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12V直流稳压电源设计

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内容摘要
直流稳压电源是能够保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压的常用的电子设备[1]。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。本设计采用三端集成稳压器，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现12V电压稳定输出。
关键词：12V，直流电源，稳压

目录
内容摘要 I
引 言 3
第1章 直流稳压电源 4
2 硬件电路 5
2.1 设计要求 5
2.2 电路设计 5
2.1 电源变压器 5
第3章 开发环境 11
第4章 总结 12
参考文献 13

引 言
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载直流稳压电源的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源等等[1]。
根据调整管的工作状态，我们常把直流稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。线性电源产品可广泛应用于科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等。
开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线形电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域

第1章 直流稳压电源
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成[2]，如图1所示。

图1 直流稳压电源框图
其中：
① 电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
② 整流电路：整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
③ 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。各滤波电容C满足RC＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
④ 稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
第2章 硬件电路
2.1 设计要求
直流稳压电源的基本功能和要求如下：
(1)输出电压值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作。
(2)输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。
(3)直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。
(4)对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。
(5)对于输出电压之和电流值有精准要求的直流稳压电源，一般要用多圈电位器和电压电流微调电位器，或者直接数字输入。
(6)要有完善的保护电路。直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作。
本设计的直流稳压电源的主要技术指标：
① 输入电压交流220v，输出直流电压Uo=12v
②输出电流Io=1A
2.2 电路设计
2.1 电源变压器
在电容滤波的整流电路中，变压器次级线圈除供给负载电流外，还要向电容充电。由于充电时的电流瞬时值很大，因此通过变压器次级线圈的电流平均值虽然等于I=，但通过变压器次级线圈的有效值I2要比I=大，I2和I=的关系决定于电流脉冲波型的形状，波型愈小，有效值愈大。一般取：

由于一般这种整流电路后面都要用稳压电路，因此以上估算已能解决实际问题，而没有必要再作繁琐的精确计算。
2.2.1 整流电路
整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。
采用二极管单相全波整流电路如图2所示。

图2 单相全波整流电路
在u2的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；u2的负半周内，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。

图3 整流电路输出波形
流过每个二极管的直流电流

有载时的直流输出电压：

故变压器次级线圈电压的有效值：

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。

可根据ID和值选二极管。可选用整流二极管IN4004（标准整流电流为1A，最大反向工作电压为400V）。
2.2.2 滤波电路
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。
选择电容滤波电路，直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)U2
直流输出电流：
I2是变压器副边电流的有效值。
RLC(RL为负载阻值)越大，电容器放电越慢，输出电压平均值越大。一般可选放电时间常数RLC大于C的充电周期(3~5)倍[3].对桥式整流来说,C 的充电周期等于交流电网周期的一半，即

，设计选取
式中，为流电周期，RL为负载电阻，

取
所以
电容耐压=1.414*10=14.14V
2.2.3 稳压电路
前面所讨论的整流滤波电路，都是不能保证输出稳定的直流电压。输出电压不稳定的主要原因有以下几个方面：
经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性仍比较差。其原因主要有以下几个方面：
1、由于输入电压不稳定（通常交流电网允许有±10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；
2、由于整流滤波电路存在内阻，当负载变化时，引起负载电流发生变化，使输出直流电压发生变化；
3、由于电子元件（特别是导体器件）的参数与温度有关，当环境温度发生变化时，引起电路元件参数发生变化，导致输出电压发生变化；
4、整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份，不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。
所以，为了得到输出稳定的直流电压，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。
本设计选用固定式三端稳压器。W78xx/W79xx。其中，78系列输出正电压，79系列输出负电压，xx代表所能稳定输出的电压值。它们有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设定的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。
文中选用W7812三端正电源稳压电路，输出稳定+12v电压；选用W7912三端负电源稳压电路，输出稳定的-12v电压。
具有如下特点：
（1）短路电流230mA,峰值电流2.2A，但是当输出电流超过1.5A时，就需要提供足够的散热片；
（2）输入电压极限值35v，输出电压典型值为12V，最大值12.6V；
（3）热过载保护；
（4）短路保护；
（5）输出晶体管安全工作区保护；
78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：
（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；
（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；
（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。
其封装电路如图4所示。

图4 W7812/W7912引脚图
其中，对于W7812：1端为输入端，2端为公共端，3端为输出端。对于W7912：1端为公共端，2端为输入端，3端为输出端。
输出+12V和-12V电压的稳压电路图如图5所示。

图5 稳压器电路
其中，正常时，输入与输出之间的电压不得低于2v。
Ci、Co用于实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰。
2.2.4 直流稳压电路整体图
直流稳压电路图如图6所示。

图6 直流稳压电路图
电压观察电路如图7所示。

图7 电压测量电路
通过电压测量接口来测量稳压电路输出电压值。

第3章 开发环境
PROTEL系列软件是澳大利亚Altium公司（原名Protel公司）的产品，早期版本用于设计PCB,后来增加了绘制电路原理图的功能，再后来又增加了电路仿真功能和可编程器功能[4]。PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
Protel 99 SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 98大体相同，新增加了一些功能模块。采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel 99 SE是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99 SE设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。
Protel 99 SE的界面如图9所示。

图9 Protel 99 SE界面

第4章 总结
通过本次毕业设计,我用自己所学的专业知识结合同学意见完成了实物，并且达到满意的效果。更深入的了解了模拟电路、数字电路、Protel 99 SE等课程学到的知识，进一步了解了PCB板的制作，更能熟练的应用Protel 99 SE软件弥补很多以前没注意到的地方，通过本次学习收获不少；进一步提高了硬件软件结合的产品设计与开发能力。
在指导老师们的辛勤指导下,在同学的帮助下,通过近一段时间的努力,终于将直流稳压电源制作完成了。让我感觉到所学的知识能得到很好的应用，巩固了所学的专业知识，增强了自己的动手能力，在制作计的过程中学到了很多东西。
在过程中我得到过很多同学的帮助，以及指导老师的意见，使得我的毕业设计圆满完成。感谢所有帮助过我的老师和同学。我相信有这些只是的积累，以后的硬件设计道路可以走的更远。

参考文献
[1] 金霞．基于Protel的直流稳压电源的计算机仿真．计算技术与信息发展，2010(4)
[2] 王鸿麟．直流稳压电源的原理和设计．北京：人民邮电出版社，1981
[3] 王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2005
[4] 顾滨，赵伟军．Protel 99 SE实用教程（第二版）．北京：人民邮电出版社，2008