直流稳压电源设计毕业论文

毕业设计（论文）直流稳压电源设计
系别：电子信息工程系
班级：2012
姓名：吴鹏
辅导老师：杨静
摘要
在各种电子实验中，电源是最基本的需要。

设计出一种高精度的可调输出的电源不但能满足不同电子实验的要求，而且能满足在同一实验中需要使用不同的电压值来测试的要求。

本文设计了一种高精度程控稳压电源。

该电源的功能由硬件和软件两方面来实现。

硬件方面包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、反馈电路、保护电路、程控电路、显示电路以及支持单片机运行的复位和时钟电路。

市电220V电压通过变压器流入系统，经过整流、滤波后变成近似的直流电压，再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出。

稳压部分由达林顿管作为调整管，由运放作为反馈取样之后的放大电路，利用放大电路来提高调整管的反应灵敏度电压稳定性。

软件方面，使用单片机语言编程，控制程控部分，即：单片机，D/A、A/D部分。

该部分作用是控制稳压电路部分的基准电压的输出与调整，同时实现高精度的输出，并且控制数码管显示输出电压。

整个电路的设计就是在综合考虑各个模块现有的电路的基础上，选择最佳电路来实现设计目标的。

关键词直流稳定电源；整流；滤波；程控；D/A；A/D
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2电源技术的发展趋势 (1)
1.3电源技术存在的问题 (2)
第2章稳压电源整体设计 (3)
2.1整流电路 (3)
2.1.1单相半波整流电路 (3)
2.1.2单向全波整流电路 (4)
2.1.3桥式整流电路 (4)
2.2 滤波电路 (5)
2.2.1电容滤波电路 (6)
2.2.2电感滤波器 (7)
2.3稳压电路 (8)
2.3.1稳压电路的指标 (8)
2.3.2稳压管基本应用电路 (9)
2.3.3串联反馈型晶体管稳压电路 (10)
第3章硬件部分外围电路设计 (15)
3.1程控部分 (15)
3.1.18051单片机 (15)
3.1.2D/A和A/D芯片 (15)
3.1.3单片机外围电路 (17)
3.2数码管显示电路 (18)
3.3按键电路 (19)
3.4保护电路 (19)
3.4.1用稳压管保护 (19)
3.4.2二极管组成得过流保护电路 (20)
第4章系统软件设计 (21)
41系统核心指令系统 (21)
4.2软件系统流程 (21)
第5章实验设计中的不足 (25)
结论 (26)
参考文献 (27)
附录1 (28)
附录2 (29)
附录3 (30)
致谢 (31)
第1章绪论
1.1 课题背景
电子设备都需要良好稳定的电源，而外部提供的能源大多数为交流电源，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务，转换后的直流电源应具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。

我们通常称这种直流电源为稳压电源[2]。

但有时提供的直流电压不符合设备要求，仍需变换，称为DC/DC变换。

常规的稳压电源为串联调整线性稳压电源，它通常由50Hz工频变压器、整流器、滤波器、串联调整线性稳压器组成。

调整元件工作在线性放大区，流过的电流是连续的，调整管上损耗较大的功率，需要体积较大的散热器，因此该种电源体积大，且效率低，通常仅为35％～60％。

同时承受过载能力较差，但是它具有优良的纹波及动态响应特性。

开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源处于电源技术的核心地位，它主要分为AC/DC和DC/DC两大类。

开关电源去除了笨重的工频变压器，代之以几十kHz、几百kHz甚至数MHz的高频变压器。

由于调整管工作在开关状态，因而功率损耗小，效率高。

目前，开关电源技术向着轻、小、薄、低噪音、高可靠、抗干扰的方向发展。

新器件和新拓扑理论的出现使得开关电源日趋可靠、成熟、经济、适用。

1.2电源技术的发展趋势
新型半导体器件的发展使开关电源技术进步的龙头。

目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。

此外，平面变压器，压电变压器及新型电容器等元件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。

集成化是电源技术的一个重要的发展方向。

通过控制电路的集成，驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。

集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。

高频开关电源的发展趋势更是向着高频化、模块化、数字化、绿色化的方向发展。

开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。

开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。

开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。

还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发[5]
1.3 电源技术存在的问题
随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。

开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。

要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。

但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。

例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。

进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。

工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。

但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。

这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。

随着开关稳压电源电路和抑制干扰措
施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。

但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。

所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。

第2章稳压电源整体设计
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。

小功率稳压电源的组成可以用图2-1表示，它是由变压器，整流，滤波，和稳压电路等四个部分组成。

图2-1直流稳压电源组成框图
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将电压变成脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的支流电压。

但这样的电压还随电网电压波动（一般有正负10%左右的波动），负载和温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

当负载要求功率较大，效率较高时，常采用开关稳压电源[6]。

2.1整流电路
2.1.1 单相半波整流电路
单相半波整流电路是最简单的整流电路，图2-2是单相半波阻性负载的整流电路。

图2-2 单相半波整流电路
电路中，T 为变压器，其作用是将市电220V 的交流电压变成所需要的直流电压，VD 是整流二极管，其作用是方向变化的交流电变为单相的脉动直流。

输出直流电压的平均值，即直流电压V 0可按下式求出
2220045.0)(sin 221V t td V V ==⎰ωωπ
π (2-1) 半波整流电路的优点是结构简单，使用的元器件少。

但缺点是输出的波形脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。

所以只能用在输出功率较小、负载要求不高的场合。

2.1.2单向全波整流电路
单向全波整流电路如图2-3所示。

图2-3 单相全波整流电路
全波整流电路接入滤波电容C ，其充放电过程与半波整流相同，但由于V21和V22轮流通过VD1和VD2向电容C 充电，所以输出电压的脉动比半波整流时小。

2.1.3 桥式整流电路
桥式整流电路如图2-4所示。

桥式整流电路的电压可作如下估算。

整流元件仍认为是理想的，在纯电阻负载条件下，电压的顺时值为：
πωω20sin 22<<=t t V V O (2-2)
29.0V V O = (2-3)
图2-4 桥式整流电路
每个二极管截止时的反向电压相同，为V2的幅值。

即：
22V Vd = (3-4) 导通二极管的电流平均值为负载电流平均值的一半，最大值与负载电流最大值相同。

综上，桥式整流电路的特点是：与半波整流电路相比，在V2,RL 相同的条件下，输出的直流电压提高了一倍；电流脉动程度减小；变压器正负半周都有对称电流流过，既得到充分利用，又不存在单向磁化的问题。

所以它的应用较为广泛。

但是需要4个整流二极管，线路稍复杂。

以上简单介绍了几种整流电路，根据其优缺点的判断，所以在我的设计中采用了桥式整流电路。

一方面，能使电能得到充分利用，另一方面，由于有现成的整流桥集成元件，设计起来也比较方便。

2.2 滤波电路
交流电经整流电路后可变为脉动直流电流，其中含有较大的交流分量，为了使设备能用上纯净的直流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成份。

滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联上电容器C ，或在负载中串联上电感器L ，或由电容，电感组合而成的各中复式滤波电路。

2.2.1 电容滤波电路
电容滤波就是在整流电路后面,用大量的电解电容与负载并联例如以桥式电路为例,整流滤波电路如图2-5所示:
图2-5电容滤波电路
电容滤波电路简单，制作方便。

但是它的输出电流不宜太大，而且要求输出电压的脉动成分较小时，必须增加电容器的容量，因此电路的体积大也不经济。

为此，RC-π型滤波电路在实际电路中经常使用。

RC-π型滤波电路如图2-6所示：
它实际上就是在电容滤波的基础上再加上1级RC滤波电路构成的。

采用这种滤波电路可以进一步降低输出电压的脉动系数。

但是，这种滤波电路的缺点是在R上有直流压降，因而必须提高变压器次级电压；因而整流管的冲击电流仍然比较大；同时，由于R产生压降，外特性比电容滤波更软。

所以这种电路只适用于小电流的场合。

图2-6 RC-π型滤波电路
2.2.2电感滤波器
利用电感具有阻止电流变化的特点，在整流电路的负载回路中串联电感L，如图2-7所示，即构成电感滤波电路。

图2-7 电感滤波电路
当整流后的脉动电流增大时，电感L将产生反电势－L(di/dt)，阻止电流增大；相反，当电流减小时，电感L将阻止电流减小，从而使负载电流脉动成分大大降低，达到滤波的目的。

由于电感交流电阻很大，而直流电阻很小，输出直流分量在电感上损失很小，所以它适用于负载电流比较大的场合，而且外特性较好，即负载电流变化时，输出直流电压变化较小，另外，电感滤波的二极管导通角不会减小，避免了浪涌电流的产生。

为了进一步改善滤波效果，可以采用LC滤波电路，它是在电感滤波电路的基础上，再在负载电阻RL上并联电容器C，如图2-8所示
图2-8 LC型滤波电路
不难看出，当L 值很小，或RL很大时，该电路和电容滤波电路很类
似，呈现电容滤波的特点，为了保证整流二极管的导电角仍为180度，一般要求L值很大，对基波信号而言应满足RL<3Ω。

LC滤波电路中输出电压中的基波分量应由jωL和RL//(1/ωC)分压得到，所以输出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更小；而负载电流变化时均能有良好的滤波效果，所以说他对负载的适应性比较强。

在大功率输出的电源稳压电路中，由于输出电流较大，为了减少功率损耗，一般不用电阻做滤波器件，经常使用的是LC元件构成的π型滤波电路。

为了增大电感量，一般来说，L选用铁心电感，C选用电解电容，如图2.10所示：
图2-10 π型LC滤波电路
2.3 稳压电路
经过整流和滤波后的直流电压，会由于交流电网电压的波动以及负载电阻的变动而发生变化。

在绝大多数情况下，这种输出电压的变化波动显得太大，仍需要进一步对其稳定，这就需要采用稳压电路。

通常，完整的稳压电源电路包括有整流、滤波、和稳压电路。

下面就稳压电路作一下介绍。

2.3.1 稳压电路的指标
衡量稳压器的性能有许多指标，例如额定输出电压、电流和电压调节范围等，这属于特性指标；稳压系数、等效内阻、纹波电压（即交流电压分量）等属于质量指标。

自动化程度，用来说明维护人员离开时，例如，是否具有自动开机、停机性能，故障检测等。

经济指标，主要有效率和功率因数等。

下面简单介绍下质量指标。

1 稳压系数 当负载电流一定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比称为稳压系数，即：
I
i O O U U U U //∆∆=γ(L I =额定值) （2-5） 上式中，γ为稳压系数；O U 为稳压器的额定输出电压；i U 为稳压器额定输入电压；O U ∆为输出电压的变化量；i U ∆为输入电压的变化量；L I 为负载电流。

另外还有以γ的倒数S 为标准，称S ＝1/γ为稳定系数的。

2 等效电阻O R 又称为动态电阻，是包括整流、滤波和稳压在内的等效电阻。

当i U 保持不变时，输出电压增量O U ∆与输出电流增量O I ∆之比称为等效内阻：
O
O O I U R ∆∆-=（i U ＝额定值） （2-6） 上式中，O R 为正值，由于电流增加（增量为正）时其两端电压受内阻影响要下降（增量为负），故上式中加了个“－”号，使得O R 为正值。

通常稳压器在额定范围内使用时，O R 约在1.5Ω以下。

3 纹波电压 纹波电压就是叠加在输出直流电压上的交流电压分量，通常经滤波及稳压后，它的数值在几毫伏以内，以不影响电子设备工作为准。

可用一个容量较大的电容器与交流毫伏表串联进行测量，此电容是隔直流用的[8]。

2.3.2 稳压管基本应用电路
硅稳压管也称为齐纳二极管，其伏安特性如图所示。

从伏安特性可以看到，当流过稳压管的电流在一个较大范围内变化时，稳压管两端的电压几乎不变。

稳压管的这一特性将稳压管和负载并联，若能保证稳压管中的电流在一定范围内，则负载电压就能在一定程度上得到稳定，因此，稳压电路的关键就是限定稳压管中的电流。

因为如果工作电流太小，则电压随电流的变化很大，达不到稳压的目的；但工作电流也不能太大，以免超过管子的额定功率，造成损坏。

小功率稳压管的工作电流大致几毫安至几十毫安，大功率的稳压管可到几安培到十几安培。

图2-12是由稳压管构成的基本稳压电路：
图2-12 稳压管稳压电路
电路中，R 决定了向稳压管和负载输送电流的总量，起着限流和调压的作用，稳压管起着调节电流的作用。

如负载L R 减小，要求更多的电流流过L R 时，通过稳压管的电流Z I 将随之减小，使R I 基本不变，以保证输出电压o V 基本不变。

如果L R 不变，但输入电压i V 由于电网电压或元件参数改变而增加时，则R I 将增加，此时Z I 也随之增加，保证O I 基本不变，即o V 基本不变。

如果i V 和L R 都变化，则Z I 将综合二者的变化加以调整，只要Z I 的变化在它的允许的工作范围之内，就能保证起到较好的稳压作用。

稳压管稳压电路具有线路简单，调试方便等优点，但输出电流受稳压管稳定电流的限制，而且输出电压又不能任意调节，稳压性能不高，只适用于输出电流小，负载变动不到和稳定性能要求不高的场合，或作为辅助稳压源。

若负载经常变动，要求输出电压连续可调，稳定性能好，就要采用晶体管稳压源。

2.3.3 串联反馈型晶体管稳压电路
串联反馈型稳压电路比稳压管稳压电路要复杂的多，它是一个闭环反馈系统。

所以必须具有执行元件和反馈支路。

一般情况下，它包括调整管、取样电路、基准电压源及误差比较放大器等主要部分。

调整管是闭环调节系统的执行机构，其余部分都是反馈控制支路所必需的，原理框图如图2-13所示。

从框图上可以看出输入电压i U 经过调整元件调节之后，变成稳定的输出电压O U 。

图2-13 串联反馈型稳压电路框图
取样电路和基准电压相比较，并把比较后的误差信号送放大器，增强反馈控制效果，因为取样得来得是电压信号，所以这种电压源实际上是一个以电压为调节对象得自动调节系统，其调节模式如图2.14所示。

图中，O K 为调节系统开环时的电压传递函数，也就是系统开环稳压系数；T K 为执行机构在系统闭环时的电压传递函数，也就是调整管电路的电压放大倍数；K 时误差放大器开环电压放大倍数；n 为取样电路的电压传递系数，也就是取样分压器的分压比。

根据调节原理可知，该系统的调节函数为： n
K K K T ••+=11 （2-9） 由此可知，无论输入电压波动还是负载变化对输出电压的影响，反馈系统是开环系统的1/（1+T K *K*n ）倍，更具体点说，就是反馈调整型稳压电源在电网电压调整率、负载调整率等主要技术性能方面，都是以硅稳压二极管稳压电源为代表的参数型稳压电源的（1+T K *K*n ）倍，这就是反馈调整型稳压电源比参数型稳压电源应用得更普遍得主要原因。

图2-14 串联反馈型稳压电路调节模式
串联反馈型稳压电源稳压原理是调整元件的动态电阻是随着输出电压的变化而自动改变的。

其优点是，输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制而且各项技术指标可以做的很高。

其缺点是线路比较复杂，过载能力差，顺时过载会使调整元件损坏，需要过载保护。

因此，串联反馈调整型稳压电源广泛用在负载变动较大，稳压性能要求较高，输出电压可调等场合。

（1）简单的串联反馈型晶体管稳压电路 图2-15是一个最简单的串联反馈型晶体管稳压电路。

晶体管VT 做调整元件，VD 做基准电压源，它给晶体管发射结提供一个固定的偏压使其能正常工作。

当负载变小或输入电压i U 变大，使得负载两端的输出电压O U 增大时，由于基准电压b E 不变，所以晶体管的基极电位b U 也不变，那么集—射极电压be U （be U ＝b U －O U ）将减小，从而b I 减小，管压降ce U 增大，使输出电压O U ＝i U －ce U 减少，抵消了由于电网电压增加或负载减小引起的O U 的增加，使输出电压O U 保持基本不变。

如果当输入电压减小或负载增大，使得输出电压O U 下降时，调节过程与上述正好相反。

图2-15 串联反馈型晶体管稳压电路
从上边的稳压过程可以看出，当输入电压增大或负载变小时，这种稳压电路是通过输出电压的变化反过来控制调整管VT 的管压降，从而使输出
电压保持不变，以达到自动稳压的作用，这实际是一种负反馈，所以这种电路叫做串联反馈型稳压电路。

该电路存在两个问题：其一，该电路是用输出电压的变化部分直接去控制调整管的基极，故控制作用小，稳压性能较差；其二，输出电压固定不可调。

（2） 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路 简单的反馈型晶体管稳压电路，是直接利用输出电压的变化量来控制调整管的电压ce U 变化的所以其灵敏度和电压稳定性都不够理想。

采用带放大器的稳压电路，可以弥补这些不足。

图2.16是一个带有放大器的典型电路，图中VT 1是调整管，接成射极输出器的形式，负载电阻L R 是它的射极电阻。

R1、R2与L R 并联组成分压器，起到取出输出电压的作用，叫做取样电路。

VD 是硅稳压二极管，它与限流电阻R3一起组成基准电压源。

VT 2是比较放大器，R4是它的集电极电阻，同时也是1VT 管的偏流电阻。

晶体管2VT 把从取样电路送来的输出电压上升或下降的变化信号与基准电压相比较，并把比较结果产生的差值电压（或者叫做误差电压）加以放大，以此来控制调整管1VT 的管压降1ce U ，从而使输出电压基本保持稳定。

因为放大器的作用，很小的输出电压的变化，反应到调整管1ce U 上就有比较大的变化，大大提高了调整管的灵敏度，提高的输出电压的稳定性。

图2-16 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路
当输入电压i U 下降或负载增大时，输出电压O U 减小，取样电压2R U 相
应的减小，2VT 管基极电位也随之减小，因为硅稳压管两端的电压基准不变所以2VT 管的基—射极之间的电压2be U ＝（2R U -W U ）减小，于是2VT 管的集电极电流2c I 减小，R4两端的压降4R U 变小，迫使调整管1VT 的基—射极间的电压1be U ＝（i U -4R U -O U ）增大，1b I 增大，1VT 管的压降1ce U 下降，结果使得输出电压O U ＝（i U -1ce U ）上升，从而使输出电压基本恢复到原来的数值。

同理，当输入电压上升或负载变小时，O U 升高，当经过反馈调整作用又会使O U 下降，从而使输出电压基本保持不变。

以上是对直流稳压电源的核心技术进行的介绍。

本次毕设题目是高精度程控稳压电源，硬件核心就是以上介绍的三个部分。

首先，利用变压器进行市电到所需电压的转变，在设计中采用220V ～24V 的变压器，将市电电压降低，之后采用桥式整流电路，对电压进行整流。

一方面，桥式电路使用方便简单，另一方面，有现成的集成元件可用。

滤波方面采用简单的π型RC 滤波电路即可。

因为设计的电路比较简单，且直流要求较强，所以选用π型RC 滤波电路。

稳压方面选用串联反馈型稳压电路，在比较放大方面选用集成运方代替晶体管，使得电路更加方便，简单，而且稳定可靠。

核心电路如图2－17所示：
图2-17 核心电路图。