電子設(shè)計(jì)報(bào)告規(guī)檔V雙極性電源的設(shè)計(jì)

1、電子線路CAD綜合 訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目二12V雙極性穩(wěn)壓電路學(xué) 號(hào)班 級(jí)學(xué) 生扌旨導(dǎo)教師 楊媛2013年目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 22 直流穩(wěn)壓電源 23 電路設(shè)計(jì) 23.1 變壓器 33.2 整流電路 43.3 濾波電路 43.4 穩(wěn)壓電路 64 PCB 設(shè)計(jì) 74.1 Altium Designer winter 09簡(jiǎn)介 74.2 原理圖的繪制 84.3 PCB 封裝的添加與繪制 84.4元器件排版PCB勺生成 94.5 布線、覆銅及 DRC檢查 95 仿真 115.1 Multisim 簡(jiǎn)介 115.2 Multisim 對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真 115.3 仿真結(jié)果 116 總結(jié) 11

2、參考文獻(xiàn) 121設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)一個(gè)輸入220V交流電壓，經(jīng)雙路變壓(兩路16V)、整流、雙路穩(wěn)壓 后輸出土 12V直流電壓電源。完成電路原理設(shè)計(jì)，元件選取及參數(shù)計(jì)算，并完 成PCB制板，進(jìn)行軟件仿真。2直流穩(wěn)壓電源在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，提供這種穩(wěn)定的直 流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地 位。它由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分電路組成，如圖 1-1所示：圖1-1直流電源的方框圖(1、降壓變壓器，它將電網(wǎng) 220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并 送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。(2) 整流電路，整流電路將交

3、流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路 濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。常用的整流濾波電路有全波整 流濾波、橋式整流濾波等。(3) 濾波電路，可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從 而得到比較平滑的直流電壓。(4) 穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電 壓和負(fù)載的變化而變化。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)3電路設(shè)計(jì)整體原理圖如圖3-1所示:圖3-1整體電路原理圖3.1變壓器按設(shè)計(jì)要求，變壓器為220V輸入雙路16V輸出，考慮到負(fù)載功率的問題，應(yīng) 該選擇功率較大的變壓器，本設(shè)計(jì)中選定 EI型全銅變壓器220V轉(zhuǎn)16V交流35

4、W 電感變壓器。35W已經(jīng)完全滿足設(shè)計(jì)要求和安全功率。原理圖和PCB封裝分別如圖3-2和圖3-3所示：圖3-2變壓器原理圖圖3-3變壓器PCB封裝3.2整流電路本次設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路，它由四只二極管組成，其構(gòu)成原則就是保 證在變壓器副邊電壓U2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終不變。整流 橋如圖3-4所示圖3-4單相橋式整流路在u2的正半周內(nèi)，二極管 D1、D3導(dǎo)通，D2 D4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，D2、 D4導(dǎo)通，D1、D3截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)載電阻 RL且方向是一致 的。電路的輸出波形如圖3-5所示：圖3-5整流電路輸出波形（1）輸出電壓平均值uo(Av)二 1

5、°、2U 2sin td-t(3-1 )2J2解得 (AV) 6 ： 0.9U2JI(3-2)U2 =16V 則 u°av = 14.4V(3-3)（2）輸出電流平均值uofAV 0.9U 2IoAVRlRl(3-4)在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電， 所以流過每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半1 -1IId - 2I0AD(3-5)電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為2U2=22.6V（U2是變壓器副邊電壓有效值）。U 反二 2U222.6V(3-6)在實(shí)際電路中，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為-10%，故在選用二極管時(shí)，至少應(yīng)該有10%勺余量，

6、選擇最大整流電流If和最高反向工作電壓Urm分別為：If ,1.1IoAV2(3-7)Urm 1.r 2U2 =1.1U反二 24.86V(3-8)根據(jù)If和Urm可以確定二極管，本次選用1N4002,其最大整流電流為1.0A， 最大反向電壓100V,最大功耗3V，它完全符合設(shè)計(jì)要求。3.3濾波電路整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是還含有較大的交流成分，不能 直接用于大多數(shù)電子電路及設(shè)備的電源。因此，在整流后，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波 電路來將脈動(dòng)直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸V波電路有許多種形式，常見的有：電容濾波電路、電感濾波電路、LC濾波電路以及RC或LC二型濾波電路。表3-1為各種濾波電

7、路的性能比較。性能 類型電容濾波電感濾波LC濾波RC或 LC兀型濾波1.20.90.91.2小大大小適用場(chǎng)合小電流負(fù)載大電流負(fù)載適應(yīng)性較強(qiáng)小電流負(fù)載表3-1各種濾波電路性能的比較濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波。在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端 的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián) 或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。在本設(shè)計(jì)中，選用最簡(jiǎn)單易行的電容濾波電路。如圖3-1中，電容C1到C8都為濾波電容。其中小電容 C3, C4, C7, C8一方面能消除PCB導(dǎo)線感抗對(duì)電源的 影響，防止自激震蕩；另一方面也能濾去電壓中的高頻部分。直流輸出電壓

8、：u 二 1 1.2 U2(3-9)01直流輸出電流：I01 上(3-10)(1.1 3)I2是變壓器副邊電流的有效值。RC(rl為負(fù)載阻值)越大，電容器放電越慢，輸出電壓平均值越大。一般可選放電 時(shí)間常數(shù)R.C大于C的充電周期(35)倍。對(duì)橋式整流來說,C的充電周期等于交流 電網(wǎng)周期的一半，即11T = 0.02s(3-11)f 50HZRlC -(35)T，設(shè)計(jì)選取 RLC = 5* T = 0.05s(3-12)2 2式3-12中，T為電容的充電周期，RL為負(fù)載電阻，RL 二叢12氏=192(3-13)1。1 1A5TC 也 =0.0026F =2.6平 (3-14) 2Rl由于采用電解

9、電容，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為10%電容的耐壓值應(yīng)大于1.1、2U2 = 24.82V。結(jié)合上面的數(shù)據(jù)，本次設(shè)計(jì)選取了電解電容C1, C2, C5, C6,耐壓值25V,3uF； C3, C4, C7, C8為陶瓷電容，容值 0.1uF。3.4穩(wěn)壓電路雖然整流濾波電路能將正弦電流電壓轉(zhuǎn)化為較為平滑的直流電壓，但是，一 方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng) 時(shí)，輸出電壓平均值將隨之波動(dòng)；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng) 負(fù)載變化時(shí)，內(nèi)阻的電壓隨之改變，于是輸出電壓平均值也就隨之產(chǎn)生相反的變 化。所以，為了得到輸出穩(wěn)定的直流電壓，經(jīng)整流濾波后的直流電壓必

10、須采取一 定的穩(wěn)壓措施才能適合電子設(shè)備的需要。本設(shè)計(jì)選用固定式三端穩(wěn)壓器。 W78xx/W79xx其中，78系列輸出正電壓，79 系列輸出負(fù)電壓，xx代表所能穩(wěn)定輸出的電壓值。它們有一系列固定的電壓輸出， 應(yīng)用非常的廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的 保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于 1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設(shè)定的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?后，就能獲得各種不同的電壓和電流。文中選用 W7812E端正電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定 +12v電壓；選用 W7912E端 負(fù)電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定的-12v電壓。具有如下特點(diǎn)：

11、（1）短路電流230mA峰值電流2.2A，但是當(dāng)輸出電流超過1.5A時(shí)， 就需要提供足夠的散熱片；（2） 輸入電壓極限值35v,輸出電壓典型值為12V,最大值12.6V ；（3）熱過載保護(hù)；（4）短路保護(hù)；（5）輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)； 78xx/79xx系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）輸入輸出壓差不能太大，太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊 穿損壞；（2）輸出電流不能太大，1.5A是其極限值。大電流的輸出，散熱片 的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿；（3）輸入輸出壓差也不能太小，大小效率很差。LM7812/LM1912引腳分布圖如圖3-6所示：圖3-6 LM78系列引腳分布圖

12、其中，對(duì)于W7812 1端為輸入端，2端為公共端，3端為輸出端。對(duì)于W7912 1端為公共端，2端為輸入端，3端為輸出端。下圖3-7為12V輸出原理圖：U179L12圖3-7 _12V輸出原理圖其中，正常時(shí)，輸入與輸出之間的電壓不得低于 2V0 C4和C8用于實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ) 償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激和抑制電路引入的高頻干擾。圖3-8為原理圖元件報(bào)表EUN 口F Material For Project PCBjPrqject 1 _PtjKB阿口 PCS D口cumerrt Selected)JK示.* De ec命ikn*Fodprirf亍Ub陽土 djarOtf回Cwmfft1*1匚申訊|P

13、dwEKd 匚 apadm-« C l, O 匸乩 C8RB7.M5Gap 卩MlSI匡CapCflpBdkrE21C*:C5,C7RADH0.3Cap4EhdelAJMawDtadeElmDI日申P(guān)4/W&1dgel1coeCermctorJ1HDR1X2WN®1C0N3CorrtsdcrJ2KDRDGOON31TRAN 別TlTRF_5TRAN5417S12TTamraJ PdsItve 'i U1PCfiGonponert73LD51W2魯TcmwiaJ Pastime USRODConponmi. 17BL121疔誼燒.1 n示亠 3UAddlMdJ

14、11守導(dǎo)出譴頂Em選頃裔選I頁霽搭式Mfcracft Brd WokshHf血田 境懾卜卜-|卜-匚湮姫IDSM斗取溜隹到|萇板文件EZilfl導(dǎo)出的EJMKBSfiSS| 苗定 I 恥韓圖3-8元件報(bào)表4 PCB設(shè)計(jì)4.1 Altium Desig ner winter 09 簡(jiǎn)介Altium Desig ner win ter 09是業(yè)界第一款也是唯一一款一體化電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)解決方案。Altium Desig ner win ter 09是業(yè)界首例將設(shè)計(jì)流程、集成化 PCB設(shè)計(jì)、可編程器件（如FPGA設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在 一起的產(chǎn)品，是一種同時(shí)進(jìn)行原理圖、PCB和F

15、PGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決法案，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品所需的全部功能。它強(qiáng)大的圖形處理功能，非常友好和合理的人機(jī)交互界面，是電子設(shè)計(jì)入門的必選軟件。本次課設(shè) 就用它來設(shè)計(jì)原理圖和PCB圖4-1展示了其優(yōu)秀的人機(jī)交互界面。HPVO)丄程 2 HI'Ei 知"JS iMi他旣匱> 1 iZl 0 B cos:*舛|如金. 沾*仲：l-7j Vri QmIE-圖 4-1 Altium Desig ner win ter 09的界面圖形團(tuán) Zwp1T 7FTOISOHIMLM WF IOp? Am '圧PLL PL2pUQ POLpLJp02pL4 PL

16、J阿 EHpL4pL?RSTPl ft.lXD；EAVPPp3 LlTXD?ALE PROGpJ 2(1X17PSEN苗p! 41X35p3 5lX2?p J &HD |p24p3仲因p23MMSP22KTAL1間G沁車rc4.2原理圖的繪制在Altium Designer winter 09中，原理圖繪制是非常簡(jiǎn)單的一件事，只要從原理圖庫中找到對(duì)應(yīng)元器件的原理圖，直接放置就0K如果沒有現(xiàn)成的圖庫，自己畫一個(gè)也是很快的。如圖 4-2是用Altium Desig ner win ter 09畫的本次設(shè)計(jì)的整體原理圖。圖4-2 -12V雙極性穩(wěn)壓電源原理圖4.3 PCB封裝的添加與繪制把原

17、理圖畫完之后，檢查電氣連接是否正確，之后就需要給各個(gè)器件逐個(gè)加 上封裝，編輯各個(gè)器件的Pin屬性，確保不出現(xiàn)系統(tǒng)編譯錯(cuò)誤。好多器件封裝能 直接在PCB封裝庫里找到，但也有一些器件找不到，這就需要自己畫PCB封裝,建立封裝庫，并把它添加到 PCB封裝庫里邊。如圖4-3為自己畫的220V輸入端的PCB封裝，圖4-4為接線柱的實(shí)物圖圖4-3 220V輸入端PCB封裝圖 4-5 7812(7912) PCE封裝圖4-7電解電容PCE封裝圖4-4接線柱實(shí)物圖圖 4-6 7812 （7912）實(shí)物圖圖7-8電解電容實(shí)物圖4.4元器件排版PCB的生成全部封裝添加完成，進(jìn)行ERC檢測(cè)無報(bào)錯(cuò)后，直接生成PCB刪

18、除ROO空間, 進(jìn)行手動(dòng)元件布局，在不影響電路性能的基礎(chǔ)上，盡量使他們看上去合理、美觀。 圖4-7為元件布局圖。圖4-7元件手工布局效果圖4.5布線、覆銅及 DRC檢查排好版后，在布線之前，應(yīng)先進(jìn)行 PCE規(guī)則設(shè)計(jì)，主要對(duì)布線規(guī)則進(jìn)行設(shè)定，4-8所示：圖4-8 PCB規(guī)則及約束編輯器按照設(shè)計(jì)要求，和PCB設(shè)計(jì)規(guī)范，主要對(duì)走線寬度、布線優(yōu)先級(jí)及走線拓?fù)洳季值茸隽嗽敿?xì)的設(shè)定，其余的規(guī)則默認(rèn)系統(tǒng)設(shè)定。之后在PCB區(qū)域劃定允許走線范圍，進(jìn)行DRC檢測(cè)無誤后進(jìn)行自動(dòng)布線。如圖 4-9所示：圖4-9布線后的PCB檢查確認(rèn)連線無誤后，對(duì) PCE進(jìn)行覆銅，淚滴，最后PCB正反面圖如圖4-10所示及4-11所示

19、：圖4-10 PCB正面圖圖4-11 PCB反面圖DRC僉查截圖如圖4-12所示:Warnings :0Rule Violations :0CountT otislDesign Rule Verification ReportDate : 2013/6/25Time : 15:28:£I9Elapsed Time : 00:00:00Filena me : r：胡輻設(shè)計(jì)詁二謙程設(shè)計(jì)設(shè)POBPCB2. PebDocSummaryWdniingsCountIFEiiIp VinlafioniSWidth ConstFint （閘fPefwncl=：L-£5.rnnOWidth

20、Con£trei訥t （恫沖二 l52!£mmTifPr<?h?imi2（j=1.651mnO 口門比。比色匚。1丫）、Width Constraint fMin-0.762mm1!fPrefefied-1.143mm） （InNetC-V'll圖4-12DRC檢查截圖到此為主，一塊完整的了。圖4-13為3D仿真圖:PCB板可以說已經(jīng)繪制完成，下一步就可以投版制板圖4-13 3D仿真圖形5 仿真5.1 Multisim 簡(jiǎn)介Multisim 是一個(gè)專門用于電子線路仿真和設(shè)計(jì)的 EDA工具軟件，它界面形象 直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，引起了廣大電子設(shè)計(jì)工作者的關(guān)注， 并迅速得到推廣使用。 它仿真功能十分強(qiáng)大， 可幾乎 100%地仿真出真實(shí)電路結(jié)果， 而且在它的桌面上提供了各種各樣的電子工具，如萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器 和邏輯分析儀等，所以它不僅可以供電子設(shè)計(jì)工作者使用，也可以為教學(xué)實(shí)驗(yàn)使 用。圖 5-1 為 Multisim 11.0 界面截圖：圖 5-1Multisim 界面截圖5.2 Multisim 對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真經(jīng)過理論的計(jì)算，基本上確定了元器件的參數(shù)，但我們并不知道在具體電路 中我們根據(jù)理論依據(jù)所得到的值是否正確，用實(shí)際電