信息工程学院
课程设计报告
设计题目: 开关直流稳压电源的设计
名称: 电子信息专业基础课程设计
班级: 电子(1003) 姓名:
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设计时间: 至
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摘要
随着开关电源在计算机通信航空航天仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源的效率体积重量轻等很多方面逐步取代了效率低又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT 和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提高了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。
目录
第一章绪论
1.1 电源的发展情况
1.2开关型直流稳压电源
1.3开关稳压电源的优点
1.4 开光稳压电源的缺点
1.5 引起稳定电源输出不稳定的因素
1.6 稳定电源的技术指标
第二章特殊器件的介绍
2.1 TWH8778
2.2 稳压二极管
2.3 三极管
2.4 变压器
第三章方案整体设计
第四章电路的设计以及原理
4.1 实验电路的原理图
4.2 元器件选择
4.3 电路工作的原理
4.4 元件清单
五、结论与心得
第一章绪论
1.1 电源的发展情况
电子设备正常工作是离不开电源稳定的电能提供的, 随着时代的发展和技术进步, 电源技术发生了质的飞跃。纵观电源技术的发展可以看出, 市场需要推动了技术的发展, 技术的不断革新又将面临着新的挑战。一、传统电源技术中的弊端目前, 电源产品可分为5 大系列:AA 系列.. 交流稳压电源; AB 系列.. 交流或电池输入, 交流输出, 又名UPS 电源; AD 系列.. 交流变直流( 直流电源) ;ADA 系列.. 将交流先变成直流, 再将直流变为交流(净化电源) ; DD 系列.. 直流变直流。而传统的电源技术仅仅局限于AA 系列和AD 系列两个方面。
二、不断发展中的现代电源技术1. AD 系列中的开关电源开关电源克服了传统串联型稳压电源的种种不足, 功率管不是工作在放大状态, 而是工作在开关状态, 通过控制开关的占空比来调整输出电压, 功率大, 功耗小, 而且对电网的要求大大降低, 可允许电网在110V~ 260V 范围内变化, 电能的利用率也从原来的45%提高到70% ~ 95%[ 1] ; 开关电源在输入抗干扰性能上, 由于其自身电路结构的特点, 一般的输入干扰如浪涌电压很难通过, 在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势, 其输出电压稳定度可达( 0. 5~ 1)%[ 3] ; 另外, 开关电源可同时输出多个电压值。基于以上种种优点, 开关电源应用范围很广, 被广泛应用在电视、电脑和各种办公自动化设备中, 如复印机、打印机和传真机等, 形形色色的充电器也皆采用了开关电源技术。按照开关管与电压输出端之间的关系, 开关电源可分为串联型和并联型, 按照振荡的方式又可分为自激式和它激式, 通常多为自激式, 它激式较少,开关电源实际上是借助于开关变压器进行工作的, 从电路组成来看, 开关电源是由振荡电路、稳压电路、保护电路三大部分组成的, 为提高电源的功率, 开关管常采用MOS 管, 以充分利用其大电流特性; 为了提高电源的稳定性, 通常将电路集成化; 为了使电路工作在安全状态, 常设置有多重保护, 如,过流、过压、欠压( 短路) 和过热保护等。2. U PS 不间断电源电脑对工作环境有着特殊的要求, 主要表现在需要一个连续稳定的电能提供, 于是新型的电源产品便诞生了U PS 电源即不间断电源。它的出现解决了传统AA 电源无法克服的问题, 当电网突然停电, 电源内部的市电检测电路迅速做出反应, 逆变电路开始工作, 将备用在电源内部蓄电池的直流能量转变为交流220V 对电脑进行供电, 从而保证了电能的连续供给, 使电脑得以正常工作, 并同时发出停电警告声音信号, 提示操作人员要迅速地进行相应的数据处理并准备结束工作任务。警告信号意味着此时的供电时间是有限的。一个500W 的UPS 电源可为一台电脑提供5 分钟的停电供电时间, 当然必须保证500W 电源内有两节12V、7AH 的电池, 如果只有1 节, 放电时间则只有2. 5 分钟, 现在市场上多为此类产品。通常将这种UPS 电源定义为后备式, 即停电后与蓄电池的电能储备之义, 蓄电池的充电是在市电正常时进行的。该种电源的另一功能就是市电稳压作用, 稳压方法是采用传统的继电器切换法, 电压调非常到位, 这主要是依赖于内部的电压取样与控制全部采用集成电路的缘故, 多为LM339, 此时要求市电必须在175V ~ 250V 之间, 如果过高或过低都会进行相应的保护动作, 自动切换到逆变状态, 待市电正常后自动恢复到市电工作状态。由上不难看出, 后备式UPS
电源仅仅适合于个人电脑或单台电脑的情况, 并且要求停电后可工作的时间是很有限的, 仅仅是留下一个结束任务的时间,显然对于要求必须连续作业的场所是没有实用价值的, 如电脑机房、邮电和银行营业场所等, 于是与之相适应的在线式UPS 电源净化电源出现了。3. 性能优良的净化电源通常需要连续作业的电脑系统一般为多台机器同时工作, 电源的功率较大, 与之相适应的净化电源功率也比较大, 小则几千瓦, 大则几十千瓦, 电压输出没有任何波动和干扰, 故美其名曰净化电源。净化电源高质量的输出与其工作原理是密不可分的。从整体结构来看, 它与后备式不同之处是增加了一个体积较大的电池箱, 电池间是以串联的方式连接, 最后通过两根引线与主机相连, 省去了后备式电源的稳压部分, 它是将市电直接进行整流加之电池两端, 逆变电路直接从电池提取能量输出稳定的220V 交流电压。通常电池的容量可达到停电后连续8 小时正常供电, 如果电池容量大负荷小, 供电时间还可以增加，实际上在这样的供电环境下, 根本无需顾忌是否停电, 这是因为市电正常时, 整流后的直流一方面逆变输出, 另一方面给电池充电, 如果下班时发现电池电量不足, 可关闭电源输出进行无人看管充电, 这是一般净化电源都具备的基本功能, 可见8 小时的工作期间是绝对安全可靠的。总之, 电源技术的发展是与市场需求密不可分的, 最大限度地满足市场需求是技术开发的出发点,消费市场中的急需是技术开发的动力。技术是永远没有终结的, 在电源技术领域如今同样存在着许多技术热点,。
。1.2开关型直流稳压电源
开关型直流稳压电源是与线性稳压电源不同的一类稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于电路中的变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功率管不是工作在线性区，而是饱和及截止区，即工作在开关状态；开关型直流稳压电源也因此而得名。无工频变压器式开关电源亦称低损耗电源，由于内部器件工作在高频开关状态，所以本身消耗的能量很低，电源效率可达80％，甚至90％，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关型直流稳压电源所用集成电路分两种：单端或双端输出式脉冲宽度调制器、脉冲频率调制器。二者均可构成无工频变压器的开关电源。它们是利用体积很小的高频变压器来实现电压转换及电网隔离，因此能省掉体积笨重的工频变压器。单片开关式稳压器是在20世纪肋年代至90年代发展起来的一种开关式集成稳压器，它将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中。典型产品有意一法半导体有限公司(SGS—Thomson)生产的L4960、L4970两大系列，稳压器效率可达90％以上，并且输出电压连续可调，适合制造从几十瓦至几百瓦的开关电源。单片开关电源属于AC／DC电源变换器，单片开关电源集成电路自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。开关电源的优点是体积小，质量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大(一般≤1％Uo(p-p)，好的可做到十几mV(p-p)或更小)。线性稳压电源是通过改变晶体管的导通程度来改变和控制其输出的电压和电流，在线性稳压电源中晶体管相当于一个可变电阻，串接在供电回路中。由于可变电阻与负载流过相同的电流，因此要消耗掉大量的能量并导致升温，电压转换效率低。线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管极间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。由于线性电源的变压器工作在工频(50Hz)上，所以质量较大。
1.3开关稳压电源的优点
（1）稳定性高，纹波小，
滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用
开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的
（2）体积小，重量轻由开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。
稳压范围宽从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压，而且实现稳压的方法也较多。
（3）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。
1.4 开光稳压电源的缺点
开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
1.5 引起稳定电源输出不稳定的因素
电网输入电压不稳所致电网供电有高峰和低谷期，不可能始终稳定（2）供电对象而引起的，即由负载变化形成的负载短路，负载电流无限大，输出电压趋近于零，时间一长会烧坏电源负载开路，无电流通过，输出电压会升高(3)稳压电源本身条件促成的构成稳压电源元器件质量不好，参数有变化时或完全失效就不可能有效调节前两种原因引起的波动(4)元器件受温度、湿度等环境影响而改变性能，进而影响稳压电源，导致其不稳定电路设计时须考虑前两种因素带来的影响
1.6 稳定电源的技术指标
电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：稳定性好、输出电阻小、电压温度系数小、输出电压波纹小。
第二章特殊器件的介绍
2.1 TWH8778
它带有散热片。TO-220封装。总共5个引脚，引脚排列从左向右分别是：1脚（输入端）2，3脚（输出端）4脚（地）5脚（控制极）。它属于高速集成电子开关，可用于各种自动控制电路。它外形简单，外围电路简单，内部包含过热，过压保护电路。其内部具有过压、过流、过热保护功能，可以适合大电流的驱动开关领域应用。在一些定时器、报警器等实用电路中广泛使用。在5脚与4脚之间加1.6伏特以上电压,1脚与2，3脚之间即可导通（我只试过12伏特，0.3安培的电流，发热量未知，没安散热片)。2，3脚内部已并联。其中4，5脚之间的电阻约为40k欧姆（数字万用表测）。
参数过压保护：典型值 30v 最大值40 最小输入电压:典型值 3v 最大输入电压： 30v 控制端最大电压：6v 延迟时间：典型值8微秒最大值20微秒控制端开启电压：1.6 -2 v 输出限制电流：最小值：0.55v 典型值： 0.8v 最大值1v 开关压降：典型值300毫伏最大值 500毫伏
2.2 稳压二极管
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。
故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前
一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。常用稳压二极管的型号及稳压值如下表：型号 1N4728 1N4729 1N4730 1N4732 1N4733 1N4734 1N4735 1N4744 1N4750 1N4751 1N4761 稳压值 3.3V 3.6V 3.9V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 15V 27V 30V 75V 稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。
(1)稳定电压Uz Uz就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。
(2)稳定电流Iz 稳压管工作时的参考电流值。它通常有一定的范围，即Izmin——Izmax。
(3)动态电阻rz 它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，如上图所示，即这个数值随工作电流的不同而改变。通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。
（4)电压温度系数它是用来说明稳定电压值受温度变化影响的系数。不同型号的稳压管有不同的稳定电压的温度系数，且有正负之分。稳压值低于4v的稳压管，稳定电压的温度系数为负值；稳压值高于6v的稳压管，其稳定电压的温度系数为正值；介于4V和6V之间的，可能为正，也可能为负。在要求高的场合，可以用两个温度系数相反的管子串联进行补偿(如2DW7)。
(5)额定功耗Pz 前已指出，工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好，但是最大工作电流受到额定功耗Pz的限制，超过P2将会使稳压管损坏。选择稳压管时应注意：流过稳压管的电流Iz不能过大，应使Iz≤Izmax，否则会超过稳压管的允许功耗，Iz也不能太小，应使
Iz≥Izmin，否则不能稳定输出电压，这样使输入电压和负载电流的变化范围都受到一定限制。下图示出了稳压管工作时的动态等效电路，图中二极管为理想二极管。
2.3 三极管
由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管,称为PNP型三极管. 也可以描述成,电流从发射极E流入的三极管. PNP型三极管发射极电位最高,集电极电位最低,UBE<0. 三极管按结构分,可分为NPN型三极管和PNP型三极管.三极管导通时IE=（放大倍数+1)*IB
和ICB没有关系，ICB=0 ICB>0时,可能三极管就有问题,所以三极管在正常工作时,不管是工作在放大区还是饱和区ICB=0,UBE>0.7V(硅)(锗0.2V),RC/RB<放大倍数时,三极管工作在饱
和区,反之就工作在放大区。
2.4 变压器
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电变压器原理图流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，输送的电能的多少由用电器的功率决定.
2.5桥式整流器
（1）在桥式整流电路中，由于四个整流二极管两两轮流在交流电的正、负半周内导电，因此流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半
ID(AV)=Io(AV)/2=1/2·Vo（AV）/RL=0.7V2/2RL=0.35 V2/ RL
桥式整流电路因变压器只有一个二次侧绕组，已知在V2正半周是，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止。此时VD2、VD4相当于并联在变压器的二次侧绕组上，所以，所承受的最大反向电压为V2的最大值，即：VRM=√2V2.
负半周时，VD1、VD3也承受同样大小的反向电压。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变的特点，将电容器和负载电容并联。
+ 电源+ 整流+ 滤波+ 稳压+
u1u2 u3 u I U0 _ 变压器_ 电路_ 电路_ 电路_
u1u2u3 u I U0
（a）稳压电源的组成框图
u
1 u
2
u
3
u
I
U
（b）整流与稳压过程图
第四章电路的设计以及原理
4.1 实验电路的原理图
本设计介绍的开关直流稳压电源电路，采用TWH8778型电子开关集成电路，具有电路简单、容易制作、工作效率高等特点，其输出电压为+l2V，输出电流为lA。
4.2 元器件选择
（1）Rl选用1/2W金属膜电阻器;R2-R5均选用1/4W金属膜电阻器。
（2）Rp选用膜式可变电阻器。
（3）Cl选用耐压值为25V的电解电容器;C2和C4均选用耐压值为l6V的铝电解电容器;
（4）C3选用高频瓷介电容器。
（5）VDl-VD5选用1N4004或1N4007型硅整流二极管;VD6选用1N4148型硅开关二极管或2CPlO
型硅普通二极管。
（6）VS选用2CWl3或2CW54(6V、0·4W)的硅稳压二极管。
(7)V选用C8550或"3CG8550、3CG2l型硅PNP晶体管。
（8）L用φ0，64-φ0·72mm的漆包线在 "I"形磁心上绕45匝，使电感量约1·26mH即可。
（9）T选用10-2OW、二次电压为l5V的电源变压器。
（10）IC选用们WH8778型电子开关集成电路。
（11）S选用250V、触头电流负荷为SA的电源开关。
4.3 电路工作的原理
输入变换电路由电源开关S、电源变压器T、整流二极管VDl-VD4和滤波电容器Cl组成。
开关输出电路由电子开关集成电路IC、电阻器Rl、R2、二极管VD5、电感器L、电容器C2、
C3组成。自动稳压电路由电阻器R3-R5、电位器RP、晶体管V、二极管VD6、电容器C4和稳
压二极管VS组成。接通S，交流220V电压经T降压、VDl-VD4整流及Cl滤波后，一路直接加
至IC的l脚;另一路经Rl和昭加至V的发射极，使V饱和导通，其集电极输出1·6V以上的
控制电压。该电压加至IC的5脚 (控制端)，使L内部的电子开关导通。lC内部的电子开关导通后，其2、3脚 (输出端)有电压输出。随着L中电流的不断增加，输出电压迅速上升，一方面为负载供电，另一方面为C4充电。当输出电压超过6V时，VS击穿导通，流过R3的电流开始增加。由于R3两端的电压降增大，使V的基极电流开始下降，当输出电压达到l2V时，V由导通状态变为放大状态。当输出电压超过l2V时，V发射结 (b ,e极之间)的电压降低，使集电极的输出电压下降至1·6V以下，IC内部的电子开关截止。由于和C2的储能作用，在IC截止后，L中电流不能突变，在L两端产生极性相反的电压，使续流二极管VD5导通，维持对负载供电。随着L中电流的不断减小及C2放电电流的不断增大，输出电压开始下降。当输出电压降至l2V时，V集电极的输出电压又升至1·6V以上，IC内部的电子开关又再次导通。如此周而复始，使IC处于开关振荡状态，输出电压稳定为+l2V。
4.4 元件清单
名称个数
电阻 5
电容 4
二极管 5
稳压管 1
可变电阻 1
电子开关集成电路
（TWH8778） 1
变压器 1
开关 1
三极管（PNP) 1
五、结论与心得
通过这次试验，我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。同时也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感谢老师的教导。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名学电子的学生，这次课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己对于所学的懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。
我认为这个收获应该说是相当大的。通过我们小组成员的共同努力和动脑完成的，虽然内容并不是很复杂，但是我们觉得设计的过程相当重要，学到了很多，收获了很多。我觉
得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。所以我认为这次的课程设计意义很深，和其他一位同学的共同学习﹑配合﹑努力的过程也很愉快，另外还要感谢老师的耐心辅导。