串联负反馈稳压电源设计与制作.doc

科学技术学院

SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OF

NANCHANG UNIVERSITY

《工 程 训 练》报 告

REPORT ON ENGINEERING TRAINING

题 目 串联负反馈稳压电源设计与制作

学科部、系： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期：

摘 要

当今社会飞速发展，人们所享受着电子设备带来的很多便利，但是任何电子设备都有一个共同的特点，就是他们的电源电路。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路，电子设备的发展根本无从谈起。

任何一种电路都需要电源，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，再经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了变压器的基本工作原理及全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，系统地介绍了一些在本次实训中要用到的元器件。同时并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限 流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。 在完成该电路理论地设计与计算之后，我们又全面学习了Protel 和 Altium Designer两个在电子电路设计与制作中必须熟知的两个软件，实践了PCB制板的全过程。最后，安装元器件，调试，分析，测试性能验收。

目 录

第一章 串联负反馈直流稳压电源的概述

1.1 制作串联反馈型稳压电源的目的要求 „„„„„„3

一、基本目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

二、基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

1.2 基本知识介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„3

一、电源变压器知识„„„„„„„„„„„„„„„3

二、整流电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

三、滤波电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

四、串联型稳压电路„„„„„„„„„„„„„„„6

1.3 主要元器件简介„„„„„„„„„„„„„„„„6

第二章 串联负反馈稳压电源设计与计算

2.1 原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

2.2 电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算„„„7

一、整流部分设计与计算„„„„„„„„„„„7

二、 滤波电路„„„„„„„„„„„„„„„ 8

三、稳压输出电路部分相关参数的计算„„„„„8

第三章 Protel及Altium Designer软件的介绍与使用

3.1 Protel原理图绘制与仿真图„„„„„„„„„„„8

3.2 Altium Designer绘制原理图与导入PCB„„„„„„8

第四章 PCB板的制作与元器件的安装

4.1 PCB板的制作流程介绍„„„„„„„„„„„„15

4.2 生成PCB图及制板„„„„„„„„„„„„„„15

4.3 安装元器件„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

第五章 调试分析与性能测试„„„„„„„„„„„„„„„„16

第六章 心得体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17

附录 工程训练成绩评定表„„„„„„„„„„„„„„„„ 18

第一章 串联反馈型稳压电源整体简介

1.1 制作串联反馈型稳压电源的目的要求

一、基本目的

此次工程训练选择使用分立式元器件构成串联反馈型直流稳压电源。学生通过实训了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的标准产品。

二、基本要求

1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件；

1输入电压： ○

2直流输出电压：Uo=+3V～+15V ○

3最大输出电流：Iomax=500mA ○

4过流保护：I。>2.4A ○

5内阻:R

2、以本工程训练为实例先学习Altium Designer基本知识，并运用其绘制电源PCB图；

3、学习Protel知识，对本电源电路进行仿真，最终确定PCB图；

4、掌握电子电路板制作的全过程，实现电源的制作；

5、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试。

1.2 基本知识介绍

一、电源变压器知识

1． 初级(Primary Winding)：是指电源变压器的电源输入端。

2． 次级(Secondary Winding)：是指电源变压器的输出端。

3．额定输入电压U：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。对GS变压器来说，U＝230V；对BS变压器来说，U＝240V。

4．空载电流I：是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。I与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I也可能不同。

5． 空载电压U：是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压

器，其U也可能不同。

6． 负载电流I：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。

7． 负载电压U：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。

8． 定输出功率P：是指变压器在额定输入电压U时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，P越大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压U不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。

由公式P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。举例来说，一个输出功率P=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I= P/U=10VA/24V＝ 0.416A；若U=12V， 则输出电流I=0.833A。

电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。 变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。

对于本次工程训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功率，变压器的额定容量，所以在本次工程训练中选择的是小型单相式变压器，有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。可根据具体功率及计算要求选择。

二、整流电路

1、半波整流电路

由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。

2、全波整流电路

由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中也一般不采用。

3、桥式整流电路

电路工作原理:利用二极管正向导通、反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2\D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通, D1、D3截止。而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：Uo=0.9*Ui，脉动系数:S=0.67，选管原则: If ≥1/2Io，Ur ≥1.414U2。结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次工程训练采用桥式整流。

三、滤波电路

滤波电路主要有：电容滤波、RC-∏型滤波、LV-∏型滤波、L滤波，LC滤波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合，所以本电路采用LC滤波电路。

LC 滤波电路 LC 滤波波形

电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,

电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力. 主要参数:LC滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有 Uo=0.9U2

四、串联型稳压电路

稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。

稳压电路的主要指标：稳压系数Sr、稳压电路的输出电阻，纹波系数

1.稳压系数Sr：稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量△Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量△Ui/Ui之比，即： 该指标反映了电网波动对输出电压的影响。此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。

2．稳压电路的输出电阻 ：输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即： 除了上述两个指标外,有时还用其它指标:电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化 ；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰—峰值表示；

3.温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。 直流稳压电路的类型很多，有：硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。集成稳压器有两种：输出固定电压和可调输出电压的稳压块。

4.纹波电压是指叠加在直流输出电压U。上的交流电压，通常以有效值或峰—峰值表示。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大，因此纹波电压因在额定输出电流情况下测出。

1.3 主要元器件简介

一、三极管：

（1）8050NPN管：25v 700mA 200mW 150MHZ 放大倍数30——100

（2）8550PNP管：40v 1500mA 1000mW 200MHZ 放大倍数40——140

（3）大功率三极管2SC2563NPN，通用参数： 8.0A/120V

二、常用整流二极管参数

IE5408 最大平均正向电流(A):3 峰值反向电压VRRM(V):1000

最大全周期正向压降VFM(V):1.200 最大非重复浪涌电流IFSM(A):200 最大反向电流IR(mA):0.010

第二章 串联负反馈稳压电源设计与计算

2.1 原理图

原理电路图说明：

整个电路大致分为四个部分:取样电路(R8,R10,R13,组成的分压器)，基准环节（Q7，D6组成稳压电路），调整部分（Q1，Q2调整管），放大比较（由Q7组成），电路可以实现在3~15v直流电压的输出；

2.2 电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算

直流稳压电源电路可分为以下几个模块：

变压器（220V50Hz）→整流→滤波→稳压电路（反馈调整、取样电路）→稳定直流

一、整流电路

1、整流输出电压平均值：（Uo）

Uo= 1/2ρ∫0uod(wt)=0.9U2

负载上的平均电流：IL=0.9U2/RL

2ρ

2、脉动系数S

S定义为：整流输出电压的基波峰值Uom与平均值Uo的比值。所以 ，经计算知 S=2/3≈0.67

二、滤波电路

RLC愈大→电容放电越慢 →Uo越大，一般取

td=RLC≥(3~5)T/2 ( T :电源电压的周期)

近似估算：Uo=1.2U2

三、稳压输出电路部分相关参数的计算

可分析得知该电路具有稳压功能。

对应原理图看有(一个档位)：

UL=（R13+R10）Uo/(R8+R13+R10)

所以,输出最小：

Uo=(R8+R13+R10) UL/(R13+R10)

输出最大：

Uo= (R8+R13+R10) UL/R13

第三章Protel及Altium Designer软件的介绍与使用

3.1 Protel软件的概述

Protel简介：Protel ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。

3.2 Altium Designer软件的概述与使用

一、Altium Designer的概述

Altium Designer是业界第一款也是唯一完整的板级设计解决方案。Altium Designer拓宽

了板级设计的传统界限，集成了 FPGA 设计功能，从而允许工程师能将系统设计中的 FPGA 与 PCB设计集成在一起。Altium Designer以强大的设计输入功能为特点，在 FPGA 和板级设计中，同时支持原理图输入和HDL硬件描述输入模式；同时支 持基于 VHDL 的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析。Altium Designer 的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在 PCB 布线中采用了无网格的SitusTM拓扑逻辑自动布线功能；同时，将完整的 CAM输出功能的编辑结合在一起。基于 Altium新推出的支持 Livedesign的 DXP平台，Altium Designer 在你的整个系统设计流程中充分发挥其卓越的性能。支持多国语言（中文、英文、德文、法文、日文）完全兼容 Protel98/Protel99/Protel99se/ProtelDXP，并提供对 Protel99se 下创建的DDB文件导入功能 支持 PCB与 FPGA引脚的双向同步 提供完善的混合信号仿真、布线前后的信号完整性分析功能 提供了对高密度封装（如BGA）的交互布线功能 NanoBoard NB1开发板和 板上的逻辑可编程芯片一起组成了可重新配置的系统设计验证平台 NanoBoard NB1使用板上 JTAG* 接口与用户的 PC进行连接, 来支持硬件设计的下载和提供 NanoBoard NB1与用户 PC之间的通讯 NanoBoard NB1是第一款 LiveDesign – enabled系统设计验证平台 允许用户交互式的执行并调试验证基于逻辑可编程芯片的系统设计 用于配合 Altium公司Altium Designer的设计方案验证 NanoBoard NB1 配套子板： * Altera(R) - Cyclone(TM) (EP1C12-Q240C7) * Altera(R) - Cyclone(TM) with SRAM (EP1C20F400C8) * Altera(R) - Stratix(TM) with SRAM (EP1S10-F780C7)

Altium Designer 6.0以强大的设计输入功能为特点，在 FPGA 和板级设计中，同时支持原理图输入和 HDL硬件描述输入模式；同时支持基于VHDL的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析.Altium Designer 6.0的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在PCB布线中采用了无网格的 SitusTM拓扑逻辑自动布线功能；同时，将完整的 CAM 输出功能的编辑结合在一起。 Altium Designer 6.0 是两年之内的第六次更新，极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放置在 PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列 (BGAs)。 Altium Designer 6.0中的Board Insight(TM) 系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。 Board Insight 集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。 Altium Designer 6.0 引入了强大的‘逃逸布线’引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布线刚好引到BGA边界，这令对密集BGA类型封装的布线变的非常简单。 显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。Altium Designer 6.0极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量 LVDS资源。Altium Designer 6.0 充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。

二、Altium Designer在本电路中的具体应用

1、 新建原理图

2、绘制原理图

(1）选择元器件

（2）放置并连接元器件

（3）原理图中添加封装

4、由原理图导成PCB图

（1）新建PCB工程

（2）绘制PCB板的区域大小

（3）将原理图文件拖入PCB工程

（4） 将原理图导入PCB

（5）.连线，生成PCB图

4.1

第四章 PCB板的制作与元器件的安装

PCB板的制作流程介绍

PCB板制作的一般流程：

↓

↓

4.2 生成PCB图及制板

打印PCB图，热转印，腐蚀，钻孔，完成PCB板的制作。

4.3 安装元器件

利用烙铁焊锡焊接，对照原理图或PCB图焊接安装元器件。（注意焊接要牢固不要有虚焊点）

第五章 调试分析与性能测试

安装好元器件后，检查线路，看有没有短路的地方（特别是在在变压器部分）。接通电源，观察二极管指示灯是否亮，调节滑动变阻器，观察表头是否在3~15之间变化。若没变化，可断开电源，测试没有电压部位的元器件是否存在有虚焊的情况，用万用表的蜂鸣档检测是否有短路或是开路。对电路整体进行分析排查，原理图是否正确，封装图是否正确，看是否有元器件因为某点的短路而烧坏的，逐级进行。检查三极管管脚是否正确，反复调试，直到找到原因所在。

调试完成后，测试主电路的输出范围，是否满足3~15V档位。观察电主路输出电压实际值为多少，一般做出来之后档位范围太小，在仔细分析产生误差的原因，可知由于取样电路的的阻值与理论计算值是存在一定的差异，可以对照原理图将取样部分的电阻R8、R10稍做改变，使其输出电压的范围在3~15v档位之间连续变化。

至此，完成整个电路的调试与测试，可验收，交作品！

第六章 心得体会

经过两周的工程训练，让我知道了直流稳压电源的设计与制作的各个步骤以及其中的细节，也让我掌握了不少在以后工作学习中需要的基本技能以及解决问题的思路和方法。同时我们在这次工程训练中还学到了一个更为重要的知识点，Altium Designer 和Protel软件的使用以及PCB板的制作。我们是以此次工程训练串联式直流稳压电源的原理图为实例来学习这两个软件的，目前我们能够使用Proteus进行原理图绘制与仿真，并且也在该软件中仿真出了实验结果。同时也是以该实例学习了Altium Designer软件的使用，能够用该软件进行原理图的绘制，实物封装的制作，以及由原理图导成PCB图等。这两个软件可是在电子领域享有名气的EDA软件，它们可以设计几乎所有的电路，以及对这些电路图进行调试和仿真，生成PCB图等等。而它们的功能超级强大，是两个不错的软件，也是电子领域人员必须会熟练使用的两个软件。我们这次学习这两个软件为我们以后不管是学习还是工程训练或是做产品都打下了良好的基础，所以这也是我们此次工程训练的一大收获。

另外此次工程训练让我们学到更多书本上没有的知识。如在这次工程训练中我们也亲自动手制作了这电源，亲自实践制作了这个电源的PCB板的全过程。也激发我们对于实践操作的兴趣！但这次的工程训练也让我们知道书本知识是远远不够的，我们必须具备一定的自学能力。电子行业知识更新换代是很快的，这就要求我们有更多更丰富的知识，所以我们不仅要掌握好书本知识，也要对其他资料的知识进行了解。总的来说，这次工程训练——分立式元器件串联反馈型直流稳压电源的制作 让我们学到了很多东西，不仅让我们对知识理解加深，也加强了我们的动手能力，提高了我们理解能力；也学会了电子领域及其重要的两个软件，为我们后续课程及实训打下了良好的基础，更重要的是此次工程训练还让我们体会到学习的方法及实践动手能力的重要性，也培养了我们整个制作的兴趣！

参考文献（References）

【1】Well．Multiple-modulator fraction-n divider[P]．US Patent，5038117．1986-02-02 【2】Brian Miller．A multiple modulator fractionl divider[J]．百度文库 【3】参考网站：电子爱好者：http://www.elecfans.com/

工程训练成绩评定表

专业：班级：学号：姓名：

时间： 2012年 5 月 4 日