采用LM的317三端穩(wěn)壓芯片的直流穩(wěn)定電源的設計附件

1、直流穩(wěn)定電源摘 要：隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，各種各樣的電氣、電子設備已經廣泛的應用于日 常工作、科研、學習等各個方面。電源作為電氣、電子設備必不可少的能源供應部件，需 求日益增加，而且對電源的功能、穩(wěn)定性等各項指標也提出了更高的要求。對電源的研究 和開發(fā)已經成為新技術、新設備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，在推動科技發(fā)展中起著重要作用。本設 計分別用LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓電路，LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)流電路和反饋式逆變電路 設計直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)流電源和 DC-D3換器。通過相關知識計算出各電路中各個器 件的參數(shù)，使電路性能達到設計要求中的電壓調整率，電流調整率，負載調整率，紋波電 壓等各項指標。關鍵詞

2、：電源；LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓電路；LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)流電路；反饋 式逆變電路目 錄：1原理電路的設計31.1 直流穩(wěn)壓電源電路設計 31.2 直流穩(wěn)流電源電路設計 51.3 DC-DC轉換電路設計71.4 電路圖與主要工作原理101.5 主要參數(shù)的選擇與計算 112安裝、調試、仿真過程132.1 電路實物的安裝與調試 132.2 DC-DC轉換器的仿真與參數(shù)分132.3 針對問題的調試133數(shù)據整理及最終分析153.1 穩(wěn)壓模塊的數(shù)據結果 153.2 穩(wěn)壓模塊的數(shù)據結果163.3 DC-DC變換器的數(shù)據結果 163.4 數(shù)據分析164心得體會 175元器件清單186主要參考文獻 1

3、91原理電路的設計1.1 直流穩(wěn)壓電源電路設計1.1.1 可行的直流穩(wěn)壓電源電路設計方案經過多方查找資料，我認為直流穩(wěn)壓電源電路的設計可以采用兩種大思路：采用分立 元件設計或采用集成穩(wěn)壓芯片設計。分立元件的設計方案我查找到以下幾種：1.1.1.1 由運算放大器和晶體管構成的穩(wěn)壓電路：*30 V圖表1運算放大器和晶體管構成的穩(wěn)壓電路如圖a、b是由運算放大器和晶體管構成的穩(wěn)壓電路。如圖 （a）是采用運算放大器的高 穩(wěn)定性基準電壓電路，A1輸出采用VDZM行電平移動，目的是使其工作穩(wěn)定。VDZ純溫度補償型穩(wěn)壓二極管，溫度特性非常好。由于該二極管的電流恒定，因此電壓變動非常小。 VT1的發(fā)射極電壓約為

4、16V,因此,VDZ2的電流也恒定，輸出電壓非常穩(wěn)定。如圖（b）（d）是誤差放大器采用 TA7502的穩(wěn)壓電路。其中，如圖（b）是輸出電壓高于 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓的電路，如圖（c）是輸出電壓低于穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓的電 路。為了增大輸出電流，采用VT1作為射隨電路，輸出電流為10mA&右時；只用TA7502已足夠。VT2為限流晶體管，R1為電流檢測電阻，當電路輸出電流超過設定值時，R1上電壓降增大使VT2導通，從而限制輸出電流。如圖(d)是負輸出電壓電路，其工作原理與如 圖(b)電路基本相同。1.1.1.2 分立元件制作的帶限流保護可調穩(wěn)壓電源：V LED圖表2分立元件制作的帶限流保護可

5、調穩(wěn)壓電源P1是用來設置限制最大輸出電流，調整它可以在相應的輸出電壓時，給出 50mA-2A 的電流限制。P2用做輸出電壓調節(jié)。這里必須注意的是要求用對數(shù)型的電位器。這樣輸 出電壓的可調性和線性會更好些。電源變壓器的輸出電壓和容量應根據你所需要的輸出電壓和電流來選區(qū)。最佳的方案是：變壓器次級電壓為36、40、48V或帶中間抽頭的50、75、80V。容量為 100VA 電容 C1可以從 2200-6800uF/35-50V 之間選擇。BC182為 50V/100mA/NP5極管；BD139為 80V/1.5A/NPN 三極管；BC212J 50V/100mA/PNPE極管； 2N3055為60V

6、/15A/NPN三極管。Q4必需使用散熱器，另外它可以由 TIP3055替代。1.1.1.3 LM317集成穩(wěn)壓芯片構成的可調式穩(wěn)壓電源圖表3 LM317集成穩(wěn)壓芯片構成的可調式穩(wěn)壓電源這里介紹的可調穩(wěn)壓電源可以實現(xiàn)從 1.25V30V連續(xù)可調，輸出電流可到 4A左右。 采用最常見的可調穩(wěn)壓集成電路 LM317組成電路的核心，關于LM317的詳細指標參數(shù)可參 閱用LM317制作簡易電源電路。下面簡單介紹一下該電路的特點。本電路中，由T2、D5 VW R5 Ra C10及繼電器K構成自適應切換動作電路。當 輸出電路低于14V時，VW1因擊穿電壓不夠而截止，無電流通過，T2截止，K不吸合，具 觸點

7、K在常態(tài)位置，電路輸入電流14V交流電。反之當輸出電壓高于14V時，VW仙穿導 通，T2亦導通，繼電器K吸合，28V交流電接入電路。這樣可以保證輸入電壓與輸出電壓 差不會大于15V,此時，LM317輸出電流典型值為2.2A。圖中采用了兩塊LM317供電，整 個電路輸出電流可在4A以上。由于兩塊LM317參數(shù)不可能一樣，電路中在 LM317輸出端 用接了小阻值電阻R3 R4,用以均分電流。輸出電壓調整由RP1 RP2完成。附加晶體管T1的目的在于避免電位器 RP1滑動端接 觸不良，使W31剛整公共端對地開路，造成輸出電壓突然變化，損壞電源及負載。雙色發(fā)光二極管作為保險絲熔斷指示器（紅光）兼電源只

8、是器（橙色光）。當電源正常時，兩只發(fā)光二極管均加有正向電壓，紅、綠發(fā)光二極管均發(fā)光，形成橙色光。當保險 絲FU2斷開時，僅紅色發(fā)光管加有正向電壓，故此時只發(fā)紅光。為保證穩(wěn)壓準確，設計電路板時主電流回路應足夠寬，并焊上1mmz上的銅導線或涂錫，以減少紋波電壓。C6 C8盡量靠近LM317的輸入、輸出端，并優(yōu)先采用無感電容。 C5 如無合適容量，可用幾只電容并聯(lián)。R3 R4可用鉆絲自制。調試時，調整RP1 RP2應使繼電器在電源輸出14V左右時吸合，否則可調換穩(wěn)壓二 極管再試。1.1.2 最終決定的直流穩(wěn)壓電源電路設計方案最終，我決定采用第三種LM317三端集成穩(wěn)壓芯片設計直流穩(wěn)壓源，主要因為它的

9、使 用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比 標準的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。通常 LM117/LM317不需要外接電容，除非輸入濾波電容到LM117/LM317輸入端的連線超過6英寸（約15厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調整端使用濾波電容能得到比標準 三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。1.2 直流穩(wěn)流電源電路設計1.2.1 可行的直流穩(wěn)流電源電路設計方案1.2.1.1 高精度恒壓恒流直流穩(wěn)壓電源電路該電路可以實現(xiàn)穩(wěn)流輸出，但毫無疑問的是過于復雜，精度極高，超出題目要求及制 作條件，故不予考慮。1.2.

10、1.2 開關電源式高壓恒流源電路圖研制儀器需要一個能在0到3兆歐姆電阻上產生IMAfe流的恒流源,用UC3845吉合12V 蓄電池設計了一個，變壓器采用彩色電視機高壓包，其中L1用漆包線在原高壓包磁心上繞 24匝,L3借助原來高壓包的一個線圈,L2借助高壓包的高壓部分.L3和LM393構成限壓電 路，限制輸出電壓過高，調節(jié)R10可以調節(jié)開路輸出電壓1.2.1.3 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器組成的輸出電流可調的恒流源電路此種電路結構簡單，穩(wěn)流效果比較好，但由于 7805的2、3端之間電壓比較大，導致 R1、R2上分得電壓和消耗功率較多，影響電路效率。1.2.1.4 改進方案1.2.2 最終決定的直流

11、穩(wěn)流電源電路設計方案最終我決定采用第四種設計方案，原因基本與穩(wěn)壓源的選擇想通。而且用LM317制作這一電路簡單易行，在性能上又能達到設計要求指標，是最合理和最理想的方案之一。1.3 DC-DC專換電路設計1.3.1 可行的DC-DC專換電路設計方案1.3.1.1 PWM DC/DC變換器圖表5 UC3843 組成的PWM DC/D倭換器DC-DC轉換1MHz電流型PWM DC/DC換器的原理框圖。電流型控制電路以 UC3843為核心，開 關頻率為1MHz變換器采用推挽式3主電路；同步整流采用功率MOSFETW控整流電 路；輔助電流由電阻和12V穩(wěn)壓管組成（也可采用自舉電路）,為UC3843提供

12、+12V電源; 電流采樣是取變壓器初級用聯(lián)電阻上的電壓 （見圖2中電阻R）。UC3843的限流和占空比控制變壓器初級電流流過取樣電阻 R后，在R兩端產生正比于初級電流的電壓，該電壓經 RC濾波加到UC3843的9腳，從而實現(xiàn)逐周限流。正常工作狀態(tài)下，UC3825的9腳輸入電壓必須低于1V門限電壓。9腳輸入電壓超過1V時，脈寬將隨之變窄。當9腳輸入電壓 超過1.4V時，輸出電流中斷，并且 UC3843開始軟啟動程序。利用斜坡RAMP腳（7腳）輸入信號，UC3843可以實現(xiàn)電流型控制或常規(guī)的占空比控 制。當該腳接定時電容器時，UC3843可以實現(xiàn)占空比控制。當 RAMP腳接電流取樣電阻 時，UC3

13、843可以實現(xiàn)電流型控制。在這種應用電路中，初級電流波形經過很小的RC濾波網絡后，產生斜坡波形。RC網絡的作用是斜率補償。該輸入信號的動態(tài)范圍為1.3V,通常用來產生PWM斜率補償。同步整流電路過去低電壓輸出的DC/DC開關變換器采用肖特基二級管作為同步整流管，其正向壓降約為0.40.65V,低電壓、大電流時通態(tài)功耗很大。因功率MOSFET的正向壓降很小， 所以用功率MOSFETt作為輸出的整流管。與肖特基二極管相比，用功率MOSFETt的優(yōu)點除了正向壓降很小外，還有阻斷電壓高，反向電流小等優(yōu)點。圖2所示為輸出全波同步整流電路。功率MOSFET VT1、VT2為兩個整流管(VD1、VD2分別為

14、VT1、VT2內部反并聯(lián) 二極管)。當變壓器次級繞組同名端為正時，VT2、VD2同時導通，VT1、VD1阻斷,在L1續(xù)流期間，VT1、VT2截止，VD1 VD2同時導通續(xù)流；反之，當變壓器次級繞組同名端為 負時，VT1、VD1同時導通，VT2、VD2阻斷，在L1續(xù)流期間，VT1、VT2截止，VD1 VD2 同時導通續(xù)流。采取此功率MOSFET管整流電路，可以大大提高整流效率。輸出+5V/20A,采取導通電阻10mQ的功率MOSFET管，則導通損耗為：PON=10mx (20A)2=4 義 103mW=4w如果采取肖特基二極管整流電路，肖特基二極管的導通壓降取0.6V,則導通損耗為：PON=0.

15、6V< 20A=12w可見僅整流管損耗就減小8W效率約能提高6% 變壓器的制造初級繞組N2與次級繞組N4之間具有較緊密的耦合；而初級繞組 N1到初級繞組N2 之間的耦合不很嚴格。高頻設計需要特別注意外部導體和元件的布置，減小不必要的電感和電容影響。所有的導線長度必須盡可能地短。印制電路板應仔細地布置元件及其連接。功率MOSFETt柵極的電阻應選碳成分的電阻，以降低串聯(lián)電感1.3.1.2 NE555芯片的升壓電路圖表6 NE555 芯片的升壓電路E555 RW2 R7、R& C6組成多諧振蕩電路，由 NE555的引腳3輸出振蕩波形；R9 C8組成加速電路，Q5為推動管；Q6組成電流

16、開關電路，L1是儲能元件，R14 C9是阻尼 元件；D9 C10 C11組成輸出整流濾波電路；D11、R15為輸出電壓指示電路。上電時，VCCffi過RW2 R7 R8給C6充電，NE555輸出高電平，當 C6的電壓2/3VCC 時，NE555俞出翻轉，開始輸出低電平，引腳 7對地短路，此時C6通過R8對地放電，當 C6上電壓1/3VCC時，NE555輸出翻轉，再次輸出高電平，引腳 7對地呈現(xiàn)斷路，VCCH 次向C6充電，如此周而復始，在 NE555勺輸出端輸出周期矩形波。當NE555輸出低電平時，Q5截至，Q6導通，電源VCC經L1、Q6形成回路，電能轉換 為磁能；當NE555輸出高電平時，

17、Q5導通，Q6截至，由于電感，里面電流不能突變，止匕 時L1上儲存的磁能轉換為電能，在 L1兩端產生一自感應電壓，此自感電壓與電源電壓用 聯(lián)起來一起經D9向C10充電，同時向負載提供電流。此電路輸出的電壓大于電源電壓， 為一升壓式開關電源。通過調節(jié)RW2可以改變NE555的振蕩周期，同時也改變了輸出波形的占空比，從而 改變L1的儲能大小，最終改變了輸出電壓值。1.3.1.3 集成運算放大器的升壓電路不過此電路只能由5V升至30V,達不到設計要求。1.3.1.4 DC-AC-DC轉換升壓電路如圖表12所示，這一電路依靠Q1、Q2、Q3組成的自激震蕩電路，將直流電源輸入的 電能轉化為交流電壓，經變

18、壓器升壓后再恢復為直流。此種電路結構簡單，設計合理，且 升壓范圍比較大，能夠達到設計要求。缺點在于輸出的電壓不穩(wěn)定，有較大波動，而且交 流紋波電壓比較大。1.3.2最終決定的DC-DC專換電路設計方案鑒于制作難度、電路性能、工作效率、元器件取得的難易程度等多方面考慮，我最后 選擇了第四種設計方案，至于是否能制作成功，還要看電路的仿真結果。支3線（左右）.繞就可以了.一先繞30T,抽頭，再繞抽買再繳100-200TR2 】她口SR1SOT2JT閭修-D1,1N4007 變壓器可用高須：E£1S； 16,等* 也可-以甬黃書磁環(huán).R2 - =5, Q2. 3作穩(wěn)壓用TIP2N2222A孕

19、G的,Rt蠲整功率， :從10K往下調.到合 :適為止，.輸出功率約 為普，效率大于R3 -3.9kQR5 ：僅供參考.680lkQ ,:680kfi圖表7 DC-AC-DC轉換升壓電路1.4 電路圖與主要工作原理經過仔細研究，我決定采用如下電路制作穩(wěn)定電源實物。（如圖表13）1.4.1 穩(wěn)壓模塊工作原理本電路的穩(wěn)壓電源模塊采用了 LM31旅成穩(wěn)壓電源構成的可調式穩(wěn)壓電路，將22V-15V 變壓器變出的15V交流電壓，經過全波橋式整流后得到直流脈動電壓，在經過濾波電容的 調整成為一近似恒壓的直流電壓，最終經過 LM317穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定的1.25V帶隙電壓。再 依靠R1電阻固定電流，經R2與RS

20、1調整輸出端的電壓。達到輸出穩(wěn)定可調電壓的要求。 1.4.2穩(wěn)流模塊工作原理本電路的穩(wěn)流電源模塊采用了 LM317集成穩(wěn)壓電源構成的可調式穩(wěn)流電路，將上一級 產生的12V穩(wěn)定電壓轉換為輸出端的4-20mA的穩(wěn)定電流。由穩(wěn)壓源供電，仍然是依靠LM317 的帶隙電壓，通過R3與RS2電阻的調節(jié)控制輸出端電流，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出可調電流的題目 要求。1.4.3 DC-DC轉換器模塊工作原理同樣是依靠第一級的穩(wěn)定電壓輸出供電，依靠 Q1、Q2 Q3和R7、R& C5構成的自激 振蕩電路，由上一級的直流供電產生一個交流電信號，在經過變壓器升壓，再度轉換為直 流信號輸出，同時達到升壓的目的。1.5 主要

21、參數(shù)的選擇與計算u2 =v'2U2sin(ot)(公式 1.5.1 )Uo = 2U2Sin（ t）d（ t） =0.45四（公式 1.5.2 ）（公式 1.5.3 ）（公式 1.5.4 ）2 二 o, c U2I D = Io =0.45 RlUrm = 2U2, Uo 15 一、，選二極管U2 =12=瓦=12.5 V（公式1.5.5）電流平均值：ID =1IO =1U0=1m15_=0375A（公式 1.5.6 ）22 RL2 20承受最高反壓：URM =V2u2 =24V(公式1.5.7 )選二極管應滿足：IF之(2 3) ID URM”巧U 2(公式1.5.8 )可選：2CZ

22、55C(IF = 1 A , URM = 100 V)或1 A、100 V整流橋，此電路中選擇 2A、 100V整流橋，滿足要求。2.選濾波電容取 RLC =4 T = 0.04s2（公式 1.5.9 ）0.04s40= 1 000 葉（公式 1.5.10 ）T = 1f = 150 =0.02s可選：1 000 葉，耐壓50 V 的電解電容根據輸出直流電壓UO = 15 (V)的要求，由式(7-8)穩(wěn)定電壓（公式 1.5.11 ）U z =U。=15(V)（公式 1.5.12 ）由輸出電壓VO = 15 (v)及最小負載電阻RL = 3KQ的要求，負載電流最大值I o max = 5mARL

23、3由式(7-8)計算IZmax = 3Iomax =15mA查半導體器件手冊，選擇穩(wěn)壓管2CW20其穩(wěn)定電壓 UZ = (13.517) (V),穩(wěn)定電流 IZ =5mA IZmax =15 mA。2安裝、調試、仿真過程本設計方案采用實物與仿真共同采用的方式：穩(wěn)壓、穩(wěn)流模塊制作簡單，易于調試， 且元器件容易購買，故此二模塊制作實物電路板；DC-DC轉換器部分由于制作難度較大，輸出電壓較高，有一定的危險性，而且元器件不宜購買和制作，考慮到時間有限，故這一 模塊應用MULTISIM進行仿真。2.1 電路實物的安裝與調試焊接過程省略。完成電路板后，將電源與變壓器接至電路的輸入端口，閉合開關 si,用

24、萬用表在電壓 輸出端測量，得到輸出電壓為 11.73V,調節(jié)電位器RS1,輸出電壓可以實現(xiàn)9-12V的穩(wěn)定 輸出變化，證明原理正確，電路圖繪制正確，且電路板此模塊制作無誤。閉合開關s2,用萬用表測量電流輸出端，得到電流 12.3mA調節(jié)電位器RS2電流輸 出端可以實現(xiàn)4-20 mA的穩(wěn)定輸出變化，證明恒流部分原理正確，電路圖繪制正確，且電 路板此模塊制作無誤。2.2 DC-DC轉換器的仿真與參數(shù)分析在仿真軟件MULTISIM里按設計原理圖繪制好電路圖，并設置好參數(shù)（由于沒有合適 的變壓器，故采用TS_PQ4_1式替），安裝萬用表。打開仿真開關后，觀察到如下圖表14 所示結果。升壓之后的值達到了

25、 400V左右，遠遠超過題目要求的100V的直流電壓，從這個角度 看似乎是超額完成了任務，但仔細分析之后發(fā)現(xiàn)，電壓升至400V左右后并不能穩(wěn)定的停留在某一定值上，而是不停地小幅變動。并且由于電容的選擇導致時間常數(shù)過大，需要較 長時間才能達到較穩(wěn)定的值，證明這一設計不夠穩(wěn)定，容易收到干擾，并沒有達到題目的 要求。應想辦法改變這一模塊的設計。2.3 針對問題的調試針對2DC-DC轉換器模塊存在的問題，我對電路作了如下調整：在輸出端的兩邊串聯(lián) 兩個電阻，阻值分別為1M歐和3M歐，再將一 10nF的瓷片電容與1M歐電阻并聯(lián)，并以瓷 片電容的兩端作為電壓的最終輸出端。再次仿真測試后得到如下圖表15所示結

26、果。圖表9 轉換器的仿真結果 1D1廿 1N4007. G1, .+1：uF-V-C21：1翁 MuItimeter-X.：!：101 104 Va|P-S*L-圖表10轉換器的仿真結果 23數(shù)據整理及最終分析為了便于圖片和數(shù)據的整理，我特將穩(wěn)壓與穩(wěn)流模塊也進行了仿真， 仿真結果如下圖:XSC1»TN4O07 -：UI：LM31FKUltt - 'AM voiiwa A_LV1 .： 15 VIR21M490ImE1M4907» u'±：10uF ：4-,： I韋-什 Multirmeter-X.'圖表2 穩(wěn)壓模塊的仿真結果3.1 穩(wěn)壓模塊

27、的數(shù)據結果如圖所示，穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+ 15%- 20標件下:a.輸出電壓可調范圍為+9.019V+13.663Vb.最大輸出電流為1.537Ac.電壓調整率為0.172% （輸入電壓220V變化范圍+ 15% 20%F,空載到滿載）d.負載調整率0.79% （最低輸入電壓下，滿載）e.紋波電壓（峰-峰值）2.37mV （最低輸入電壓下，滿載）效率43.36% （輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）：U2：LM317KLISE節(jié)出 OUTAGE -, - :10LR4涮9 -. yew ：Key=A In： Multi mete r-X.洲29。4A圖表

28、3穩(wěn)流模塊的仿真結果3.2 穩(wěn)流模塊的數(shù)據結果如圖所示，穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為+ 12V的條件下：a.輸出電流：3.11220.26mA可調b.負載調整率為8.32% （輸入電壓+ 12V、負載電阻由200Q300。變化時，輸出電 流為20mA寸的相對變化率）3.3 DC-D嚷?lián)Q器的數(shù)據結果：DC-D嘎?lián)Q器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a.輸出電壓為+101.104V,輸出電流為44.796uAb.電壓調整率3.7% （輸入電壓變化范圍+9V+12V）c.負載調整率6.1% （輸入電壓+12V下，空載到滿載）d.紋波電壓（峰-峰值）0mV （輸入電壓+9V下，滿載）3.4 數(shù)據分析：由以上數(shù)據可見，穩(wěn)壓模塊、穩(wěn)流模塊以基本完成題目要求，達到了各項要求指標， 說明設計合理，制作正確。而DC-D吸換器變換器模塊的各項數(shù)值沒有明顯達到題目要求，我分析原因有以下幾 點：1） 電路圖本身的問題：電路圖本身的穩(wěn)定性不夠好，沒有穩(wěn)定電壓的電路模塊，所以輸出的電壓極其不穩(wěn)定，波動比較大。2） 仿真過程中的問題：由于電路原圖上選用的變壓器是專門制作的變壓器，在仿真軟件里沒有對應的電子實體，所以沒有辦法選擇合適的輸出電壓值，造成輸出電流 比要求差很多，而且電壓調整率和負載調整率比較大，且達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間 比較長。4心得體會