此設計出下圖所示的原理電路圖。圖3-44.1電路運作原理通過220V/15V變壓器，連接到穩壓電源電路，由整流橋IBQ40整流、C1和R8平滑濾波，輸出至電壓調整管Q1的集電極。這個電路具有不同于其他電源的特點。電源的基準電壓用一個固定增益的運算放大器U2跟一個可調電阻R6提供，它實現了電壓可以從零可調，D1選用穩壓值3.6V的穩壓管。接通電源后運放U2的輸出電壓增加到使D1導通，通過R5穩定在3.6V附近，因為R3等于R1，所以U1的放大倍數為2，其輸出電壓是6.6V。U2的放大倍數約為2倍，根據公式A=（R2+R3）/R2，5.4V的基準電壓大約能放大到超過12V，調節電位器R6可實現它的輸出電壓能從0~12V可調。電路另一個特征就是用三極管的射極輸出可以大幅增大輸出電流。4.2分析部分的電路原理。4.2.1變壓器圖4-1電網提供的交流電一般為220V，而各種電子設備所需要直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網電壓先經過電源變壓器，然后將變換以后的二次電壓再去整流，濾波，和穩壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。4.2.1整流電路此電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成。在穩壓部分采用單相橋式整流原理，電路原理圖和波形圖如下圖所示。圖4-1圖4-2利用四個二極管的單向導電性組成整流橋電路，將220V交流電壓變換為單方向脈動電壓。輸出電壓的直流成分提高，脈動成分降低。克服了單相整流電路輸出電壓脈動大，直流成分比較低；變壓器有半個周期不導電，利用率低；變壓器含有直流部分，容易飽和；只能用于輸出功率較小，負載要求不高的場合等缺點。4.2.2濾波電路在濾波部分，采用電容濾波的方式進行濾波，實現降低輸出電壓的脈動成分，盡量保留直流成分的功能。電路原理圖和波形圖如下圖所示。圖4-3圖4-4電容濾波有以下特點：1加入濾波電容后，輸出電壓的直流成分提高，脈動成分減小。2電容濾波放電時間常數（）越大，放電過程越慢，輸出直流電壓越高，紋波越小，效果越好。為了獲得較好的濾波效果，一般選擇電容值滿足～5)，此時，輸出電壓的平均值。3電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流的增大而減小，所以電容濾波適合于負載電流變化不大的場合。4.2.3穩壓電路在圖3-4中，采用串聯型穩壓電路，穩壓部分如下圖所示。圖4-5其中穩壓管的作用很重要，此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內或者在一定功率損耗范圍內，端電壓幾乎不變，表現出穩壓特性。壓管的伏安特性圖及動態電阻圖如下圖所示，4-64-7穩壓管的主要參數有以下幾項：1.穩定電壓UZ，UZ是穩壓管工作在反向擊穿區是的工作電壓。穩定電壓UZ是挑選穩壓管的主要依據之一。2.穩定電流IZ，IZ是使穩壓管正常工作時的參考電流。若工作電流低于IZ，則管子的穩壓性能變差；如工作電流高于IZ，只要不超過額定功率，穩壓管可以正常工作。而且一般來說，工作電流較大時穩壓性能較好。圖4-8使用穩壓管組成穩壓電路時，需要注意幾個問題。首先，應使外加電源的正極接管子的N區，電源的負極接P區，以保證穩壓管在反向擊穿區，如圖所示。其次,穩壓管應與負載電阻并聯,由于穩壓管兩端的電壓變化量很小,因而使輸出電壓比較穩定.第三,必須限制流過穩壓管的電流,使其不超過規定值，以免因過熱而燒毀管子。但IZ的值也不能太小，若小于臨界值IZmin，則穩壓管將失去穩壓作用。因此穩壓管電路中必須接入一個限流電阻R，它的作用就是調節穩壓管的電流IZ大小。第五章：研究使用的方法。5.1仿真軟件proteldej簡介Protel99SE是PROTEL公司近10年來致力于Windows平臺開發的最新結晶，能實現從電學概念設計到輸出物理生產數據，以及這之間的所有分析、驗證和設計數據管理。因而今天的PROTEL最新產品已不是單純的PCB設計工具，而是一個系統工具，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。PROTEL99SE共分5個模塊，分別是原理圖設計、PCB設計、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設計。Protel99SE設計印刷電路板的第一步就是設計電路原理圖，只有正確設計電路原理圖，生成相應的網絡表之后才能生成PCB文件。在設計時，多采用將系統分模塊設計，將各部分電路分別設計，得到各個模塊電路，再通過融合，實現整體電路的設計，還可以將所有模塊在一張比較大的圖紙上全部畫出來，但在同一張紙以模塊的形式分別設計電路圖這樣比較容易檢查錯誤，設計更為方便。原理圖的設計相對簡單，在設計完成后要先通過ERC檢測無誤后才生成網絡表。在設計好原理圖，通過ERC檢查，生成了網絡表之后的工作就是繪制PCB版圖了。在導入網絡表之前，要確定原理圖中的元件在PCB元件庫中都有，很多元件的封裝在PCB庫中都是沒有的，這就要求我們自己封裝所需元件。即使是PCB庫中存在的，也要根據實際的元器件的尺寸進行比對，若元器件是標準的則不用新建，如果不是標準的，那就要自己新建PCB封裝。網絡表成功導入PCB文件之后對器件進行布局，良好的布局降低了PCB布線的難度。布線的方式有兩種：自動布線及交互式布線，在自動布線之前，可以用交互式預先對要求比較高的線進行布線，輸入端和輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾。也可以先自動布線后再修改不滿意的連線。盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬。對數字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路，即構成一個地網。用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒被用上的地方與地相連接作為地線。隨著電子工業的飛速發展，電路設計越來越復雜，手工設計越來越難以適應形勢發展的需要。Protel99SE以其強大的功能、快捷實用的操作界面及良好的開放性，為設計者提供了現代電子設計手段，使設計者能快捷、準確地設計出滿意的電路原理圖和印刷電路板，是從事電路設計的一個良好的工具[4]。5.2.protel的特點（1）將原理圖編輯（SchematicEdit）、印制電路板（PCB）編輯、可編程邏輯器件PLD設計、自動布線（Route）、電路模擬仿真（Sim）、信號完整性分析等功能有機地連在一起是真正意義上的EDA軟件，智能化，自動化程度高。（2）支持由上到下或由下到上的層次電路設計，使protel99SE能夠完成大型、復雜的電路設計。（3）當原理圖中的元件來自仿真元件庫時，可以直接對電原理圖中的電路進行仿真測試。（4）提供ERC（電氣規則檢查）和DRC（設計規則檢查），能最大限度地減少設計錯誤。（5）庫元件的管理、編輯功能完善，操作非常方便。通過基本的作圖工具，即可完成原理圖用元件電氣圖形符號以及PCB元件封裝圖的編輯、創建。（6）全面兼容TANGO及PortelforDOS,即在protel99SE中可以使用、編輯TANGO或低版本Protel建立的文件，并提供了與OrCAD格式文件轉換功能。（7）Schematic和PCB之間具有動態連接功能，保證了原理圖與印制板的一致性，以便相互檢查、校驗。（8）具有連續操作的功能，可以快速地放置同類型元件、連線。由于Protel具有這些特點，運用Protel能方便的對電路進行仿真，對PCB制版和布線提供極大便利。5.3電路原理圖的仿真根據電路圖3-4畫出如下的仿真圖。圖5-