1 總體電路設計1.1 設計要求和整體電路圖1.1.1 設計任務分析該設計課題要求有三檔直流電源輸出，分別為±12V、+5V、+3～+9V三種不同的電壓值并且采用220V交流供電，初步設想需要變壓器，使220V交流轉換成低電壓交流信號再經過整流電路，將交流信號轉變?yōu)橹绷餍盘?，最后經過濾波與穩(wěn)壓，最終輸出三檔直流信號，達到設計的初步要求在設計過程中，紋波電壓△Vop-p≤5mV是十分難辦到的，需要在濾波過程中注意1.1.2 整體電路圖根據設計任務，電路流程圖如下：圖1.1–1各流程模塊輸出電壓波形：圖1.1–2流程圖模塊說明：電源變壓器:將交流電網電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3濾波電路:將脈動直流電壓u3轉變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4穩(wěn)壓電路:清除電網波動及負載變化的影響，保持輸出電壓uo的穩(wěn)定1.2 電路方案選擇1.2.1 采用分立元件與集成穩(wěn)壓器件的比較集成穩(wěn)壓電源中，集成電壓調整器和開關電源集成控制器的電路形式與分立元件電路路大體相同，例如，串聯線性集成電壓調整器基本上也是由取樣、比較放大、基準源、調整電路等部分所組成，但作為集成電路還有一些使串聯線性集成電壓調整器在電路形式上與分立元件電路有所不同的特點：一、在集成電壓調整器的電路中，比較放大部分均采用對稱性好、溫漂小的差動放大電路，以利于提高其質量。

二、集成電壓調整器的輸出功率大都超過1W，所以，它是一種功率集成電路要使它具有良好的技術性能，熱效應是一個必須考慮的重要因素這就要求在基準電壓源(參考電壓源)設計時，必須設置零溫度系數的輸出基準電壓(或參考電壓)三、集成電壓調整器的電路小，除限流、短路、安全工作區(qū)等保護外，為防止熱破壞，還應有熱保護電路，即熱關斷電路四、因為就集成電路而言，多增加幾只晶體管并不難，因此，為了提高其電性能，往往把集成電壓調整器的電路設計得比分立元件電路稍微復雜一些五、為了擴大應用范因，在集成電壓調整器的電路設計中，必須考慮使其具有外接元件的靈活性六、由于集成電路自身的特點，在進行電路設計時，一方面應盡量采用晶體管，少用電阻、電容，避免電感；另一方面，其性能應僅僅同電阻相對值有關即電阻比值有關，避免與電阻絕對值有關七、分立元件結構簡單，可用常用分立元器件，容易實現，技術成熟，完全能夠達到技術參數的要求，造價成本低，精確度不是太高八、集成穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓部分需采用一塊三端穩(wěn)壓器其他分立元器件，元器件先進，技術成熟，完全能達到題目要求，性能較方案一需優(yōu)越一些，但成本高綜上分析，按照本設計課程的要求，采用分立元件設計電路成本低，易于購置。

但是設計、調試難度太大，周期很長，尤其是短時間內手工制作難以保證可以實現，且難得達到設計要求，故采用集成穩(wěn)壓器件設計電路1.2.2 用三端穩(wěn)壓芯片設計方案選擇1 電路工作原理由電源變壓器將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓，整流二極管組成單相橋式整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓，再經濾波電容濾除紋波經過穩(wěn)壓器件，可調式三端穩(wěn)壓器能輸出連續(xù)可調的直流電壓，LM7805輸出+5V直流電壓，LM7912和LM7812組成雙12V電源輸出2 電路整體原理圖根據方案，選擇圖1.2–1的電路原理進行設計制作：圖1.2-11.3 電路模塊設計和元器件參數選擇1.3.1 變壓器模塊由一擋的性能指標要求得令副邊電壓為＋18V，副邊電流I2≥100mA則令其為0.5A所以副邊功率P2≥9W，又n=0.7，所以原邊功率要大于12.9W由二擋的性能指標要求得令副邊電壓為＋15V，復變電流I2≥300mA，則令其為0.5A，所以復變功率P2≥8W，又n=0.7，所以元變功率要大于11.4W由三擋的性能指標要求得由公式可得輸入電壓Ui的范圍為：Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max9V+3V≤Ui≤3V+40V12V≤Ui≤43V副邊電壓U2≥Uimin/1.1=12/1.1V，取U2=15V，副邊電流I2﹥Iomax=0.2A，取I2=0.5A，則變壓器副邊輸出功率P2≥I2U2=8W。

由變壓器的效率為0.7，則原邊輸入功率P1≥P2/n=11.4W為留有余地，選功率為20W的電源變壓器以上三擋的要求選擇功率為20W的電源變壓器在滿足以上三檔功率后，為能同時滿足三檔輸出，且±12V輸出需要雙端電源輸出，則采用雙18V輸出變壓器根據LM7805和LM317的輸入要求，需要采用LM7815穩(wěn)壓后，再進行穩(wěn)壓，可以使集成穩(wěn)壓器正常工作綜上所述，采用雙18V輸出20W變壓器能過勝任實驗要求設計變壓之前的電壓圖1.3-1變壓之后的電壓圖1.3-21.3.2 整流模塊半波整流電路的輸出電壓相對較低，且脈動大兩管全波整流電路則需要變壓器的副邊繞組具有中心抽頭，且兩個整流二極管承受的最高反向電壓相對較大，所以這兩種電路應用較少橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，電壓脈動較小，整流二極管所承受的最高反向電壓較低，同時因整流變壓器在正負半周內部有電流供給負載，整流變壓器得到了充分的利用，效率較高因此本電路采用橋式整流電路單相橋式整流電路是由四個整流二極管接成電橋的形式構成的，如圖(a)所示圖(b)所示為單相橋式整流電路的一種簡便畫法無論電壓u2是在正半周還是在負半周，負載電阻RL上都有相同方向的電流流過。

因此在負載電阻RL得到的是單向脈動電壓和電流，忽略二極管導通時的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖所示圖1.3–3圖1.3–4 圖1.3–51.3.3 濾波模塊濾波電路利用電容或電感在電路中的儲能作用，當電源電壓(或電流)增加時，電容(或電感)把能量儲存在電場(或磁場)個；當電源電壓(或電流)減小時，又將儲存的能量逐漸釋放出來，從而減小了輸以電壓(或電流)中的脈動成分．得到比較平滑的直流電壓實用濾波電路的形式很多，如電容濾波、電感濾波、復式濾波電路(包括倒L型、Rc—π型、LC—π型濾波)等電容濾波電路圖1.3–6濾波原理如圖：圖1.3–7電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降圖1.3–8只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD因此整流電路的輸出電流是脈沖波電容濾波電路的特點：（1）輸出電壓Uo與放電時間常數RLC有關RLC愈大→電容器放電愈慢→Uo(平均值)愈大近似估算:Uo=1.2U2RLC越大→Uo越高→負載電流的平均值越大;整流管導電時間越短→iD的峰值電流越大（2）流過二極管瞬時電流很大。

3）輸出特性(外特性)，輸出波形隨RL或C的變化而改變，Uo和S也隨之改變圖1.3–9結論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合濾波電容C可由紋波電壓△V0p-p和穩(wěn)壓系數Sv來確定已知V0=15V，Vi=18V，△V0p-p=5mV，Sv=0.005，則△Vi=△V0p-p*Vi/(V0*Sv)=1.2V，則C=Ict/△Vi=1500μF電容C的耐壓應大于U2=15.4V為留有余量，故取一只4700μF/50V的電容1.3.4 穩(wěn)壓模塊三端集成穩(wěn)壓器的內部原理框圖如圖4—21所示可見它也是采用了串聯式穩(wěn)壓電源的電路，并增加了啟動電路和保護電路，使用時更加可靠為了使集成穩(wěn)壓器長期正常地工作，應保證其良好地散熱條件，金屬殼封裝的一般輸出電流比較大，使用時要加上足夠面積的散片圖1.3–101.集成穩(wěn)壓器的主要參數有：（1）最大輸入電壓Uimax，當整流濾波電路輸出電壓超過Uimax時，可能使穩(wěn)壓器的輸出電壓不能穩(wěn)定在額定值2）輸出電壓UO，三端集成穩(wěn)壓器分為固定正輸出和固定負輸出兩類3）最大輸出電流Iomax，不同型號的三端集成穩(wěn)壓器Iomax為0.2～2A第一檔輸出+12V和-12V電壓電路如圖：圖1.3–11第二檔輸出+5V電壓電路如圖：圖1.3–12第三檔可調式3～9V集成穩(wěn)壓電路如圖：圖1.3–13UO=3～9V連續(xù)可調。

IOM=1.5A，IOmin≥5mALW317的UREF固定在1.2V，IADJ=50μA，忽略不計UO=1.25（1+R1/R2）V可調式三端穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調的直流電壓常見產品有CW317、CW337、LM317、LM337317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調的負電壓，可調范圍為1.2～37V，最大輸出電流I0max為1.5A穩(wěn)壓器內部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠、應用方便、性能優(yōu)良等特點CW317與CW337系列的引腳功能相同2.單元電路的設計、元器件的選擇及其參數值①選集成穩(wěn)壓器，確定電路形式選可調式三端穩(wěn)壓器LM317，其特性參數V0=+1.2V～+37V，I0max=1.5A，最小輸入輸出壓降（Vi-V0）min=3V，最大輸入輸出壓降（Vi-V0）max=40V，均滿足性能要求其接法如下：1，2腳之間為1.25V電壓基準為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1應小于240歐姆改變Rp阻值即可調整穩(wěn)壓電壓值C11用來實現頻率補償，防止穩(wěn)壓器產生高頻自激高頻震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，輸出電容C10是電解電容，以減少穩(wěn)壓電源輸入端由輸入電源引入的低頻干擾，D3用于保護LM317。

組成的穩(wěn)壓電源電路如下圖所示取R1=240，由式V0=1.25*（1+RP1/R1）可得RP1min=336，RP1max=1.49k，故取RP1為2k的精密線繞可調電位器圖2–12 仿真結果及分析如圖2-2，選擇參數后，進行電路圖設計制作，當滑動變阻器為25%，輸出電壓如下：圖2-2可調電壓輸出為9.117V，雙12輸出和+5輸出正常當滑動變阻器為85%，輸出電壓如下：圖2-3可調輸出為2.834V，雙12V輸出與+5V輸出正常3 數據分析及性能評價穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波系數）及溫度系數1.輸出電壓U0和最大輸出電流Iomix的測量穩(wěn)壓電源正常工作時能輸出的最大工作電流，用Iomax表示，一般情況下的工作電流IoIomax時損壞穩(wěn)壓器2.輸出電壓同時測量Vo與Iomax測試過程是：輸出端接負載RL，輸入端接220V的交流電壓數字電壓表的測量值為Vo；使RL逐漸減小，直到Vo的值下降5%，此時流經負載RL的電流即為Iomax。

3.紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差4.穩(wěn)壓系數S的測量穩(wěn)壓系數：在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即：Sv=(V-Vo)/(Vi/VI)電壓調整率：輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可5.輸出電阻及電流調整率輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對。