多路输出直流电源设计

电子制作1 多路输出的直流电源设计电子方舟 0设计任务和要求大多数放大电路需要+12V，单片机需要+5V，有些单片机和CPLD需要3.3V。可是我们电网供电为交流220V。为此需要设计一个将交流电转换为多路直流电的装置。构如图1所示，交流220V电压经过变压器隔离后降到交流12V，然后经过整流滤波和多路稳压电路输出12V、5V和3.3V的直流电压。要求输出最大电流为1A。纹波电压小于50mV，有红色的电源指示灯。 图1 多路电源结构方框图1.基本原理分析如图2所示，一般直流电源由 降压 、 整流 、 滤波 、 稳压 四部分组成。图2 简易直流电源的方框图变压器可以将输入的交流电压从220V降低到12V，并且隔离电网。整流电路的作用是将工频交流电转换为脉动直流电。滤波电路的作用是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，保留直流成分。稳压电路的作用是对整流后的直流电压进一步进行稳定。2.方案论证利用二极管的单向导电性能就可设计半波、全波和桥式整流电路。B220VRLDIN4001B220VRLD1D2D4B220VRLD1D2D3 a) 半波整流 b)全波整流 c)桥式整流图3 三种整流电路方案1半波整流如图a)所示，半波整流电路由一个二极管构成。使用元件少。输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。 方案2 全波整流电路如图b所示，全波整流电路采用有中心抽头的变压器和两个二极管配合，使得在整个周期内都有直流电输出。输出电压平均值是半波整流的2倍，两个二极管轮流工作，正向电流等于负载电流平均值的一半。二极管承受的最大反向电压等于变压器副边两个绕组的峰值电压。方案3 桥式整流电路桥式整流电路有4个二极管构成，当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。对比三种整流电路可知：单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。我们选择方案3。对于稳压电路，我们选择LM7812、LM7805和1117分别输出三种电压。3.元件选择和参数计算3.1 变压器的参数计算变压器的输出电压= = 如果已知输出电压和电流，变压器的输出功率= 计算出功率后，还要考虑留有20%的富余量，P= = 实际选购的变压器为 12 V, 10 W .图4 电源变压器3.2二极管的参数计算对比几种方案，建议选择型LC滤波器因为简易电源要求不高，不需要加稳压电路。因此采用桥式整流和型LC滤波电路构成。电路图如下图所示：图5 简易直流电源的电路图3.参数计算设计一个电子电路，其元件参数一定要通过计算获得。在工程实践中，不需按准确的计算结果去采购元件，一般是一个范围，然后在范围内选购元件。有经验的工程师甚至会估算出元件的参数。对于一些涉及安全的极限参数（如二极管和电容的耐压值等），为了确保安全，实际采用的参数一般要比计算值高20%-100%,甚至数倍。如计算出的二极管反向耐压值约为15V，实际采用的可能是600V。3.1变压器的参数计算根据电容滤波的基本原理，变压器的输出电压为变压器的功率 实际选用，应留1020的富余量。防止变压器过热烧毁。3.2计算二极管的参数因为采用了电容滤波，输出电压为变压器次级电压的1.2倍。每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流。所以：每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半= 二极管所承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压= 实际选用二极管最大整流平均电流和最高反向工作电压均应留富余量1020的富余量，以保证二极管安全工作。本项目选择 1N4007 贴片二极管，其工作电流为 1 A，反向电压为 200 V。3.3滤波电容的参数计算3.3计算电容的参数假设采用单独的电容滤波就可以满足基本条件，然后型LC滤波只不过使得电容滤波的效果更好。可根据电容滤波的基本条件来计算电容的容量:则电容的取值范围是： 电容的反向耐压值应为输出电压的1.2倍。Uc= ，实际选择的滤波电容为 。电解电容适合过滤低频信号，另外还需要配套一个104的贴片小电容用于过滤高频。 （a） 整流二极管1N4007 （a） 贴片电解电容 （b）无极电容（1206）图 5 整流管和滤波电容3.4 稳压芯片 选择贴片的LM7812、7805和1117三种三端稳压芯片分别输出12V、5V和3.3V。 （a）贴片LM7812 （b）贴片LM7805 （c）贴片1117-3.3V图6 三端稳压集成电路3.5指示灯选择及其限流电阻的参数计算LED指示灯选择封装为1206的红色贴片指示灯，其工作电压约为1.5V，工作电流范围为5-15mA。根据欧姆定律，限流电阻的阻值:，根据发光二极管的电流范围，可计算出限流电阻的取值范围。电阻的下限为 = = 电阻的上限为 = = 实际选择的电阻为 ，功率为0.25W。 图7 LED指示灯和贴片电阻（1206封装）4元件测试4.1 测量变压器的好坏，1）测量初级绕组的电阻。初级绕组的线圈比较细，圈数比较多，所以阻值 较大 ；2） 测量次级绕组的电阻。 次级绕组的线圈比较粗， 圈数比较少，所以阻值 较小 ；3）测量绝缘电阻。初级线圈、次级线圈和铁心三者之间的绝缘电阻值为 无穷大 。4.2 测量整流二极管的好坏，并分辨正极和负极用万用表的电阻档正反测量两次。正向电阻小，约为 。反向基本不通。4.3 测量电解电容的好坏数字万用表的电容档可以测量电容的大小。也可以采用充电法测量。4.4 测量发光二极管的好坏，并分辨正极和负极用万用表的电阻档正反各测量一次，无需读数，当发光管被点亮时， 红表笔 接正极。5 制作PCB板5.1 建立自己的原理图库和封装库绘制原理图之前，应充分考虑每个元件的封装，最好是先测量元件的大小，然后绘制封装库和原理图库，并且将原理图库与封装库绑定，需要添加贴片封装元件有IN4007、贴片电容、贴片7812、贴片7805、贴片1117、贴片指示灯、贴片电阻和插座等。采用复制原理图并修改封装的方法，步骤如下：步骤1 新建一个原理图库，命名为“姓名“+“原理图库”，如”莫言的原理图库“。步骤2 复制元件到自己的原理图库。 打开“Miscellaneous devices.schlib“库，从中复制以下元件到自己的原理图库：Diode 1N4007、Cap、Cap Pol、Inductor、Volt Reg、Res3、LED3。将Volt Reg复制三次，分别改名为LM7812、LM7805和1117。打开“Miscellaneous connectors.schlib“库，复制Heard2 到自己的原理图库，修改名称为”Head2SM”。步骤3 新建一个封装库，命名为“我的PCB封装库“。打开“Miscellaneous devices.pcblib“库，复制名为425、D2PAK和SOT23的封装到自己的PCB库。然后，利用元件向导自动生成DO214和1206的封装,具体参数如下：复制connectorPCB库中的HDR1X2封装到自己的封装库，改变名称为“HDR2-SM“，将多层焊盘改为顶层焊盘、将焊盘的Y方向长度加倍（100mil），然后拉大边框。保存即可。步骤4 回到原理图库，修改封装名称，元件名1N4007Cap PoCapLM7812LM78051117ResLEDHead2SM封装名DO214？1206D2PAKD2PAKSOT22312061206HDR2_SM5.2 绘制原理图绘图的时候，一定要用自己设计的原理图库，因为自己的库对应的封装都是自己测量过的元件，可以跟实际尺寸一一对应。绘制好的原理图如下：5.3 绘制PCB 5.4 制作PCB板，6安装调试6.1 焊接如果采用直插工艺，需要在电路板上打很多的孔，而且电路板的面积很大，增加了成本。建议采用贴片工艺。千万注意：不要一下子将所有的元件全都安装上去。要走一步看一步。第1步，焊接变压器引线。焊接引线，插上电源，测量变压器输出的交流电压。第2步，安装整流电路先安装1个二极管，测量输出电压，应为 V，用虚拟示波器观测半波整流的波形，然后安装4个二极管，测量输出电压, 应为 V，用虚拟示波器观测全波整流的波形。第3步，安装滤波电路安装1个电容滤波，测量输出电压，应为 V，用虚拟示波器观测纹波，安装LC滤波，测量输出电压, 应为 V，用虚拟示波器观测纹波。第3步，安装LM7805三端稳压电路。测量输出电压，应为 V第4步，安装指示灯电路。正常通电，指示灯应发光。6.2电路检修先大体检测一下工作电压，初步确定故障范围。 测量变压器的输出电压，应为 V。 测量整流后的电压, 应为 V左右。 测量滤波后的电压， 应为 V左右。测量稳压后的电压， 应为 V如果发现故障，要分析故障可能的原因是什么。如指示灯不亮，可能的原因有 、 、 、 等变压器过热，可能的原因有 、 、 、 等7. 测试性能指标7.1所需的仪器设备 1)数字万用表。数字万用表用于测量交流电压、直流电压和纹波电压等2)大功率电阻。选择合适的负载电阻可以让电路工作在额定电流下。3）示波器。可以观测纹波电压的波形和幅度。7.2测量的步骤和方法 第1步：测量电压。直接用数字万用表测量。 第2步：测量功率。带上负载电阻，测量电压和电流，计算功率P= 第3步：测量效率。同时测量输出功率和输入功率，计算效率= 8结论与讨论8.1结论简易直流稳压电源由电源变压器、桥式整理电路、型LC滤波电路构成和LED电源指示灯构成。变压器将220V交流电降低到 V,通过桥式整流变成脉动的直流电，然后经过型LC滤波电路输出 V的直流电压。通过三个稳压芯片，可同时输出三路电压。经过测试，其空载输出电压分别为 、 、 V。12V输出带上额定负载后，输出电压为 V，输出电流为 A，效率为 %。电压调整率为 ，纹波抑制比为 分贝。8.2讨论串联稳压电路电路简单，性能可靠。但是效率低下。不适合设计大功率电源。6 / 6文档可自由编辑打印