正负输出可调直流电源
第一章绪论
第一节课题的背景及意义
1.1.1 课题背景
很多电子设备，家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低功耗、便携式的一起设备选用干电池供电外，绝大多数电子设备正常工作需要直流供电，而常用的电源——市电是220V或380V的交流电，因此需要把交流电变换成直流电。1例如在我们学习的大多数集成运算放大器都需要加规定的直流偏置才能正常工作。所以直流稳压电源对于我们的模电课程学习来说十分重要，一个稳定可靠的直流稳压电源是今后我们学习、设计其他电路的保证。
1.1.2 课题意义
但是不同的电路对于直流电压值有着不同的需求，常见的有±12V、±5V等等不同的需求。为了达到巩固课程知识目的的同时，能够做到学以致用，制作一些对于今后有实际意义的电路，我们选择±12V、±5V 以及3—18V五组参数作为设计的电压输出参数值。此次所要设计的电源要求的输出功率较小，为了简化电路并提高电路的稳定性，因此选择集成稳压器的设计思路。
第二节设计内容及要求
1.2.1 设计内容
LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波
电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
1.2.2 研究要求
要求设计制作一个正负可调输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为正负直流可调稳压电源
输出：直流电压±1.25V~±30V。
第二章电路设计
第一节整流电路设计
2.1.1 核心元件
核心元件：1N4007
二极管内部是一个PN结，因此它一定具有PN结的特性，实际的二极管伏安特性如图2.1.1所示。
正向特性：当正电压超过死区电压值时，外电场抵消了了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管的正向电阻变的很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变。
反向截止特性：当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，
只有少数载流子的漂移运动，形成漏电流极小。
最大额定值
电性能参数
2.1.2 工作原理
如下图，当u2为正半周时，电流由A点流出，经D1、R L、D3流入B 点，图中箭头所示，因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即u0=u2，D2和D4管承受的反向电压为-u2。当u2为负半周时，电流由B点流出，经D2、R L、D4流入A点，负载电阻R L上的电压等于-u2，即u0=-u2，D1、D3承受的反向电压为u2。这样D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻R L上在u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变。
第二节 滤波电路设计
2.2.1核心元件
核心元件：电解电容
整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，
不能适应于大多数电子设备的需求。因此采用电容滤波，在整流电路的输出端并联一个电容C 1即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大，因此一般采用电解电容。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。
电解电容
额定电压：35V 容值：100uF
图2.1.2 单向桥式全波整流电路
2.2.2 工作原理
工作原理：当变压器副边电压u2处于正半轴并且数值大于电容两端电压u C时，二极管D1、D3导通，电路一路流经负载电阻ＲＬ，另一路对电容Ｃ充电。因此在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压u C（u L）与u2相等,见下图中曲线ab段。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻R L放电，其电压u C也开始下降，趋势与u2基本相同，见图中的bc段。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定数值后，u C的下降速度小于u2的下降速度，使u C
大于u2从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。此后电容C继续通过R L 放电，u C按指数规律缓慢下降，见图中cd段。
当u2的负半周幅值变化到恰好大于u C时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，u C上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时，D2、D4变为截止，C对R L放电，u C按指数规律下降，放电到一定数值时，D1、D3变为导通，重复上述过程。
第三节核心电路
2.3.1 核心元件
核心元件：LM317 LM337
LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围为1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。
●输出电流超过1.5安
●输出在1.2伏和37伏之间可调节
●内部热过载保护
●不随温度变化的内部短路电流限制
LM337是可调节3端负电压稳压器，在输出电压范围为-1.2伏到-37伏时能够提供超过1.5安的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。
●输出电流超过1.5安
●输出在-1.2伏和-37伏之间可调节
●内部热过载保护
●不随温度变化的内部短路电流限制
2.3.2 工作原理
在图2.3.2-1中所示的电路中，因LM317的基准电压是1.25V ，这个
电压在输出端3和调整端1之间，输出电压只能从1.25V 上调。输出电压表达式为
251201050125.1R R R U ??+???? ?
?+=-
上式中的第二项，即61050-?表示从LM317调整端流出的经过电阻2
R 的电流为50uA 。它的变化很小，所以在2R 阻值很小时，可忽略第二项，
即为
???? ?
?+=210125.1R R U
电容0C 用来改善输出电压中的纹波。跨接电容in C 是为了预防产生自
激振荡。
注意事项：当稳压器离电源滤波器有一定距离时in C 是必需的；
0C 对稳定性而言是不必要的，但改进瞬态响应。
LM337的工作原理与LM317的相同电路如图所示。输出电压表达式为
???? ?
?+-=120125.1R R V U
注意事项：当稳压器离电源滤波器超过4英寸时需要in C ，建议使用
1.0uF 的固体钽电容或10uF 铝电解电容。
第四节 保护电路
2.4.1 核心元件
核心元件：1N4007
1N4007在前面已经做过详细介绍，这里只重点说明它的特性。
正向特性：当正电压超过死区电压值时，外电场抵消了了内电场，
正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管的正向电阻变的很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变。
反向截止特性：当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一
致，只有少数载流子的漂移运动，形成漏电流极小。
2.4.2 工作原理
当外部电容应用于任何集成电路稳压器时，有时必须加保护二极管
以防止电流在低电流点向稳压器放电。
LM317工作原理：图2.4.2-1显示了在输出电压超过25V 或高电容值
（uF C uF C Adj 10,250>>）时带所推荐的保护二极管的LM317。二极管1D 防止输入短路时0C 经过集成电路放电。二极管2D 防止输出短路时Adj C 放电
对集成电路放电。二极管1D 和2D 的组合防止输入短路时Adj C 通过集成电
路放电。
LM337工作原理：图2.4.2-2显示了在输出电压超过-25V 或高电容
值()uf C uF C Adj 10,250>>时带保护所推荐的二极管的LM337。二极管1D 防
止输入短路时0C 经集成电路放电。二极管2D 防止输出短路时电容Adj C 对
集成电路放电。二极管1D 和2D 的组合防止输入短路时Adj C 通过集成电路
放电。
第五节软启动电路
核心元件：MPS2907
LM317的软启动电路的应用：为了避免开机时对放大元器件的冲击，在LM317的调节端和输出端之间使用了一个PNP三极管、电阻、电容，以获得软启动。工作基本原理为：50K和10UF决定了软启动的时间，开机后，通过50K对10UF冲电，冲电完成后MPS2907导通.
软启动电路设计：软启动电路由晶体管T，电阻R3，R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压UO有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压UI接入时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故UO很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以UO也升高。当C布满电时，T被截止，启动电路失去作用，UO也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。
第三章电路制作与调试
第一节用MATLAB仿真软件仿真电路
3.1.1 MATLAB/SIMULINK仿真的目的与意义
MATLAB是一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。SIMULINK是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。
在电力电子电路如变流装置的设计过程中，需要对设计出来的初步方案(电路)及有关元件参数选择是否合理，效果如何进行验证。如果通过实验来检验，就要将设计的系统用元件安装出来再进行调试和试验，不能满足要求时，要更换元件甚至要重新设计、安装、调试，往往要反复多次才能得到满意的结果。这样将耗费大量的人力和物力，且使设计效率低下、耗资大、周期长。
采用计算机进行仿真试验，则可大大地节约开支，提高设计效率，缩短设计周期。但是用其它计算机高级语言(如 C语言，BASIC语言或仿真语言)编程实现，对电力变流电路来说，由于大功率开关器件开关转换电流换相动态过程十分复杂，过渡过程一个接一个，一个未完，新的一个又开始了要分析输出电压、电流(带感性负载时)波形，特别是如大功率开关管关断时承受的尖峰电压大小形状，即阻容保护电路的保护效果如何，就要建立等效电路的数学模型。而这样的数学模型是很复杂的，即使建立起来了，用计算机编程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。然而采 MATLAB/SIMULINK可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真则可使之变得直观，简单易行，效率高，真实准确。
3.1.2课题仿真
仿真软件软件中没有LM317就使用了一个替代电路，由LM7805CT、
D7、V2组成。
由于替代电路的限制，无法对整个电路进行仿真，所以只对正电压
输出部分进行了仿真。而且由于电路是基本对称的，所以负电压输出部分测量出的数据的绝对值应该和正电压输出部分的没有太大出入。
图3.1.2-1显示了当可调电阻R3阻值为最大时，电路所得的输出电
压最小是1.253V 。
图3.1.2-2显示了当可调电阻R3阻值为最小时，电路所得的输出电
压最大是28.457V 。
第二节用Protel制作电路原理图
3.2.1 Protel自动化软件的简介
Protel是国内最流行、使用最广泛的一套电子设计自动化软件，简称EDA软件（Electronic Design Automatic）。公司2001年正式推出具有产品数据管理（PDM）功能强大EDA综合设计环境protel 99se,该软件采用客户机/服务器模式结构，采用统一的数据库管理，能够进行电路的电气规则检查，可以电路图仿真，软件包括了大多数常用元件以及这些元件的封装形式，使用十分方便，它具有原理图设计、层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等特点，是电子设计的最常用的电子设计软件之一。
在仿真原理图之前必须遵守一些规则：
1．所有的元件须引用适当的仿真元件模型。
2．设计者必须放置和连接可靠的信号源，以便仿真过程中驱动整个电路。
3．设计者在需要绘制仿真数据的节点处必须添加网络标号。
4．如果必要的话，设计者必须定义电路的仿真初始条件。
3.2.2 电路原理图的制作
原理图绘制过程：
1．创建原理图、元件库：在进行电路原理图设计之前首先应创建一个原理图文件和一个元件库文件。
2．从系统元件库中引入元件：绘制电路原理图必须要放置元件符号，Protel99SE 中自带数万个元件符号分别存放在不同的元件库中，用户根据需要再有选择地进行加载。从所加载的元件库中复制所需要的元件，粘贴到自己建好的元件库中，以备使用。如果找不到所需要的元件，就只能自己画了。
3．原理图的绘制：元件库引入元件完毕以后，打开原理图，在原理图中打开自己建立的元件库，就可以进行原理图的绘制了。
绘制原理图的注意事项：
1．有时在连接导线时会跳过另一条导线，这时要注意画的导线和所要跳过的导线之间是否有节点，如果这两条线不应相交，则应将节点删除。
2．生成流水号后一定要仔细检查电路图中生成的流水号是否有缺失、重复的状况，否则会影响到网络表的导入。
绘制原理图的小窍门：
1．在放置元件之前按下“Tab”键可对元件进行设置。
2．按X键使元件符号左右翻转，按Y键使元件符号上下翻转，按空格键使元件符号旋转90度。
图3.2.1是完成后的电路图。
图3.2.1 电路原理图
3.2.3 生成PBC板
生成PCB板的流程：
1．创建PCB和封装库：在生成电路PCB板之前首先应创建一个PCB 文件和一个封装库文件。
2．从系统封装库中引入封装元件：生成PCB必须要有相应的封装库，Protel99SE 中自带封装元件，分别存放在不同的封装库，中用户根据需要再有选择地进行加载。从所加载的封装库中复制所需要的封装元件，粘贴到自己建好的封装库中，以备使用。但是大部分需要依据实际测量
元件元件的尺寸来自己画出所需要的元件。
3．设置原理图元件封装：这一步需要回到原理图。将相应元件的封装设置成相应封装元件的名字，一定要一一检查。
4．创建网络表：这一步仍然在原理图。打开原理图，在原理图中生成网络表。
5．调入网络表文件和修改零件封装：这一步是非常重要的一个环节，网络表是 PCB 自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。在原理图设计的过程中， ERC 检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。当然，可以直接在 PCB 内人工生成网络表，并且指定零件封装。
6．零件布局：Protel99 可以进行自动布局 , 也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行 "Tools" 下面的 "Auto Place"。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。
生成PCB的注意事项：
1．根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2．零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。
3．印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则．长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状．这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
4．输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
5．在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成 Keep Out 层，即禁止布线层。
生成PCB的小窍门：
使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，
使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
图3.2.3是完成后的PCB板。
图3.2.3 PCB板
3.2.4 电路板的制作
将PCB图打印在光面纸上，将单面板经过三氯化铁液体刷洗、晾干，再将打印出的纸张覆盖在单面板上，经过压板机，将碳线附在单面板上，再放入三氯化铁液体中浸泡，待铜面被腐蚀完后，捞出单面板晾干。再用棉球蘸上酒精和钙粉将碳线擦去，打孔，PCB板制作完成。
第四章电路调试
第一节电路焊接
焊接时必须具备以下几个条件：
1．焊件必须有良好的可焊性
2．焊件表面必须保持清洁
3．焊件要加热到适当的温度
4．焊件要使用合适的助焊剂
5．合适的焊接时间（一般不超过５S）
焊接时的注意事项：
1．经过仔细的加热时间不能太长也不能太短。加热时间不足，会形成松香夹杂而虚焊；加热时间太长，则会造成元器件损坏，还可能造成焊盘脱落。
2．保持烙铁头的清洁。焊接时，烙铁头长期处于高温状态，又接触助焊剂等酸性物质，其表面很容易氧化腐蚀并沾上一层黑色杂质。
3．在焊锡凝固之前不要动。切勿使焊件移动或受到震动，特别是用镊子夹住时，一定要等焊锡凝固后再移走，否则极易造成焊点结构疏松或虚焊。
焊接，电路板成型。
第二节电路调试
4.2.1 调试的内容
依据电路图焊接好元器件之后，仔细检查元器件是否焊接有误，电路板是否存在虚焊或焊渣短路等现象，检查无误后进行上电调试。
由输入端子接入220V交流电，发现有电容烧毁。将损坏元件卸下后，用万用表测量了元件两端的电压值正常，检查元件发现，所选电容耐压值太低，造成元件烧毁。
换了新电容焊接正确后上电调试，正负电压输出端输出的电压最大
值超过了设计要求。调节电位器，可以实现输出电压的调整。但随后电位器也被烧毁，经仔细检查发现，电位器耐压值也比较低。
换了新电位器焊接无误后上电调试，输出端电压过大的问题仍然没有解决。用万用表测得变压器输出端电压正常，经整流滤波后的电压变为直流电，电压值也正常，输出端电压仍然超出了设定值很多。
4.2.2调试结果分析
对系统电源调试过程进行分析，得出以下结论：
1．电解电容和电位器都有其耐压值，在选择合适的电容时不仅要考虑合适的容值，也要考虑其耐压值。
2．在接入220V交流电源前要把电位器的阻值调到最大，起到分压限流的作用，以保护电路中的其他元件。
3．由于焊盘比较小，铜敷线之间的距离比较近，极易造成虚焊、桥接等故障，因此在拆卸、焊接时应掌握控温、预热、轻触等技巧。
4．调试时一定要逐级调试，从输入端开始测量每个部分的输出电压、电流，以便于发现问题和解决问题。
结束语
该稳压电路应用三端集成稳压电器，采用了二极管保护和软启动电路。软启动电路的引入适应负载的启动特性。电路的结构简单、功能完善、可靠性高。
直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中有着极其重要的地位。它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的日益发展，电源技术必将有很大的发展空间。也随着它的广泛应用，电源电路的设计与调试尤为重要，本文以基于三端集成正稳压器LM317和三端集成负稳压器LM337的稳压调压电路为例，重点分析电源电路的设计思路、方法及电源的安装与调试过程，结合调试中遇到的问题，对电路的调试方法及注意事项进行了分析。