电源设计作者:1111111111111辅导教师：1111111111111111摘要就像水是人的生命之源，电源则是电路的能量来源。本文设计制作了一个集 稳压、稳流、DC-DC变换和变频于一体的高稳定电源。采用TL494组成的降压 型DC-DC稳压电路和LM324组成的线性稳压电路组成稳压电路，LM324组成 稳流电路，DC-DC变换电路由TL494和高频电压器构成，变频则由单片机控制, 通过软件实现。采用 LCD12864 液晶显示主芯片温度和输出电压，数码管显示输 出电流.本电源功能全面，输出稳定可调，在工业生活中具有很大用途。关键字：稳压 稳流 DC-DC 变换 变频一、引言电源作为电路的能量来源，在电路中起着关键作用。设计并制作交流变换为 直流的稳定电源并进行变频电源设计,要求如下：（1）基础部分 稳压电源.在输入电压220V、50Hz电压变化范围+ 15%20%条件下:a. 输出电压可调范围为+9V+12Vb. 最大输出电流为1.5Ac. 在输入电压220V变化范围+ 15%一20%下，空载到满载的电压调 整率0.2%d. 最低输入电压下，满载的负载调整率1%e. 最低输入电压下，满载时，纹波电压（峰一峰值）5mVf. 输出电压9V、输入电压220V下，满载时，效率40%g. 具有过流及短路保护功能 稳流电源。在输入电压固定为+ 12V的条件下：a. 输出电流：420mA可调b. 输入电压+12V、负载电阻由200Q300Q变化时，负载调整率1% （输出电流为20mA） DCDC变换器。在输入电压为+9V+12V条件下：a. 输出电压为+100 V,输出电流为10mAb. 输入电压变化范围+9V+12V下，电压调整率1%c. 输入电压+12V下，空载到满载，负载调整率1%d. 输入电压+9V下，满载，纹波电压（峰一峰值）100mV 对输出电压进行变频设计。使输出电压频率在（ 25hz75hz 之间变化）， 并能显示频率变化。(2) 发挥部分 扩充功能a. 排除短路故障后，自动恢复为正常状态b. 过热保护c. 防止开、关机时产生的“过冲” 提高稳压电源的技术指标a. 提高电压调整率和负载调整率b. 扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值 改善DC-DC变换器a. 提高效率(在100V、100mA下)b. 提高输出电压 用数字显示输出电压和输出电流。二、方案设计1。设计思路在接入市电下，先制作稳压电源稳定输出电压范围在+9V+12V;然后制作 稳流电源，在稳定输入电压为+12V下，输出稳定电流范围420mA可调；第三步 制作DCDC变换器，在输入电压为+9V+12V条件下，输出电压+100V,输出 电流10mA;最后用单片机以软件实现变频设计。在稳压部分增加线性稳压模块可 有效降低电压调整率和负载调整率，采用集成芯片可提供过流、过压保护。采用 温度传感器结合软件实现过热保护电源关键在于输出纹波尽量小，带负载能力 尽量大，所以整个设计主要围绕这两方面进行。系统框图如下图1所示：图1总系统框架图2。方案论证与选择(1) 稳压电源方案论证与选择方案一：从滤波电路输出后，直接进入线性稳压电 路。系统框图如下图2所示。线性稳压电路输出值可 调，输出为+9V+12V直流电压。这种方案优点在于: 电路简单，容易调试，但效率上难以保证，因为线性稳 压电路的输入端一般为15V左右的电压，而其输出端 只有912V，两端压降太大，功率损耗大，不利电路总效率。方案二：以方案二为基础，在线性稳压电路的前端加入降压型DCDC变换 器，采用脉宽调制(PWM)技术和恒压差控制技术，系统框图如图3所示。在这 种情况下，通过DC-DC变换器把不稳定的直流电压转变为稳定的直流电压，由于 采用脉宽调制技术和恒压差控制，使得线性稳压电路两端压差减小，有效降低功耗。另外，因为使用脉宽调制，很容易进行过流、过热和自保恢复.图3方案二系统框图综合比较，方案二更加满足要求。(2) 稳流电源方案论证与选择方案一：采用双运放构成恒流电路。这种方案利用运放构成一个深度负反馈 电路，能够有效抑制外界干扰，使得恒流电源工作稳定性增强。方案二：采用LM317集成芯片构成基准电压源.将LM317的3端与1端之间 固定压降为1。25V,流经固定电阻后产生稳定电流。综合比较，考虑LM317集成度非常高，不利于实行项目自我设计，因此选 方案一。(3) DCDC变换器方案论证与选择方案一：采用Boost型DCDC升压器。这种方案虽然容易实现，但是不适合 自行设计，输出/输入电压比也太大，输出电压范围小滩以达到较高指标。方案二：采用带变压器的开关电源.采用高频电压器，可以做到输出电压宽， 开关频率和占空比合适。(4) 显示器的论证与选择方案一：采用七段数码管显示。数码管，显示大亮度高，驱动部份的软件简 单，但是耗电和功耗比较大。题目要求最高显示6位数码，对数码管而言硬件电 路较复杂，还要显示万年历，因此数码管不适合完成此功能。方案二：采用LCD12864液晶显示。12864是一种图形点阵液晶显示器，它主 要由行驱动器/列驱动器及128X64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示， 也可以显示8X4个(16X16点阵)汉字。具有很好的人机界面.综合比较，考虑到需显示的量比较多，因此同时采用方案一和方案二。12864 主要显示温度、输出电压和频率，数码管显示输出电流。3系统硬件电路设计(1)整流滤波电路整流滤波电路将220V/50HZ的交流电压转换成直流 电压.电路原理如图4所示。当输入为220V交流电压时， 首先通过变压器降至23V左右交流电压，整流部分选用 全波桥式整流电路形式，经电容滤波输出电压为29V直 图一变压整流痣波电路 流电压。(2)稳压电源电路PWM降压型开关稳压电路：采用集成芯片TL494为控制核心，其他由PNP型 大功率开关管TIP32A、二极管MR850和LC低通滤波电路组成.电路原理图如下 图5所示.TL494产生固定开关频率控制大功率开关管TIP32导通与断开，开关 管导通期间，二极管MR850反偏，由输入提供能量给电感，同时提供能量给负载。 当开关管断开时，电感电压使二极管导通，电感中存储的能量传送给负载.开关电源的开关频率由TL494上引脚端5和6上的电容C和电阻R决定,关系式为TTf -1.1OSC R x CTT选取开关频率fosc =l.lMHz，则选取电阻R =1K，电容C =1000PoTT电容C和电阻R到输入地接一 0.1Q的电阻，达到限流保护的作用。 线性稳(压电路:在降压型开关稳压电路的基础上,实现线性高精度稳压，以降低纹波，提高电压调整率和负载调整率线性稳压电路由稳压管TL431 (2.5V)、 比较器(LM324)、达林顿管MJE3055和电阻反馈网络组成.电路原理如下图6所 示.稳压管产生一个基准电压2.5V,接比较器同向输入端，输入电压经电阻网络 分压反馈至比较器方向输入端进行比较，比较输出电压控制达林顿管的发射极电压，从而得到所需高稳定直流电压。输出电压为“ V x(R + R + R )V REF 1 P2R + R2 P取R =3K，R =1K，则调节电位器R可使输出V在+9V+12V可调。12PO(3) 稳流电源电路稳流电路主要由双运放LM324构成。电路原理如下图7所示。输出级LM324的同向电压V和反向电压V分别为PNV x RO1R + R12V X RV X RV = R4 + O3-p R + RR + R3434根据放大器特性，V = V，取V -V二V，则R上的压降(V -V )等于基准电压 P NO O R5O OV，计算得到R = R = R = R 则输出电流为R1234S 7 DC DC原理图4ire图8 TL494控制的升压型开关稳压电路调节电位器可得到输出电流范围420mA。4 ) DCDC 变换器由路升压型开关稳压电路的工作原理如图7所示。开关管导 通时，输入电流流过电感和开关管，二极管反向偏置，无输出。 当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通，二极管正 偏，输入向负载提供能量。DCDC变换器(升压型)以TL494为控制核心，以功率晶体管IRF630、整流二极管HER107和高频变压器，以及阻容元件构成。TL494内部结构见附件2, 电路原理如图8所示。TL494产生一定频率PWM波，控制功率晶体管导通和截止. 当IRF630受控导通时，高频变压器将电能转变成磁能储存起来，当IRF630截止 时，高频变压器原、副边电压极性改变，HER107由反偏变为正偏导通，高频变 压器将原先储存的磁能转变为电能，通过整流和LC滤波网络变成直流向负载供 电。TL494产生开关频率控制功率晶体管，并且产生基准电压V。输出电压为REFV X(R + R + R )V REF 11 w12OutR + R12 W取R =100K, R =25K,调节电位器R =3.125K,则可计算得输出电压V =100V。1112WOut高频变压器：变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通 有交流电变压器原理图流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压 (或电流)。变压器由铁芯和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电 源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。市面上很难买到适合题目要求的 高频变压器，因此我们选择自己绕制。输入电压最小值Vin=9V，最大占空比Dmax=O。45,要求输出电压U=100V, 电流l=10mA,得变压器功率P 二 U x I 二 100 x 0.01 二 1WO取f=40KHz,则变压器绕阻电感量L = VinXmax =9xo。45/ (0。01 x40000) =10.1mHPI x f匝数比 N1N2 =-Dmax /(D x V )=(100+1)x (1-0.45) /(0.45x9)max in=13(5) 单片机模块A/D转换器:采用AT89S52单片机作为A/D和显示的控制中心,A/D转换的作 用是进行模数转换,把接收到的模拟信号转换成数字信号输出 .该设计运用的是 AVR单片机内部10位A/D转换器,A/D转换器的位数确定与整个测量控制系统所 需测量控制的范围和精度有关,系统精度涉及的环节很多,包括传感器的变换精 度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。A/D转换器的原理图如附 件3所示。温度传感器：温度传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装 置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信 号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和 控制等要求.温度检测采用DS18B20温度传感器.DS18B20的温度检测与数字数据 输出全集成于一个芯片之上,从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部 分,即温度检测和数据处理.红外遥控:红外遥控是将一个由“1”、“0组成的指令串,被调制成 38KHz 的脉 冲段，经放大后，由红外发射管发射。接收端由红外接收管、选频在38KHZ的放 大