多路直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作

/課題一多路直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和制作任何一個電子設(shè)備都要由一組或多組高穩(wěn)定性的直流電源來供電，直流電源的作用之一是為各級電路中半導(dǎo)體器件供應(yīng)合適的偏置電壓，其次是作為整個電子電路的能源。目前直流電源最主要的獲得方法是將電網(wǎng)電壓的單相溝通電（220V，50Hz）經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓獲得。依據(jù)處理方法不同，直流電源可分為線性直流電源和開關(guān)型直流電源兩大類型。本課題主要針對線性直流電源中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源供應(yīng)設(shè)計方法。直流電源最重要的技術(shù)指標為輸出直流電壓，供應(yīng)最大的直流電流及最小的紋波電壓，這也是在設(shè)計直流電源時應(yīng)抓住的關(guān)鍵問題。各類集成直流穩(wěn)壓器目前已成為電源市場的主流產(chǎn)品，它的高性能、牢靠性及高性價比是分立元件直流穩(wěn)壓電路無法比擬的，在選擇設(shè)計方案時應(yīng)放在優(yōu)先的地位。設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計一個能同時輸出+12V，-12V，+5V的直流穩(wěn)壓電源，設(shè)計要求如下：(1)同時輸出3組直流電源，其中：12V、0.1V，+5V電源輸出電壓為5V、0.5V。（2）3組電源輸出最大直流電流均為200mA。（3）各組輸出紋波電壓均不超過2mA,內(nèi)阻均不大于0.1。（4）只允許AC220V供電，電源變壓器可依據(jù)設(shè)計要求干脆選用。要求按上述設(shè)計指標設(shè)計電路，并安裝調(diào)試達到設(shè)計要求。2．設(shè)計方案選擇圖3-1-1原理框圖依據(jù)設(shè)計要求，選擇總體方案的框圖如圖3-1-1所示。3．單元電路的設(shè)計整流電路的設(shè)計對于傳統(tǒng)的線性直流電源，整流電路的功能是將220V電網(wǎng)電壓降到合適的溝通電壓值，并將其變?yōu)閱蜗蛎}的電壓。為了提高效率、降低對整流二極管耐壓的要求，選擇的整流電路如圖3-1-2所示。圖3-1-2整流電路=1\*GB3①電源變壓器的選用圖中，電源變壓器Tr選用雙15V工頻變壓器，依據(jù)框圖3-1-1，當+12V和+5V直流電源同時供出200mA最大電流時，電源變壓器次級最小應(yīng)供應(yīng)400mA的電流，當有余量，選取的變壓器次級繞組應(yīng)供應(yīng)最大500mA的輸出電流，功率不小于15=15W,若考慮功率損耗，則容量應(yīng)更大一些。電源變壓器可通過外購或定制，不在本課題的設(shè)計范圍之內(nèi)。=2\*GB3②整流二極管的選取圖3-1-2中，變壓器中心抽頭接地，干脆和后級的分壓電路公共端點相接，則整流電路實質(zhì)上是兩個全波整流電路的組合，但在參數(shù)設(shè)計時仍可把它看成是一個橋式整流，只不過變壓器的輸出電壓應(yīng)為215V=30V。由上，整流二極管的選擇如下：整流二極管的最大正向電流IF：由前，電流正常工作時需輸出的最大電流為400mA。考慮到電路一般選用電容濾波，浪涌電流往往是一般電流的1.5~2倍，在選擇整流二極管時應(yīng)當有足夠的裕量，一般取IF1.2Iomax,故整流二極管的If應(yīng)取大于等于500mA。整流二極管的反向擊穿電壓URM:對于橋式整流，當負載開路時能承受的最高反向電壓應(yīng)為，即15V=42.3V。再考慮電網(wǎng)電壓的正常波動，為保證二極管平安應(yīng)用，應(yīng)選擇整流二極管的反向耐壓至少應(yīng)大于50V。由上，查晶體管手冊，塑封整流二極管1N4001，最高反向工作電壓URM50V,額定整流電流IF=1.0A，可以滿足本電路要求。整流二極管也可選用二極管整流橋，它是接受泵膜工藝將4只整流二極管按電橋電路連接封裝在一起，只有輸入，輸出4只管腳供用戶運用，如選擇1CQ100V0.5A的二極管整流橋，其最高反向電壓為100V最大輸出電流為500mA，可滿足本電源電路的要求。濾波電路的選擇電源濾波電路的功能是將整流后的單向脈動電壓進行平滑，削減脈動成分，保留直流成分，一般利用電容、電感的儲能作用，明顯是一種低通濾波電路。由于本電源輸出最大電流只有400mA，屬于小功率電源，一般選用簡潔的電容濾波電路如圖3-1-3所示。圖中，C1為濾波電容，它的作用如圖3-1-4所示，利用電容的儲能作用，在使UO1的波形平滑的同時可以提高輸出電壓的平均值。圖3-1-3濾波和分壓電路圖3-1-4橋式整流電容濾波電路波形圖C1選擇原則：=1\*GB3①耐壓的選擇：由于C1的容量往往較大，毫無例外的選用鋁電解電容，鋁電解電容的優(yōu)點是容量大、價格低，缺點是正、負極不能接錯，且耐壓較低，一旦極性接錯或工作電壓超過標定的耐壓值，電容將被擊穿。C1承受最大電壓是發(fā)生在負載開路，且電網(wǎng)電壓波動到最高時濾波器輸出電壓值，即UO2max=46.7V式中1.1系數(shù)指電網(wǎng)電壓正常波動的上限+10%而設(shè)定的。由上C1應(yīng)選耐壓不低于46.7V的鋁電解電容，取系列值為耐壓50V。=2\*GB3②C1電容量的計算由于電網(wǎng)電壓波動及負載的影響，嚴格計算C1的電容量較為困難。如圖3-1-4所示，依據(jù)電容充放電規(guī)律，則有式中為電容充放電而引起的的變更量，10ms為電網(wǎng)電壓的半個周期。即在電容電壓由U2放電到UO2min的T2時間，因T2》T1，故取T2=10ms。IO為整流電路供應(yīng)負載的最大電流，應(yīng)理解為IOmax,本電路為500mA。的計算較為繁瑣，一般實行閱歷方法選取C1的電容量，由于后級均接受高性能的集成穩(wěn)壓器，紋波抑制比很高，再加上本電源的供應(yīng)電流只有500mA。若取C1=1000uF，一般可達到內(nèi)阻0.1及紋波電壓不超過2mV的要求，若在調(diào)試中達不到設(shè)計要求，可適當加大C1的容量。由上取C1為1000uF，耐壓大于等于50V的鋁電解電容。（3）直流分壓電路如圖3-1-3中的C2、C3，接受電容分壓，主要目的是將濾波后的直流電壓分為正負兩組，供應(yīng)正穩(wěn)壓器和負穩(wěn)壓器的輸入直流電壓。因濾波后的直流電壓值約為UO2=2,若取C2=C3，則UO3=18V，UO4=-18V，滿足集成穩(wěn)壓器輸入電壓的要求。（4）12V直流電源的電路選擇及參數(shù)確定穩(wěn)壓電路的功能是將整流濾波后的直流電壓進行穩(wěn)壓，以達到所需的直流電壓值，且減小電網(wǎng)電壓的波動及負載的變更對輸出電壓的影響。關(guān)鍵性的技術(shù)指標為穩(wěn)壓系數(shù)、輸出內(nèi)阻及紋波系數(shù)。穩(wěn)壓系數(shù)主要反映電網(wǎng)電壓波動造成整流、濾波后直流電壓的波動對輸出電壓的影響；輸出內(nèi)阻則反映當負載發(fā)出變更時輸出電壓的穩(wěn)定程度；輸出紋波電壓的大小反映穩(wěn)壓電路本身的紋波抑制實力。依據(jù)設(shè)計要求，穩(wěn)壓電路應(yīng)選用三端穩(wěn)壓器來完成。對于12V兩組直流電源，電壓均為標稱值，可選用三端固定式穩(wěn)壓器。如CW7812、CW7912，但設(shè)計要求輸出電壓的最大誤差為0.1V，對于78，79系列，正常誤差最大到達0.25V,難以達到設(shè)計要求，可以接成可調(diào)形式，但流向公共端的電流較大，且穩(wěn)定性下降。綜上，確定選用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器CW117/217/317（正可調(diào)），CW137/237/337（負可調(diào)），其最大優(yōu)點是公共端電流IADJ只有50uA，且供應(yīng)的基準電壓為1.25V，穩(wěn)定性明顯高于固定式。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的性能參數(shù)如下表3-1，表3-2。表3-1CW137/237/337電參數(shù)規(guī)范（Vi-V0=5V,I0=500mA,Tjmin<=Tj<=Tjmax)參數(shù)名稱符號測試條件規(guī)范值單位CW117/217CW317最小典型最大最小典型最大電壓調(diào)整率Sv3V<=(Vi-V0)<=40VTA=25攝氏度0.010.020.010.04%/V3v<=(Vi-V0)<=40V0.020.050.020.07電流調(diào)整率SI10mA<=I0<=I0maxTa=25攝氏度Vo<=5V515525MVVo>=5V0.10.30.10.5%V010mA<=I0<=I0maxVo<=5V20502070MVVo>=5V0.310.31.5%V0調(diào)整端電流Iadj510050100uA調(diào)整端電流變更△adj2.5V<=(Vi-V0)<=40V10mA<=I0<=I0maxPc<=Pm0.250.25uA基準電壓Vreg23V<=｜Vi-V0｜<=40V10mA<=I0<=I0maxPc<=Pm1.21.251.31.21.251.3V最小輸出電流Iomin｜Vi-V0｜<=40V3.553.510mA紋波抑制比SripVo=10V100HECadj=06565dBCadj=10uF66806680輸出電壓溫交融StTjmin<=Tj<=Tjmax0.70.7%V最大輸出電流Iomax｜Vi-V0｜<=15VPc<=Pm1.52.21.52.2A｜Vi-V0｜<=40VTj=25攝氏度Pc<=Pm0.30.40.150.4輸出噪聲電壓VnTa=25攝氏度10HE～10KHE有效值0.030.03%V長期穩(wěn)定性StTa=125攝氏度Tj=Tjmax0.310.31%1000h表3-2CW137/237/337電參數(shù)規(guī)范（｜Vi-V0｜=5V,I0=500mA,Tjmin<=Tj<=Tjmax參數(shù)名稱符號測試條件規(guī)范值單位CW137/237CW337最小典型最大最小典型最大電壓調(diào)整率Sv3V<=｜Vi-V0｜<=40VTA=25攝氏度0.010.020.010.02%/V3v<=｜Vi-V0｜<=40V0.020.050.020.07電流調(diào)整率SI10mA<=I0<=I0maxTa=25攝氏度15251520MV0.10.30.10.05%V010mA<=I0<=I0maxTa=25攝氏度20502070MV0.310.31.5%V0調(diào)整端電流Iadj6510065100uA調(diào)整端電流變更△Iadj2.5V<=｜Vi-V0｜<=40V10mA<=I0<=I0maxPc<=PmTA=25攝氏度2525uA基準電壓VregTa=25攝氏度-1.23-1.25-1.3-1-1.25-1.3V23V<=｜Vi-V0｜<=40V10mA<=I0<=I0maxPc<=Pm-1.2-1.25-1.3-1-1.25-1.3最小輸出電流Iomin｜Vi-V0｜<=40V2.552.510uA｜Vi-V0｜<=10V1.2326紋波抑制比SripVo=10V100HECadj=06060dBCadj>=10uF66776677輸出電壓溫交融StTjmin<=Tj<=Tjmax0.60.6%V最大輸出電流Iomax｜Vi-V0｜<=15VPc<=Pm1.52.222.2A｜Vi-V0｜<=40VTj=25攝氏度Pc<=Pm0.240.400.4輸出噪聲電壓（RMS)VnTa=25攝氏度10HE～10KHE0.030.03%V0長期穩(wěn)定性StTa=125攝氏度1000h0.310.31%選擇電路形式如圖3-1-5所示。圖3-1-5±12V穩(wěn)壓電路電路圖圖中R1、RP1及R2、RP2組成可調(diào)輸出的電阻網(wǎng)絡(luò)。為了能使電路中偏置電流和調(diào)整管漏電流被吸取，所以設(shè)定R1和R2為120，通過R1（R2）所泄放的電流為5~10mA。輸入端外接電容C2和C3有利于提高紋波抑制實力，輸出端外接C4、C5能消退震蕩，確保電路穩(wěn)定工作。和CW78XX、CW79XX不同，三端可調(diào)式穩(wěn)壓器一般取C2=C3=0.1uF,C4=C5=1uF。圖3-1-5電路的輸出電壓為：VO=1.25V（1+）+IDRP1若取R1=240，忽視ID的影響，則RP1=（VO/1.25-1）R1，令Vo=12V,則RP1=（12/1.25-1）。取RP1為2.2的電位器，接法如圖所示，ID=IADJ=50uA則IDRP1=,這是一個固定誤差。而IADJ最大只有5uA，因其變更而造成的輸出電壓變更只有0.011V，在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。同樣取R2=R1=240，RP2=RP1=2.2（電位器）以保證正負電源的對稱性。（5）+5V直流電源的電路選擇及參數(shù)確定依據(jù)設(shè)計要求及圖3-1-1方框圖，+12V電源除供應(yīng)200mA的一組直流電源外，還要經(jīng)過二次穩(wěn)壓，輸出200mA，+5V0.5V一組直流電源。電路的選擇方案有二，其一是利用穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓，如選用大功率穩(wěn)壓二極管3DW系列，最大電流可達1A左右，但由于穩(wěn)壓二極管所加限流電阻，內(nèi)阻一般在幾至幾十，難以達到設(shè)計要求。方案二是接受三段固定式集成穩(wěn)壓器CW7805，通過+12V進行二次穩(wěn)壓，完全可以達到設(shè)計要求。CW7805的電參數(shù)規(guī)范如表3-3。表3-3CW7805/CW7805C電參數(shù)規(guī)范參數(shù)名稱符號測試條件（注）規(guī)定值單位CW7805CW7805C最小典型最大最小典型最大輸入電壓Vi10V輸出電壓Vo5mA≤Io≤1.0APc≤15W4.655.005.354.755.005.25VVi=8～20VVi=7～20VIo=500mA,Ti=254.805.005.204.805.005.20V電壓調(diào)整率Sv(△Vo)Io=500mATi=251.0252.050mV8V≤Vi≤12VIo=500mATi=252.0507.0100mV7V≤Vi≤25V電流調(diào)整率SI(△Vo)5.0mA≤Io≤1.5ATi=25℃255040100mV250mA≤Io≤750mATi=258.0251550靜態(tài)工作電流IDIo=500mA,Ti=253.264.38.0mA靜態(tài)工作電流變更△ID5.0mA≤Io≤1.0A0.040.50.5mAIo=500mA0.30.81.3Vi=8～25VVi=7～25V紋波抑制比SripIo=500mA,f=100HZTi=25687568dB8V≤Vi≤18V最小輸入-輸出壓差︱Vi-Vo︱minIo≤1.0A,Ti=252.02.52.0V輸出噪聲電壓VN10HZ≤f≤100KHZTi=25104010uV輸出阻抗Zo1.0KHZ1717m峰值輸出電流IomaxTi=251.32.53.32.2A輸出電壓溫度系數(shù)STIo=500mA,Timin～Timax±0.6-1.1mV/℃注：加足夠散熱片，Tc=25℃時允許功耗PM≥7.5W圖3-1-6+5V直流電源電路圖電路選擇如圖3-1-6所示。圖中為了改善紋波特性，在輸入端加接電容C6，一般取值為0.33uF，并緊接在產(chǎn)品的輸入端；在輸出端緊接電容C7，這樣可以改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取0.1uF。圖中，=1\*GB3①腳為穩(wěn)壓器的輸入端，=3\*GB3③腳為輸出端，=2\*GB3②腳為公共端。應(yīng)用時=1\*GB3①腳和=3\*GB3③腳的壓差應(yīng)大于2V。4.總電路圖多路直流穩(wěn)壓電源的總電源理圖如圖3-1-7所示。圖3-1-7多路直流電源總電原理圖圖中C6、C7、C10為各組電源輸出端并接的濾波電容，可進一步抑制各電源輸出的紋波電壓，提高紋波抑制比。因濾除的對象為100HZ的紋波，一般取值在100uF～220uF之間，本設(shè)計取值均為100uF,耐壓15V的鋁電解電容。5．試驗和調(diào)試⑴按圖3-1-7電路圖中元器件的規(guī)格、型號、數(shù)量配齊元器件，準備進行樣機的安裝和調(diào)試。電路可接受多功能板進行焊接，也可在面包板上進行插裝。無論接受哪種方式，首先要依據(jù)變壓器、元器件的實際尺寸進行合理的布局，以保證安裝后的樣機結(jié)構(gòu)緊湊，元器件擺放合理，調(diào)試便利，尤其要留意變壓器、二極管電橋的固定和焊接。=2\*GB2⑵安裝、調(diào)試方法有兩種，一種是整體安裝，集中調(diào)試，即依據(jù)總電路圖一次性的安裝完畢，再通電調(diào)試、測試，對個別元器件參數(shù)進行個別調(diào)整，只至達到設(shè)計要求。另一種方法是諑數(shù)安裝、調(diào)試，如本電源電路，第一步安裝整流、濾波、分壓電路，經(jīng)測試使整流、濾波后的直流電壓達到理論值2U2后，再看C2、C3電容分壓后接到的正負電壓是否基本相等。前級基本達到設(shè)計要求后再安裝穩(wěn)壓部分。CW317、CW337可以同時裝接，也可以先安裝其中一個，如先裝CW317及其外圍電路，調(diào)RP1看輸出直流電壓是否變更，直至調(diào)到+12V，再裝接CW337及其外圍電路，調(diào)RP2使輸出達到-12V，最終再安裝CW7805,使輸出電壓達到正常值。在安裝、調(diào)試過程中若出現(xiàn)不正常現(xiàn)象，應(yīng)剛好切斷電源，分析、檢查故障現(xiàn)象，找出故障緣由并解除后再接通電源。電源電路在安裝調(diào)試過程中最常見的錯誤有：=1\*GB3①電源變壓器次級繞組中間抽頭沒有接地，造成穩(wěn)壓器輸入電壓異樣，甚至燒壞；=2\*GB3②濾波電容C1的極性接錯或耐壓不夠，造成C1過熱，甚至擊穿；=3\*GB3③CW317、CW337、CW7805的管腳接錯造成穩(wěn)壓器損壞；=4\*GB3④電位器RP1、RP2活動端、固定端接錯或阻值不夠等等。對于初學(xué)者，建議接受諑數(shù)安裝、調(diào)試方法。=3\*GB2⑶調(diào)試、測量、數(shù)據(jù)處理及分析電路安裝并初測使電路基本正常工作后，接下來的任務(wù)是對電路進行細調(diào)并測量各級電路參數(shù)，分析是否達到設(shè)計要。若某一項指標達不到設(shè)計要求，要重新進行調(diào)整直至更換元器件，使之諑一達到設(shè)計要求。能否達到設(shè)計要求是以測試的數(shù)據(jù)為準，測試儀器、儀表選擇是否合理，測試方法是否正確，測量的數(shù)據(jù)是否具有牢靠性甚為重要。電源電壓所用的測量儀器、器材只有數(shù)字萬用表、示波器、溝通毫伏表、大功率負載電阻或電位器等，測試步驟分為空載和有載兩種狀況。所謂空載指各組電源均不接負載，輸出直流電流IO=0；所謂有載指加接負載后使電源輸出直流電流達到額定值，如+12V電源，空載時調(diào)RP1使輸出電壓為12.00V，并測量各級各點電參數(shù)。接上電阻負載使輸出直流電流達到400mA，即加上30功率電阻后，再測量輸出電壓、輸出紋波電壓，直至整流、濾波各級的電壓，以此分析紋波電壓輸出內(nèi)阻是否達到設(shè)計要求。下面以某同學(xué)對圖3-1-7電源電路安裝、調(diào)試所測數(shù)據(jù)來說明數(shù)據(jù)處理及分析的基本方法。=1\*GB3①測試儀器、器材的選用及測試環(huán)境測試儀器：三位半數(shù)字電壓表DT9802一只、雙蹤示波器CA9040A一臺。功率負載：3010W線繞電阻一只，605W大功率電阻一只、301W電位器一只。=2\*GB3②空載測試（各組電源均不接負載）接通電源，予運行5分鐘后，調(diào)RP1使正12V的電源輸出為12.00V，調(diào)RP2使負電源輸出為-12.00V（DT9802直流電壓至20V檔），并測得CW7805輸出電壓為5.02V。用萬用表測得電源變壓器輸出溝通電壓2U2=30.2V，濾波電容C1上的直流電壓UCm1=36.8V，經(jīng)C2、C3分壓，測得UC2=19.0V，UC3=-17.8V。用示波器觀測各級的紋波電壓峰值為Ucm1=36mV,Ucm2=Ucm3=18mV,+12V輸出紋波電壓Uom1=0.2mV,-12V輸出U0m2=0,+15V輸出紋波電壓Uom3=0。=3\*GB3③對三組電源分別接上額定負載，并調(diào)+5V電源的負載電位器使阻值為25，保證CW7805輸出為額定電流200mA。這時用DT9802和CA9040A分別測得數(shù)據(jù)如下：2U2=30.0V,UC1=35.6V,UC2=18.0V,UC3=17.6V,Ucm1=220mV,Ucm2=130mV,Ucm3=90mV,Uom1=1.8mV,Uom2om3=0.5mV,各組直流電壓輸出為Uo1=