畢業(yè)設計（論文）可調直流穩(wěn)壓電源電路的設計

1、 延延 邊邊 大大 學學 二二一二年一二年 二月二月 學校代碼：學校代碼： 1018410184 學學 號：號： 20840200552084020055 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 題題 目目： 可調直流穩(wěn)壓電源電路的設計可調直流穩(wěn)壓電源電路的設計 學學生生姓姓名名 ： 學學 院院 ： 工工 學學 院院 專專 業(yè)業(yè)： 電電 子子 信信 息息 工工 程程 班班 級級： 2 2 0 0 0 0 8 8 級級 指指導導教教師師 ： 摘 要 20 世紀 70 年代開始，出現(xiàn)了世界范圍的能源危機，交流電機變頻調速因具有 節(jié)能效果顯著的特點而得到迅速發(fā)展。電力電子電路的發(fā)展經歷了整流器時代、逆

2、變器時代和變頻器時代幾個發(fā)展階段。同樣電源的發(fā)展也經歷了這三個時代的變化。 不論是在生活上，工業(yè)上，以及軍事上都需要能源（電源） ，不同的工作要求需要不 同種類的電源。電源的不同種類推廣從而給人類的工作、生活帶來了一定程度上的 便利。早期的電源多是線性穩(wěn)壓電源，內部功耗大、轉換率低、體積大、重量重、 輸入電壓動態(tài)范圍小，線性調整率低（不能設計 100-250v）使得電源的使用范圍受 到一定的限制。本文設計的穩(wěn)壓電源以體積小、可調控范圍廣、效率高、應用范圍 廣的目的而設計的。 本設計系統(tǒng)采用 pwm 發(fā)生器及驅動器為核心，設計附有儲能、濾波、分時導通 的可調直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，具有結構簡單，成本低

3、，精度高等優(yōu)點，很大程度上滿 足了穩(wěn)壓電源的應用需求。 關鍵詞：pwm 發(fā)生器；變壓器；三極管；死區(qū)時間； abstract the 1970s, there was the world energy crisis, ac motor with variable frequency speed regulation for energy saving effective remarkable characteristics and rapid development. the development of the power electronic circuits experiences th

4、e rectifier era, inverter frequency converter several times and times development stage. the same development also experienced the three times of changes. whether in life, industry, or military that needs energy (power), different work required different kinds of power supply. the power of the diffe

5、rent types of work is to promote human life with a degree of convenience. early power is linear regulated power supply, which is internal power, low conversion efficiency, big volume, heavy weight, and the input voltage of dynamic range small. the adjust rate of linear is low (cant design 100-250 v)

6、 which makes the power of the scope of application limits. in this paper, the design of regulated power supply is small, which can control range, high efficiency, wide range application of the purpose of the design. this design system adopts pwm generator and drives as the core, design with energy s

7、torage, filtering, time-sharing guide through the adjustable dc power supply system, the structure is simple, low cost, high precision of advantages, which is a great of extent, and meets the application requirements of voltage stabilizer. keywords: pwm generator; transformer; transistor; dead time

8、目 錄 摘 要 .i abstract.ii 引 言.1 第一章 緒論.2 1.1 課題背景.2 1.2 國內外研究現(xiàn)狀.2 1.3 研究目的及意義.3 1.4 主要研究內容.3 第二章 系統(tǒng)硬件設計.4 2.1 系統(tǒng)構成.4 2.2 控制部分.4 2.2.1 比較器.4 2.2.2 集成電路 ne555.6 2.2.3 pmw 波發(fā)生器.6 2.3 開關管部分.6 2.4 變壓器部分.7 2.5 濾波部分.8 第三章 實際電路設計.10 3.1 半橋式開關電源.10 3.2 全橋式它激型開關穩(wěn)壓電源.11 結 論.12 參考文獻.13 謝 辭.14 引 言 電子電路要正常工作，電源必不可少，

9、并且電源性能對電路、電子儀器和電子 設備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶有感性負載的電路和設備(如電機)中， 對電源的性能要求更高。實際上就是要求設計一個具有足夠調壓范圍和帶負載能力 的可調直流穩(wěn)壓電源電路。該電路的設計關鍵在于穩(wěn)壓電路的設計，其要求是輸出 電壓連續(xù)可調；所選器件和電路必須達到在較寬范圍內輸出電壓可調；輸出電壓應 能夠適應所帶負載的啟動性能。此外，電路還必須簡單可靠，能夠輸出足夠大的電 流。 第一章 緒論 1.1 課題背景 隨著電子技術的高速發(fā)展，電子設備的應用越來越廣泛，種類也越來越多，與 人們工作、生活的關系日益密切1。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電 源的

10、要求也越來越高。直流電源應用非常廣泛，小至家用電器的供電電源，大至大 型發(fā)電廠、水電廠、超高壓變電站、無人值守變電站作為控制信號、保護、自動操 作、事故照明、直流油泵，各種直流操作機構的分合閘，二次回路的儀表，自動化 裝置的控制交流不停電電源等用電裝置的直流供電電源2。與此同時直流電源的好 壞直接影響著電氣設備或控制系統(tǒng)的工作性能。目前，市場上各種直流電源的基本 環(huán)節(jié)大致相同，都包括交流電源、交流變壓器( 有時可以不用)、整流電路、濾波穩(wěn) 壓電路等。但由于調節(jié)性能差、過電壓水平高、線路損耗大等原因給人們生活帶來 了多多少少的不便。體積小、重量輕、效率高是穩(wěn)壓電源的總體發(fā)展方向3。 1.2 國內

11、外研究現(xiàn)狀 目前直流電源在商業(yè)貿易中的使用已經相當普遍,但是也存在較大的局限性：內 部功耗大、轉換率低（一般 45） （須加大的散熱器） ；體積大、重量重，不便于微 型化和小型化（因為使用工頻降壓變壓器） ；必須有較大容量的輸入和輸出濾波電容 （因為對工頻進行濾波） ；輸入電壓動態(tài)范圍小，線性調整率低（不能設計 100- 250v） ；只能用于降壓輸出電壓不能高于輸入電壓。電源的發(fā)展經歷了整流器時代、 逆變器時代和變頻器時代幾個發(fā)展階段4。20 世紀 70 年代開始，出現(xiàn)了世界范圍 的能源危機，交流電機變頻調速因具有節(jié)能效果顯著的特點而得到迅速發(fā)展。變頻 調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?010

12、0hz 的交流電。在 7080 年代，隨著變頻調 速裝置的普及，大功率逆變用晶閘管、大功率晶體管（gtr）和門極關斷晶閘管 （gto）成為當時的主角，類似的應用還包括高壓直流輸電、靜止式無功率動態(tài)補償 等。但變頻裝置的工作頻率還較低，主要局限在中低頻范圍內5。20 世紀 80 年代 開始，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電源的發(fā)展奠定了 基礎。將集成電路的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現(xiàn)了一批全新的 全控型功率器件。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使 其性能更加完善可靠，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型化和輕量化，實現(xiàn)機 電一體化和智能化提供

13、了重要的技術基礎。 傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源體積大不易攜帶，效率低等缺點使其被列入取消的行列。 各種電子裝置都需要不同電壓等級的直流電源供電，近年來高頻開關電源內部功率 損耗小，轉換效率高，體積小，重量輕，穩(wěn)壓范圍寬，線性調整率高，濾波效率大 為提高，電路形式多樣，選擇余地大已經取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源在6。在家用 電器中，各種節(jié)能燈的鎮(zhèn)流器、電視機、變頻空調、變頻冰箱等，都采用了直流電 源供電7。 隨著現(xiàn)代控制理論、微電子技術、計算機技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代直流電源裝置 正在向大范圍可調、大容量、高頻化、易驅動、高功率和智能控制方向發(fā)展。使得 電子產品的更新速度達到了日新月異的地步，從而使新型可調直流

14、穩(wěn)壓電源電路的 開發(fā)成為趨勢8。 1.3 研究目的及意義 掌控制電路，驅動電路和保護電路的工作原理及應用，了解穩(wěn)壓電源中擊穿， 整流和濾波的防止和應用，有關變壓器的加工工藝及絕緣處理。通過設計、安裝、 調試等環(huán)節(jié)，提高學生的動手能力，分析問題和解決問題的能力。通過設計這種測 量范圍寬、體積小、應用范圍廣、易于操作便于攜帶的直流電源，克服現(xiàn)有電源在 使用上存在的如結構復雜、成本過高、功率低等一系列問題。 1.4 主要研究內容 本設計系統(tǒng)以功率管為核心，設計一個全橋式它激型開關穩(wěn)壓電源電路，使其 符合測量精度高、體積小等優(yōu)點的可調直流穩(wěn)壓電源電路。主要過程是兩個三極管 分時輪流導通，傳送能量使變壓

15、器變壓，電流通過二極管和電感 l 給電容 c 充電同 時對負載 rl供電。通過導通周期的互補，電容的充放電發(fā)生變化，這樣就會使輸出 電源電壓的范圍發(fā)生變化。 第二章 系統(tǒng)硬件設計 2.1 系統(tǒng)構成 本系統(tǒng)以 pmw 波及驅動器為核心，與開關管放大器、變壓器、二極管、電感和 電容共同組成了全橋式它激型開關穩(wěn)壓電源電路的系統(tǒng)。 pwm 發(fā)生器 驅 動 器 開 關 管 變 壓 器 整 流 濾 波 檢 測 反 饋 退磁線圈 圖 2.1 可調直流穩(wěn)壓電源電路系統(tǒng)結構圖 如圖 2.1 可調直流穩(wěn)壓電源電路系統(tǒng)結構圖所示，由 pmw 波及驅動器分時導通， 經過誤差放大作用、變壓器變壓作用、儲能元件電感和電容

16、充放電作用，從而使輸 出電壓可變。 2.2 控制部分 本系統(tǒng)的控制部分由 pmw 波及驅動器構成，輸出的信號是三極管分時輪流導通， 用比較器或者 ne555 組成的 pwm 波發(fā)生器都可為占空比可調的電路發(fā)生器。 2.2.1 比較器 (1)一般比較器 一般比較器只有一個比較點，滿足當運放電路的同相端大于反相端，即參考電 壓值大于輸入電壓值時 ,輸出電壓約為ucc； 當運放電路的同相端小于反相端，即 參考電壓值小于輸入電壓值時, 輸出電壓約為-ucc。 (2) 施密特比較器 施密特比較器具有兩個比較點，且比較后自動改變下一個比較點電壓輸出高電 平時：輸出電壓約為ucc；輸出高電平時：輸出電壓約為

17、- ucc ；雙電源時，設 |+ucc|=|-ucc|= 10v uh ，r1= r2 = 1k 時，urefh=5v, urefh=-5v。 + _ uref r1 r2 uo ui +5v t t -5v ui uo uref t +5v -5v +ucc -ucc +ucc -ucc 圖 2.2 施密特比較器及輸出電壓波形 單電源構成：假設 uc=10v，r1= r2 ,uz=5v 時, urefh=2.5+5=7.5v , urefl=2.5v。 （3）矩形波、三角波發(fā)生器（雙電源） t t t uc urefh urefl t1t2 uref uo +ucc -ucc + _ r c

18、 r2 r1 uref uo uc +ucc -ucc 圖 2.3 矩形波、三角波發(fā)生器及輸出電壓波形 工作過程分析為上電后 uc=0,設為輸出高電平,uo=uh ,通過 r 對 c 充電； 當 uc urefh時，輸出低電平,uo = ul，c 的電壓通過 r 放電；當 uc urefl時， uo = uh,重新開始充電。這時周期為: t = t1 + t2 ,由于 t1 = t2 ,可利用一 階電路的全響應公式, us 為電源，u0 為初始電壓 ，其與電源電壓+ucc和- ucc 無關 - 頻率穩(wěn)定。 （4）可調節(jié)占空比 d 的電路 占空比定義為導通時間和工作周期的比值, 因此 ton=d

19、t, toff=(1-d) t。 （5）鋸齒波發(fā)生器 rf20 時，放電時間短，形成鋸齒波。 （6）正弦波發(fā)生器 可用專用的發(fā)生器集成電路產生；單片機和 da 結合產生；可利用方 波、三角波、梯形波產生。原理為在方波或三角波中濾除高頻部分濾波器 個數(shù)越多，效果越好。 2.2.2 集成電路 ne555 集成電路 ne555 工作原理（timer，定時器） ，內部具有三個 r，對電源 電壓進行分壓，當，rs 觸發(fā)器置位，輸出 u3 為高電平，三極管截止；當 rs 觸發(fā)器清零，輸出 u3 為低電平，三極管飽和；u4 為低電平時，清零，輸出 u3 為低電平設計舉例。 2.2.3 pmw 波發(fā)生器 pw

20、m（pulse width modulation）占空比可變的脈沖波-頻率可變、可不 變。因此改變 d 可以改變輸出電壓 uo 。發(fā)生器的形成為利用鋸齒波、三角 波產生 pwm 波形原理 ；用比較器組成 pwm 型開關電源；用 ne555 組成 pwm 型開關電源。 當 uc uh時，輸出低電平，一直到當 uc ul時，u3 = 0v，q 截止， l 的電壓極性反相，l 中的能量經 d 傳送到 c 和 rl，同時電容 ct中的電壓經 rb放電；當 uc ul時，輸出高電平 ucc； 2.3 開關管部分 （1）三級管分為 npn 和 pnp 兩種，工作時 be 結正偏，bc 結反偏。 三級管的復

21、合應用（達林頓管） ，一個三級管較小，控制能力較差，為了提高 的大小，采用復合管。npn 和 pnp 三極管共有四種組合，同型管復合，, 21 異型管復合， ，型號取決于前面的管。三級管的特性為電流控制器件， 21 輸入阻抗較小，輸入需要輸入一定的電流，才有輸出電流,因此需要較大的驅動功率， 飽和時 uces20khz 以上時，f 越高 渦流越大趨膚效應越明顯。 穿透深度，銅線時，20，k=1， ，f=1khz 時，h=2.1mm； f=10 khz 時， h=0.66mm10。通常頻率 f 越高，穿透深度越小，趨膚效應越嚴重；導線選擇h 原則為產生趨膚效應時，電流只流在表面的淺層部分，內部幾

22、乎無電流,可用小直徑 的導線多股并繞或采用扁銅帶導線繞制，從而增大導線的表面面積。 2.5 濾波部分 （1）續(xù)流二極管 d 的選擇 d 的正向額定電流大于等于開關管的集電極電流或負載 r 上的電流;d 的反向耐 壓值大于 ui；為了減小開關引起的輸出波紋電壓和提高效率，二極管 d 應選用導通 速度快、反向恢復速度快的二極管;普通二極管開關速度慢，正向壓降較大 0.51v，通常用在工頻電流的整流 in4000 系列， in4001（100v/1a） 、in4005、in4007；快恢復二極管開關速度很快，可減少開和關時產生的損耗， 但正向壓降較大 0.51v，fr107（700v/1a） 、fr

23、207（700v/2a） 、fr307 fr507；超 快恢復二極管開關速度比快恢復二極管更快，正向壓降較大 0.51vher107（700v/1a） 、her207、her307；肖特基二極管開關速度最快，正向 壓降小 0.20.5v，可提高效率，價格較貴 sr160（60v/1a） 、 sr260、sr360、sr560sr1100（100v/1a） 、sr2100、sr510011。 （2）輸出濾波電容 c 的選擇 c 過小，濾波作用減少，當紋波電壓大時，過大則浪費且體積大。 第三章 實際電路設計 本設計中的可調穩(wěn)壓電源電路的設計主要是橋式開關電源的設計，橋式開關電 源包括半橋式開關電源

24、和全橋式開關電源，全橋式開關電源輸出電壓的范圍比半橋 式開關電源高一倍。 3.1 半橋式開關電源 c c1 1 pwm 及驅 動器 a t c c l b d ui n1 rluo r1 q1 q2 r2 d1 o1 o2 d2 n3 n4 e c c2 2 圖 3.1 半橋式開關電源 電路的特點為兩管輪流工作，因此輸出功率大；電容 c1=c2，因此變壓器在雙 極性狀態(tài)工作，磁芯利用率高；電容 c1=c2，因此功率變壓器初級的電壓為 ui/2,電 壓利用率低，不利于提高輸出功率（缺點）12。 工作原理為 q1 和 q2 分時輪流通，傳送能量，用于大功率場合。q1工作過程： 當 o1高電平、o2

25、 低電平時 q1通、q2不導通 n1 繞組上負，下正（電壓為 ui/2） n4 的電壓上正下負 d2 不導通，n3 的電壓上正下負 d1 導通電流通過 d1 和電感 l 給 c 充電同時對 rl供電；q2工作過程：當 o2高電平、o1低電平時 q2通、q1不導通 n1 繞組上正下負（電壓為 ui/2） n3 的電壓上負，下正 d1 不導通，n4 的電壓 上負，下正 d2 導通電流通過 d2 和電感 l 給 c 充電同時對 rl供電。 共態(tài)導通問題，在兩個開關管輪流導通工作的開關電源中，應絕對避免兩個開 關管同時導通的情況，同時導通稱為共態(tài)導通。由于開關管存在 off 延遲時間，因 此輸出 o1

26、和 o2之間應有最小的低電平時間，確保完全斷開，最小死區(qū)時間（dead time） 。 輸出電壓一般 n3 = n4，而且初級線圈上的電壓為 ui/2。 3.2 全橋式它激型開關穩(wěn)壓電源 pwm及驅 動器 ab ui n1 q1 q2 d1 o1 o2 d2 n3 n4 q3 q4 c l rl o4o3 e 圖 3.2 半橋式開關電源 電路特點為 4 個功率管輪流導通（兩個半橋式電路的結合)，無兩個電容 c1、c2；變壓器工作在雙極性，磁芯利用率高；功率變壓器初級電壓為 ui，因此電 壓利用率高。 工作原理為 q1 和 q3 工作過程：當 o1高電平、o2 低電平時 q1 和 q3 通、q2

27、 和 q4 不導通 n1 繞組上負，下正（電壓為 ui） n4 的電壓上正下負 d2 不導通， n3 的電壓上正下負 d1 導通電流通過 d1 和電感 l 給 c 充電同時對 rl供電；q2 和 q4 工作過程：當 o2高電平、o1低電平時 q2 和 q4 通、q1 和 q3 不導通 n1 繞組上 正下負（電壓為 ui） n3 的電壓上負，下正 d1 不導通，n4 的電壓上負，下正 d2 導通電流通過 d2 和電感 l 給 c 充電同時對 rl供電。輸出電壓一般 n3 = n4 而且 初級線圈上的電壓為 ui，與半橋式相比輸出電壓大一倍。 結 論 據不完全統(tǒng)計，在目前所有能源中，電能約占 40

28、%，電能中 55%以上是通過各種 電機消耗的，而為各種電機供電的電源也不同。此外，電化學、電解、電鍍等所需 要的整流電源，冶金工業(yè)中的中頻、高頻感應加熱電源，直流電弧爐電源等都是電 源控制。因此電源的設計及要求也越來越高，要求電源有更高的調控范圍及效率。 對穩(wěn)壓電源的設計需要不同元器件的配合使用，對不同元器件選擇也是設計穩(wěn)壓電 源必須考慮的問題，元器件的選擇要根據其工作狀態(tài)、調控范圍、制約程度等方面 綜合考慮。 在本次設計中，由 pmw 波產生的占空比可變的輸出電壓，驅動器的驅動放大作 用，變壓器范圍可調的變壓儲能作用，儲能元件電感和電容充放電作用，從而使輸 出電壓在一定范圍內可變。采用 pwm 發(fā)生器及驅動器為核心設計的穩(wěn)壓電源，成本 較低且性能穩(wěn)定、可調控范圍廣、效率高，基本達到了預期目標。而且本設計簡單 易于操作，便于在各個行業(yè)上應用，元器件價格便宜使得生產成本降低，而且易于 廣泛推廣使用。 在這次課程設計中，運用到了很多以前的專業(yè)知識，雖然過去從未獨立應用過它 們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設計的一 大收獲。另外，要做好一個課程設計，就必須做到在設計程序之前，對所用元器件 的內部結構有一個系統(tǒng)的了解；在設計程序時，反復修改、不斷改進，要養(yǎng)成注釋 程序的好習慣，一個程