直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)方案書報(bào)告

1、直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)報(bào)告參賽小組： 參賽隊(duì)員： 指導(dǎo)老師： 時(shí) 間：29 / 22目錄摘要Abstract1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2. 設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì) .2.1. 直流穩(wěn)壓電源2.1.1. 電路方案選擇2.1.2. 元件參數(shù)分析2.2. 直流穩(wěn)流電源2.2.1. 電路方案選擇2.2.2. 元件參數(shù)分析2.3. DC-DC 變換電路 2.3.1. 電路方案選擇2.3.2. 元件參數(shù)分析24 MSP430F149顯示采集電壓 2.4.1. 器件介紹2.4.2. 硬件設(shè)計(jì)2.4.3. 軟件設(shè)計(jì)3. 仿真及分析4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析5. 實(shí)物制作6. 參考文獻(xiàn)7. 心得體會(huì)附錄：摘要隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展

2、，電工電子方面也有了很大的進(jìn)步。電源作為電氣、 電子設(shè)備必不可少的能源供應(yīng)部件， 需求日益增加， 而且對電源的功能、 穩(wěn)定性 等各項(xiàng)指標(biāo)也提出了更高的要求。 對電源的研究和開發(fā)已經(jīng)成為新技術(shù)、 新設(shè)備 開發(fā)的重要環(huán)節(jié)， 在推動(dòng)科技發(fā)展中起著重要作用。 本設(shè)計(jì)分別用串聯(lián)型線性穩(wěn) 壓電路，串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)流電路和反饋式逆變電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源， 運(yùn)用放大和 反饋電路直流穩(wěn)流電源和 DC-DC 升壓變換器。通過相關(guān)知識(shí)計(jì)算出各電路中各 個(gè)器件的參數(shù)， 使電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的電壓調(diào)整率， 電流調(diào)整率， 負(fù)載調(diào) 整率，紋波電壓等各項(xiàng)指標(biāo)。在通過 TI 公司推出的超低功耗 MSP430 系列單片 機(jī)顯示設(shè)

3、計(jì)電源輸出電壓，讓設(shè)計(jì)更加智能化。 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途關(guān)鍵詞 ：電源；穩(wěn)壓電路；穩(wěn)流電路； DC-DC ；MSP430 單片機(jī)Abstract : Along with technical development, the electricity and electronic instruments have already been widespread applied in daily, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energ

4、y-supply part of electrical and electronic instruments, its demand increases day by day, and also been set a higher request to function, stability and so on each target. The power supply research has already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. It

5、 pslaying the vital role in the impetus of science and technology development. This design separately uses series linear constant voltage circuit, series regulate constant current circuit and the feedback type contravariant circuit to design direct current constant voltage power supply, direct curre

6、nt constant current power supply and DC-DC converter. We must calculate various each component parameter in the circuits by correlated knowledge and enable the circuit performance to meet in the design requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rat

7、e, ripple voltage and so on. 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途Key Words : Power Supply ； voltage stabilizer ； Steady Stream ； DC-DC ； msp430Single Chip Microcomputer 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1.任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。1.2 要求1.2.1 基本要求（1）穩(wěn)壓電源在輸入電壓 220V、50Hz、電壓變化范圍+15%20%條件下：a. 輸出電壓可調(diào)范圍為 +9V+12Vb. 最大輸出電流為 1.5AC.電壓調(diào)整率 0.2%（輸入

8、電壓220V變化范圍+ 15%20%下，空載到滿載）d. 負(fù)載調(diào)整率 1%（最低輸入電壓下，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9V、輸入電壓220V下，滿載）g.具有過流及短路保護(hù)功能（2） 穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為+12V的條件下：a. 輸出電流：420mA可調(diào)b. 負(fù)載調(diào)整率 1%（輸入電壓+ 12V、負(fù)載電阻由200 Q300 Q變化時(shí)，輸出電流為 20mA 時(shí)的相對變化率） 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途（3）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10mAb. 電壓調(diào)整率 1%（

9、輸入電壓變化范圍+9V+12V ）c. 負(fù)載調(diào)整率 1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）d. 紋波電壓（峰-峰值） 100mV（輸入電壓+9V下，滿載）1.2.2 發(fā)揮部分（1）擴(kuò)充功能a. 排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)b. 過熱保護(hù)c. 防止開、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的 過沖”（2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a. 提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b. 擴(kuò)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a. 提高效率（在 100V、100mA下）b. 提高輸出電壓（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流2. 設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì)2.1. 直流穩(wěn)壓電源2.1.1 電路方案選擇方案一：經(jīng)變壓器輸

10、出的直流經(jīng)開關(guān)電源穩(wěn)壓輸出。但此方案產(chǎn) 生直流電壓紋波大，在后幾級(jí)電路中很難加以抑制，因此不可行。 個(gè) 人收集整理 勿做商業(yè)用途 方案二：經(jīng)變壓器輸出后，直接進(jìn)入由分立元件搭建的線性穩(wěn)壓電路， 線性穩(wěn)壓電路輸出值可調(diào)， 優(yōu)點(diǎn)所需元件簡單，缺點(diǎn)元件多參數(shù)難 以控制， ，。 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途01jnQ1I2 N 30 55A1N4Q07D221N40-0IG3TE._AUDIO_10_TOJC233F-.XSDOkQKey=A110%R5 icikn心470mFQ2E2M3702RG 10kD2N2222方案三：在方案二的基礎(chǔ)上選用三段集成直流穩(wěn)壓電器Im317, Im317輸入電壓30

11、v左右，輸出1.2537v可調(diào)電壓。且最大輸出電流1.5a, 電壓調(diào)整率0.1%,80db紋波抑制比，自帶輸出短路保護(hù)，過流，過熱 保護(hù)電路 。 個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途Q32N2222A丄州33 V呂22Q4 C110pFQ12H2SJ5FR1口D1冊002LM117MVH4R3200QD2刃N4002H91Mi0417pFRdR5* C31CpF比較上述三種方案，決定選用方案三。因?yàn)槠浞€(wěn)壓性能好，適用范圍比較寬廣2.1.2元件參數(shù)分析2.2. 直流穩(wěn)流電源2.1.1電路方案選擇方案一：基本思想是利用7805集成基推電壓源，其3端與1端之間固定壓降為5v，流經(jīng)電阻后產(chǎn)生恒穩(wěn)的電流。 個(gè)人收集

12、整理勿做商業(yè)用途(1)不加三極管的方案，如下圖這是一種被普遍采用的產(chǎn)生恒流的方法，但它有兩點(diǎn)不足。一是集成塊的靜態(tài)電流作為負(fù)載電流的一部分，當(dāng)前者隨輸入 電壓及負(fù)載的變化而變化時(shí)，會(huì)影響后者的穩(wěn)定；二是該電路不能提供小于I (a dj)的恒流。 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途圖2 6 不用三極管的穩(wěn)流電路(2)使用三極管的方案。如下圖：針對上一種方案，我們進(jìn)行了改進(jìn)，加進(jìn) 了一只三極管，則靜態(tài)電流I (adj)由三極管e、c極提供，而流經(jīng)RL的靜態(tài) 電流僅為I (adj)的1/(1+x)該電路能提供比I (adj)還小的恒定電流。個(gè)人收集整 理勿做商業(yè)用途圖27使用三極管的穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)中由于不需要

13、太低的電流 ，所以不符合題目要求。方案三:比較上述三種方案，決定選用方案三。因?yàn)槠浞€(wěn)流性能好，適用范圍比較寬廣2.1.2元件參數(shù)分析穩(wěn)流電路;輸出級(jí)LM324的同向電壓 V和反向電壓VN分別為VpV4 + Vo R3R3R4R3R4VnVoRiRiR2根據(jù)放大器特性， Vp=Vn，取Vo Vo Vr ,則上的壓降（V。V。）等于基準(zhǔn)電壓 Vr，計(jì)算得到R.| = R2 = R3 = R。則輸出電流為Io %調(diào)節(jié)電位器可得到輸出電流范圍420mA。2.3. DC-DC變換電路2.3.1電路方案選擇方案一：-：-；：. T：r ： ： 2Q0JD1irMOO116&0k0:R5 ：-WV-采用Bo

14、ost型DC-DC升壓器。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但輸入輸出電壓比太大，占空比大，輸出電壓范圍小，難以達(dá)到較高的指標(biāo)。個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途方案二：以TL494為控制核心，以功率晶體管IRF630、整流二極管HER107和高頻變壓器，以及阻容元件構(gòu)成。TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)見附件2，電路原理如圖8所示。TL494產(chǎn)生一定頻率PWM波，控制功率 晶體管導(dǎo)通和截止。當(dāng)IRF630受控導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器將電能轉(zhuǎn)變成磁能儲(chǔ)存起來，當(dāng)IRF630截止時(shí)，高頻變壓器原、副邊電壓極性 改變，HER107由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通，高頻變壓器將原先儲(chǔ)存的磁能 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過整流和LC濾波網(wǎng)絡(luò)變成直流向負(fù)載供電。

15、個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途K1J VV REFR11RwR12VOutTL494產(chǎn)生開關(guān)頻率控制功率晶體管，并且產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vref。輸出電壓為取R11=1OOK, R2=2.5K,調(diào)節(jié)電位器 Rw=3.125K，則可計(jì)算得輸出電壓 Vut =100V。比較上述二種方案，決定選用方案二。因?yàn)椋軌蚋泳_控制 輸出的電壓，且輸出范圍較大，滿足指標(biāo)。2.3.2元件參數(shù)分析變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電變壓器原理圖 流時(shí)，鐵芯中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫

16、次級(jí)線圈。市面上很難買到適合題目要求的高頻變壓器，因此我們選擇自己繞制。個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途輸入電壓最小值 Vin=9V，最大占空比 入啦=0.45，要求輸出電壓 U=100V，電流I=10mA，得變壓器功率個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途POU I 100 0.01 1W取f=40KHz，則變壓器繞阻電感量LpVin_=9 0.45/(0.0140000) =10.1mHI f匝數(shù)比N1n2 Vo 11 Dv =(100+1)max vin(1-0.45)/(0.459)=132.4. MSP430F149顯示采集電壓2.4.1.器件介紹（1）MSP430單片機(jī)MSP430的性能MSP430系列

17、單片機(jī)是美國德州儀器（Tl）1996年開始推向市場的一種16位 超低功耗的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor。稱之為混合信號(hào)處理器， 主要是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在 一個(gè)芯片上，以提供 單片”解決方案。個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途MSP430 特點(diǎn)：MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下的 特點(diǎn)。強(qiáng)大的處理能力 MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡 指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令； 大量的寄存器

18、以及 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算； 還有高效的查表處理指令；有較高的處理速 度,在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率 的源程序。 個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.83.6V電壓。因而可 使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 200400uA左右，時(shí)鐘關(guān) 斷模式的最低功耗只有 0.1uA。個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的 片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A（Timer_A）、 定時(shí)器B（Timer_B）、串口 0、1（US

19、ART0、1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10位/12位ADC、IIC總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA ）、端口 16（P1P6）、基本 定時(shí)器（BasicTimer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序 失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D 轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器（Timer_A和Timer_B ）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/ 比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 SPWM等；MSP430系列單片機(jī)的 這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途MSP430的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 1-1. MSP43O Arch

20、itecture（2）12864液晶顯示器本次試驗(yàn)采用SMG12864G2-ZK液晶顯示模塊，此液晶模塊液 晶顯示模塊是128 04點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊， 可顯示漢字 及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè) 字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)陣顯示RAM （GDRAM ）?？膳cCPU 直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接 方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途2.4.2硬件設(shè)計(jì)在MSP430F149內(nèi)置一個(gè)ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且采樣速度快， ADC的所有功能都可以通過用戶軟件獨(dú)立配置

21、。結(jié)構(gòu)如圖：個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途0 J2.l4ci已 7 HA兒斗 hac&a2 co ACKM WP1NCHv-h=rr!p-ie JIWlMeiaTBOTB1kVREJFOirMTWl軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的流程圖為醫(yī)山出叮絶棋式LFlWll貞廡采乘刮旳電卑示?禳用壓*3.仿真及分析4.5.-Q2衛(wèi)on2HZC22Aurt(WCPW真 1： %rRGinnnIDkD1 U3.iukn0PD7CPf 2_vce ：./： d i t UZ1DI ： 亍円NV35A 丄丄-I r -七J他卩 ： -15V ： IftlJ:lino: / sun :Key-A1+：-15V ：4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分

22、析表1 測試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1示波器Tektronix1Tektro nix2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司3數(shù)字萬用表 UT39系列1UNI-T(1) 穩(wěn)壓電源測試 輸出電壓和輸出電流測試。外接負(fù)載為5Q、5.6Q、6 Q、7Q、8 Q的功率電阻，調(diào)節(jié)電位器，改變輸出電壓(9V12V)，觀察電流表讀數(shù)變化。測量結(jié)果如下表2所示：個(gè)人3所示:收集整理勿做商業(yè)用途12.01 12.0112.01100%表2輸出電壓、輸出電流測試結(jié)果電流/A9V12V5Q1.76-2.355.6 Q1.60-6Q1.491.987Q1.281.718Q1.091

23、.49從上表中可以看出，穩(wěn)壓電路完全達(dá)到要求。注：如果設(shè)定過流保護(hù)時(shí)的電流為1.60A，以上超過此值的視為無效。負(fù)載調(diào)整率測試。輸入電壓下，從空載到滿載，測得輸出電壓如下表表2負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果負(fù)載空載滿載輸出電壓8.98V8.98V12.0V12.0V計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率為滿足題目要求。紋波測試。接上負(fù)載后用泰克示波器觀察紋波Uc為1.5mv波動(dòng)，能滿足指標(biāo)要求。(2) 穩(wěn)流電源測試 輸出電流測試。外接負(fù)載阻值為200 Q，調(diào)節(jié)電路中的電位器用萬用表測出輸出電流最小值和最大值。測試結(jié)果如下表3所示：個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途表3穩(wěn)流輸出電流測試結(jié)果項(xiàng)目最小值最大值輸出電流mA3. 9925.3結(jié)果

24、表明：輸出電流可以在 420mA范圍內(nèi)可調(diào)。 負(fù)載調(diào)整率測試。用萬用表分別測出負(fù)載為 200 Q和300 Q時(shí)的輸出電流，結(jié)果如下 表4所示：表4穩(wěn)流負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果負(fù)載200 Q300 Q輸出電流mA20.0120.012.01 2.01 100% 0計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率為20.01I(3) DC-DC變換器測試 輸出電壓和電流測試電路見附件5所示。測電流所接負(fù)載阻值為10K，測試結(jié)果輸出電壓 U=100V，輸出電流I=10mA。個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途 電壓調(diào)整率測試。在輸入 912V電壓下，用萬用表直接測輸出電壓，結(jié)果如下表5所示：表5 DC-DC電壓調(diào)整率測試結(jié)果輸入電壓V912輸出電

25、壓V計(jì)算電壓調(diào)整率為100100.1100.1 100100100%0.1%10K測試, 負(fù)載調(diào)整率。測試電路見附件6所示，輸入電壓為12V下，滿載阻值為結(jié)果如下表6所示:表6 DC-DC負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果負(fù)載空載滿載輸出電壓V100100.1計(jì)算負(fù)載調(diào)整率為U100.1 100 , ,100% 0.1%U100 紋波電壓測試。輸入電壓9V下，滿載，用泰克示波器直接測出紋波電壓最大為70mV左右。5. 實(shí)物制作6. 參考文獻(xiàn)【1】黃志偉 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程電子工業(yè)出版社2010.6【2】余小平 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京航空航天大學(xué)出版社2007.3【3】吳友宇模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社

26、2009.056. 心得體會(huì)7. 我們組從選題一一分析題目一一拿方案一一搭建電路一一仿 真一一參數(shù)計(jì)算一一選擇合適的器件一一做實(shí)物一一調(diào)試一一完 成?；怂奶鞎r(shí)間，在這過程中我們遇到了很多的麻煩和問題， 但經(jīng)過我們組的共同努力，慢慢的克服了它，給我們的收益很大。個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途8.9.10.11.首先我們拿到題目“直流穩(wěn)壓電源” ，它由四個(gè)部分組成變 壓穩(wěn)壓電源、穩(wěn)流電源、dc-dc，我們討論之后決定一人 做兩部分，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)就一個(gè)交流降壓再二極管交流變直流， 沒有多大問題，但在穩(wěn)壓電源，首先是想直接通過穩(wěn)壓電路輸出 但紋波波動(dòng)太大對后級(jí)電路不利，然后想到的是用晶體管搭建電 路，

27、雖然所選器件簡單，但所涉及參數(shù)太多不好調(diào)試。最后在第 二個(gè)方案的基礎(chǔ)上運(yùn)用集成穩(wěn)壓器件Im317,穩(wěn)壓效果好，且輸出 電壓在1.25-37V可調(diào)。最大電流輸出 2a。個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途選中器件后，就開始搭電路仿真，在網(wǎng)上查找器件的通用電 路，搭好基本電路之后，然后考慮短路，過流，過載，輸出最大 電流電路，對電路進(jìn)行改進(jìn)。通過不斷額查資料到改變參數(shù)調(diào)試。 通過了解 Im317 的特性，發(fā)揮它最大的用處。最后終于拿出電路。 測試負(fù)載調(diào)整率0紋波抑制1.5mv。由此說明仿真還是比較成功。 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途做實(shí)物，在這過程中因?qū)嶒?yàn)室沒有我要的晶體管，所以我就 用 s9013 和 s90

28、12 代替，但沒想到卻把負(fù)載燒壞了，后面才明白 s90 1 3是低功率的晶體管不能代替高功率的三級(jí)管， 說明自己還是 沒有完全明白，以后要認(rèn)真分析每一部分，因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)是需要 耐心的。在購回器件然后搭建電路之后，電路正常工作，但因器 件及溫度的原因，實(shí)際值與理論值還是有差別。但差別不大，說 明我們是完成了的 。 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途通過幾天的努力，我覺得我們是勉強(qiáng)完成任務(wù)，但收獲確是很大，最主要的是增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)精神，因此我們以后還要再接再厲，做出更好的作品 。 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途附錄源程序：#include msp430x14x.h#include ADC_Func.h#include Yjd12864.huint resultsNum_of_Results; ulong average;/ 保存 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組