《模拟电路》课程设计报告

课题： 晶体管串联稳压电源                      

班级  电气3071  学号     35       

学生姓名                          

专业      电气工程及其自动化      

系别            江淮学院          

指导教师                           

xx工学院

xx学院

20##年6月

一、设计目的

 1、 研究单相桥式整流、电容滤波电路的特性。

2、 学习串联型晶体管稳压电源的设计方法以及主要技术指标的测试方法。

4、 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

5、 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

6、 进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。

7、培养学生的创新能力。

二、设计要求

1.     系统输出电压在8V-10V可调;

2.     在10V时输出电流不小于100mA；

3.     输出电流在100mA范围内输出电压的绝对误差不大于0.1V；

4.     主要单元电路和元器件参数计算、选择；

5.     画出总体电路图；

6.     安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。

7.     调试电路

8.     电路性能指标测试

三、总体设计

1、变压

变压部分是由一个220V交流电源和变压器组成的！变压器是通过线圈的比例来调整输出电压的。由Ui=(2~3)Uo可大概确定线圈的匝数比！

2、整流

整流部分是由四个晶体二极管组成的，利用晶体二极管的正向导通、反向截止的特性，将交流电正流程变压直流电。

2.1半波整流电路的优点是使用元器件少，电路简单；缺点是效率低，输出电压脉动系数大 。

 

    全波整流电路可用于稳定性较高、电流较大的场合，他与半波整流电路相比，具有效率高，输出电压脉动性小的优点；其缺点式变压器的体积相对增大。

3、滤波

利用了电容通交流，阻直流的特性，可以将大部分的交流信号直接导向低端，从而达到滤波的效果

*可以由Ui=(2~3)Uo选择整流滤波电路的元件参数。

电感滤波的优点是带负载能力好；缺点是输出电压较低，适合负载变动较大、负载电流大的场合。

LC滤波电路优点是输出的电压高，滤波效果好；缺点是输出电流小，带负载能力差，一般适用于负载电流较小，要求稳定的场合。

4、基准稳压电路

基准稳压电路是由一个电阻和稳压管组成的！稳压二极管是一种硅材料支撑的面接触型的晶体二极管，当稳压管在反向击穿的时候，在一定的电流范围内，（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性。只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会因过热而损坏！而在这各组成部分中的电阻就承担起这个责任！通过电阻的分压，可以使的稳压管工作在有限电压范围之内！

5、取样、调整、放大

这三个部分是连成一体的。首先先通过三个串联电阻以及稳压管取样，然后在通过运算放大电路的放大。放大后的数值输出给调整管的基极，经过三极管的放大功能，调整U0的电压值！这是一个深度反馈电路，从而保证了能够输出一个恒定稳压值！其总过程为：

当U0增大，这是运放两端的取样就增大，由于运放是反向接入电路，所以其是反向放大从而是输出运放输出端电压值变小，再通过三极管的放大作用，基极的电压变小，其发射极的电压自然也就降低了！从而减小了U0数值！

同理，当U0减小的时候，通过这个部分电路的共同作用，可以将U0提升上来，从而达到稳压输出的效果！

四、单元电路设计

  1、变压器降压电路

  变压器降压电路是利用电源变压器一、二次绕组匝数比的不同来实现电压变换的。电源变压器一次绕组的线径较细，匝数较多，二次绕组的线径较粗，匝数较少，可以有多个绕组。当变压器的一次绕组接在220V交流电压上时，二次绕组上就会感应出一定值的交流电压。

  2、桥式整流电路

桥式整流是性能较好的全波整流电路，适用于稳定性要求较高，电流较大的场合。该电路采用四只整流二极管和无插头电源变压器。

 在交流电压的正半周，整流二极管VD₁和VD₃导通，VD₂和VD₄截止；在交流电压的负半周，二极管VD₁和VD₃截止，VD₂和VD₄导通，在负载电阻R_L上会得到一个同全波整流电路一样的电压和电流。

桥式整流电路的优点是变压器二次绕组无需重心抽头，利用率高，整流二极管所承受的反向峰值电压低，带负载能力较强；缺点是需要四只整流二极管，电路相对复杂。

3、电容滤波电路

    电容滤波电路实在整流后输出直流电源两端并联一只容量较大的电解电容器，利用滤波电容器这种储能元件的充电与放点作用来达到滤波的目的。经滤波电容器滤波后的直流电压变得较平滑，且输出电压的平均值也得到提高。滤波电容器的容量应根据负载R_L的大小来选择。

4、稳压电路

    简单的晶体串联管串联稳压电路中，T₁为电子滤波兼电源调整三极管，稳压二极管D₁接在T₁的基极回路，作为基准电路，其稳压值比输出电压高0.6~0.7V。R为VT的偏置电阻器。该电路的稳压性能比稳压二极管并联稳压电路好一些，但不能自动调整输出电压的高低。

五、调试

1．查看连线

电路安装完毕后，先认真检查接线是否正确，引脚是否虚焊，包括错线、少线、多线。线路连接错误一般是因为接线时看错引脚，或者改接时忘记去掉原来的旧线造成的，实验查线是往往不易发现。首先按照总电路图检查是否有引脚连接错误，连接短路，接着用万用表依次检测电路的焊接中是否有虚焊或者短路的情况。焊接时注意点，这种情况可以避免。

2．通电检测

将焊接完的电路最终的输入输出脚分别接上所需电压或显示器，电源接通后首先要观察有无异常现象，包括有无芯片烧坏，

是否闻到异常气味，手摸元件是否发烫，电路是否有短路现象。如果出现异常，应立即关断电源，待故障排除后才可以重新通电。然后再测量各元件引脚的电压，以保证元器件能正常工作。

六、设计总结

这次课程设计历时二个星期，通过课程设计，发现自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。在设计时应熟练地掌握各元器件、集成块及单元电路的作用、功能以及它们之间的关系，还应熟练地掌握焊接和调试的方法及注意事项。在装配焊接时要严格按照电路原理和设计要求进行操作，同时注意避免出现接错、漏接、虚焊等问题，当然在整个过程中也要注意安全。

心得体会：通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对与线性直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。同时实物的制作也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。

优点：该电路设计简单。输出电压稳定，纹波值小，而且使用的元件较少，经济实惠，输出功率大，调整管可承受的范围也很大，。

缺点：电压缺少一个保护电路，当电路由于偶然原因出现高的电压脉冲时，有可能对电路造成危害，使得电路故障率提高。

改进：可以在稳压电路那里再接一个过保护电路电路。减少接电或断电时产生的瞬间高电压对电路元件的破坏。

七、参考文献

1. image.baidu.com

2.张庆双，黄海平.电子技术基础技能线路实例.北京:科学出版社,2006

3.张庆双.使用电子电路200利.北京:机械工业出版社,2003

第二篇：开关稳压电源设计报告

开关稳压电源设计报告

摘要 本设计是对20xx年全国大学生电子竞赛的E题。电路的设计是利用并联型开关稳压电源的拓扑结构，通过分析以ICTL494芯片为核心的PWM控制器的工作原理，实现了DC—DC变换。得出适合于设计要求的主电路的结构，并在此基础上设计出控制电路、保护电路、驱动电路。运用调节占空比的大小自动控制输出电压，并对各部分电路的原理进行分析。设计出电路的闭环控制系统，使电源工作在一个稳定的系统，并留出20%较大的控制余量。根据设计要求以及主电路的结构，对电路中各参数进行计算。最后对电路进行测试，并根据其进行改进。 关键词：开关稳压电源 PWM ICTL494芯片 驱动电路

1．题目分析与方案论证：

开关稳压电源

U1=RL

图1 电源框图

a. 题目分析: 题目给出的框图如图1所示。该方案是通过变压器降压，再经过整流电路、滤波电路得到直流电，再经过DC-DC的变换控制电路，得到要求的直流电。要使电路能达到设计要求，DC-DC变换的关键是PWM控制。它是开关电源的核心部分，由功率变换和高频整流两部分组成。题目需要将直流电源转换成大于输入电压的稳定的输出电压。串联型稳压电路是降压型的电路，并联型稳压电路是升压型的电路。所以我们采用的并联型开关稳压，通过升压电路，能使得输出电压大于输入电压。通过调节占空比使输出电压为30V-36V可调。

图3 方案二框图 1

方案一的电路简单，清晰，易于操作调试。且PWM的的外围参数设置方法多样。易控制

方案二的优点是线性可调，但是高频变压器绕制要求较高，整体配置调试难度大。 因此，我们选择方案一。

2．桥式整流电路与电容滤波电路

4 桥式整流电路与电容滤波电路

首先把交流电转化成直流电。这里采用桥式整流。桥式整流与半波整流的相比，输出电压的脉动小很多。由于还需要进行DC-DC的确变换，对直流的要求不是很高，所以在整流后只加上一个电容进行滤波，以减小整流后直流电中的脉动成分。

图

图5 整流与滤波后的电压波形图

3. DC-DC主回路的拓扑结构

并联开关型稳压电路的拓扑结构如图6所示。其中输入电压的U1为直流供电电压，晶体管T为开关管，开关管的基极信号uB为矩形波（也是PWM的输出），电感L和电容C组成滤波电路，D为续流二极管。

a.

2

图7中，T管的工作状态受uB的控制。当uB为高电平时，饱和导通， U1通过T给电感L充电储能，充电电流几乎线性增大;D因受到反压截止;滤波电容C对负载电阻放电，等效电路如(b)所示，各部分电流如图标注。当uB为低平时，T截止，L产生感生电动势，其方向阻止电流的变化，因而电流与U1同方向，两个电压相加后通过二极管D对C充，等效电路如(c)所示。所以，无论T和D的状态如何，负载电流方向始终不变。

图7

经过分析，可以得出控制信号uB，电感上的电压uL和输出电压U0的波形，如图(c)。从波形分析可知，只有当L足够大时，才能升压;并且只有当C足够大时，;输出电压的脉动才可能足够小;当uB的周期不变时，其占比愈大，输出电压将愈高。在其，当开关晶体管导通期间，输入电压Ui加到储能电感L的两端(这里忽视了V的饱和压降)，二极管VD因被反向偏置而截止。在此期间流过L的电流iL为近似线性增加的锯齿形电流如(b)，并以磁能的形式储能存在L中。在这期间iL的变化值为△IL1=ton*Ui:在开关晶体管V截止时，储能电感L两端的电压极性相反，此时二极管VD被正向偏置而导通。储能在L中的能量通过二极管的VD输送给负载电阻RL和滤波电容C0。在此期间L中的泄放电流iL是锯齿形电流的线性下降部分(图C)所示，这期间电流iL变化△IL21=toff*Ui。同理，当开关晶体管V的导L

通期间在储能电感L中增加的电流数值应该等于开关等于截止期间在储能电感L减少的电流值。只有这样才能达到动态平衡，才能给负载电阻RL提供一个稳定的输出电压。所以有

△IL1=△IL21．即是又ton*Ui=toff*Ui。因为ton=T*q和toff=T*(1-q)。 整理得: U0=ton。占空比:设晶体管 V的开关转换周期T,导通*Ui?Ui*qoff?q

其的时间为ton,截止期的时间为toff,占空比为q(q=ton)。是输出电压与输入电压的关系。

b. 提高效率的方法及实现方案

由U0=ton。是输出电压与输入电压的关系。所以U0大于Ui。*Ui?Ui*qoff?q

3

要高DC-DC的变换效率应该综合考虑各种因素。

①提高开关的变换速度，因任何一个晶体管和二极管的导通到截止和从截止到导通的转换过程都需要一定的转换时间。可以采用反向恢复时间短，导通时间快的肖特基二极管、快恢复的二极管作为续流二极管。也可以在续流二极管VD的电路中的串

一个电感很小的电感L1，则利用电感的电流不能突变的特性来抑制二极管的反向恢

复期间内的反向电流。进而提高效率。

②提高工作效率，开关稳压电源的效率?与储能电感L上的损耗功率也有反比例的关系，所以在提高电源输出率的过程中，要选择适宜的储能电感。

c. 采用以ICTL494芯片为核心的PWM控制器的DC-DC变换。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置一个线性锯齿波振荡器， 振荡频率可通过一个外部电阻和一个电容进行调节。 ①具有完整的脉宽调制控制电路；②片内有两个误差放大器；③片内有5V的基准电压；④死区时间控制可以调节；⑤输出级晶体管额定电流可达500mA；⑥输出控制可用于推挽、半桥或单端工作电路；⑦具有欠压封锁功能。。工作温度范围：TL494为-40℃～85℃，TL494C为-20℃~85℃。

图8 TL494内部结构电路图

4. 电路设计与参数计算

a.主回路器件的选择及参数计算

①开关晶体管T的选择:并联型原理图(图6)可见，开关管V上所承受的最大电压Ui。又因为上式的输出和输入电压之间的关系。考虑到输入电压有10%的波动，电感L上的反峰尖刺电压为稳定压值的确20%。开关晶体管V上所承受的电压实际为

1.1*1.2Ui=1.3Ui。通常选择时对管子的有一定的裕量。所以取其工作电为80%的

额定电压值，则有1.32Ui=0.85UCEQ。

即是UCEQ=Ui*(1.32/0.8)=1.65Ui=1.65U0*

UCEQ=1.65*36?60V 1?q。 q

②电极电流的计算:同理从并联型原理图可见。 在晶体管导通期间，流过开关晶体管V的电流也就是在该期间内流过储能电感L中的电流，也就是输入电流从Ii。如

1?q果，不考虑电路中的其它耗散功率时， Ii=Io*Uo=Io当选择管子在实际工iq

4

作时，也考虑一定的裕量，应该把工作电流取为80%额定电流值。所以

1?q1?q

0.8Io==1.25Io*=1.25*2?2.5A Io。 所以Ic=1.25Io*Uo

iqq

③极管VD的选择。反相电压的计算UD:在开关晶体管V 导通期间，二极管VD因反相偏置而截止，此时VD上所受的电压为输出电压UD。此外，在选择二极管时，都应该有一定的裕量，一般留20%的裕量，所以二极管的反向耐压为:

ＩＵＩｑ

UD=?8*Uo=1.25U0=1.25*36?45V，正向导通电流ＩD=０００?1A

２Ｕｉ２１－ｑ④滤波电容C的选择:并联型开关稳压电源达到稳定状态后，输出电压稳定在所设

计的恒定电压值U。上，处处支流电流I。 。由于在开关管V导通期间全部负载电阻RL上的电流I。都是由电容C供给的，所以这时候电容C上的电流就等于电源的输出电流I0，并且在这期间电容C上的电压变化量为输出电压的波纹电压值△U。，此时我们就如下的关系式

I0U0ItIqT

△U。=0on?0=1V。所以C==2200uF

f?U0（U0?Ui）CC

b. 耐压值U。的计算:当开关管V截止时间，加在滤波电容C的两端的电压为输入电压Ui；当开关管V导通期间，加在电容C上的电压为输出电压U。，（储能电感L上的电压降和二极管Vo的正向导通压降这里都被忽略了）而并联开关电源的特征是输入电压为Ui比输出电压U。小，这里就输出电压U。，在确定电容耐压的标称值时应留有50%的余量。所以，滤波电容C的耐压值应由下式决定。Uc?3U0?3*36=110V

c. 能电感L的选择:在分析并联型开关稳压电源的工作原理时已经讲过，在开关管V1导通的t期间，储能点感L的电源的增量应于开关官V截止的时间t渐渐储能电感L上的电流的减少量相等，所以有?I（+）=?ＩＬ（-）

电流可达500mA；（6）输出控制可用于推挽、半桥或单端工作电路；（7）具有欠压封锁功能。。工作温度范围：TL494为-40℃～85℃，TL494C为-20℃~85℃

首先由于，1、2脚和15、16脚分别为两个比较器输入端；由于该电源只对一路电压输出，所以只需要一组比较器，及把15、16脚分别接Vref、地，屏蔽掉。然后1脚接反馈FB，2接标准电压Vref，通过比较1、2脚地电位，来控制占空比。 在本控制器中只用到了TL494的误差放大器I，故将误差放大器H的IN十(16脚)接地、IN—(15脚)接高电平。为保护TL494的输出三极管，经R26和R25分压，在4脚加接近0．3V的间歇期调整电压。R13、C14和C6组成了闭环校正网络，

然后通过分析得出该电源的工作频率为30kHz，又因为5、6脚为振荡器的 RT、CT输人端，决定工作频率。其公式

1.2如下:f?(kHz)R－RT端的电阻RC

（K?）

C—CT端的电容（?F）

6. 驱动电路

开关稳压电源中的开关管V要求

在关断的时候就能迅速关断，并能维

持关断期间的漏电电流近似等于零;

在道统时要能迅速道统，并能维持导

通期间的管压降近也近似等于零。开

关管V趋于关断时的下降时间和趋

于导通时的上升时间的快慢是降低

图9 开关晶体管V损耗功率，提高压电

源效率的主要因素，要缩短这两个时

间，除了选择高反压，高速度，大功率开关管以外，主要还取决于加在开关管基极的驱动信号。这里我们采用了互补驱动电路。

保护电路：为了实现保护电源工作，需要一个保护电路。为了使电路排除故障后，电源能自动恢复为正常的状态。所以在设计电路时应该采用限流式过流保护。

7. 测试方法与数据：

测试方法 :输出电压检测法;最大输出电流检测法; 电压调整率检测法;负载调整率

检测法;输出噪声纹波电压峰-峰值检测法; DC-DC变换器的效率检测法;

动作电流检测法;

测试仪器 : 20MHz普通示波器b.60MHz双通道数字示波器e.低频毫伏表g.普通频率

计h.失真度测试仪i.直流稳压电源k.四位半数字万用表

测试数据 :1使用万用表的DC200V AC20V的量程.分别测输出,输入.并且记录下

来在常温下(AC18 V输入，＋36V输出正常条件下改变＋36V输出的负载，使负载从轻载到满载（10％I～100％I，I＝2.5A）变化)记录各组输入和输出电压如下表：

电流（A） 18V 36V

6

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50 18.55 18.61 18.05 18.86 18.17 18.24 18.36 18.48 18.18 18.64

35.73 35.85 36.12 36.01 35.88 35.75 35.79 36.02 35.89 0

2 从电压变化和电流变化情况看来，电压调整率能达到小于等于2%的要求。并且，当电路中的电流超过2.5A的时候，电路能达到自动停止工作。

8.发挥部分

1可以通过提高开关节变换速度减小开关变换时间。

2 可以提高工作效率。来加快DC-DC的变换。

通过两种以了两种方法。进一步提高电压调整率，提高负载调整率和提高效率。 排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。

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参考文献

1.何希才 。开关电源应用、设计与维修。学技术文献出版社 2 何英。 PROTEL 99入门与提高 。械工业出版社

3 刘选。 实用电源技术手册 。辽宁科学技术出版社

4 吴财福。 磁性元件分析与设计。中正大学电机工程研究所 5 何希才．新型开关电源及其应用．人民邮电出版社．1997 6 张占松．开关电源的原理与设计．电子工业出版社．1998 7 叶治政．开关稳压电源。高等教育出版社． 1990

8 黄俊，王兆安．电力电子变流技术．机械工业出版社．2002 9 叶斌． 电力电子应用技术及装置．中国铁道出版社．1999 10 王维平．现代电力电子技术及应用．东南大学出版社．2001

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