1、電子技術(shù)課程實驗報告 東華大學(xué)電子課程設(shè)計課題：12V-5V電源轉(zhuǎn)換器（開關(guān)電源） 目 錄1、 設(shè)計任務(wù)與需求32、 總體方案選擇4三、各模塊電路設(shè)計分解7四、電路總圖11五、所用元器件及購買清單12六、組裝與調(diào)試12七、收獲體會和建議16 參考文獻17 附錄 A17 附錄 B18 20電子技術(shù)課程實驗報告1、 設(shè)計需求與任務(wù)1.1、設(shè)計背景：開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備、儀器及家電。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子

2、設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)電源又被稱為高效能節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量極低，一般電源效率可達80%左右。1.2、設(shè)計任務(wù)：12V-5V電源轉(zhuǎn)換器（開關(guān)電源）(1) 輸入直流電壓12V，輸出直流電壓5V(2)在額定負載下，輸出電壓跌落30mv(3)在額定負載下，輸出紋波50mv(4)在額定負載下，輸出尖峰電壓200mv(5)功率轉(zhuǎn)換效率大于70%(6)帶有過流保護(1A)二、總體方案選擇2.1、PFM與PWM調(diào)制方法：2.1.1、PWM 當(dāng)輸出直流電壓偏離額定值時，反饋控制電路在保證開關(guān)管頻率不變的情況下，自動改變調(diào)整管的導(dǎo)通時間，即改

3、變脈沖電壓的寬度，從而改變脈沖電壓的占空比，使直流輸出電壓的偏移量在允許的范圍內(nèi)。這種方案稱為脈沖寬度調(diào)制，簡稱PWM型開關(guān)電源。其反饋電路是脈寬調(diào)制電路。2.1.2、PFM： 當(dāng)輸出直流電壓超過額定值時，反饋控制電路在保證調(diào)整管的導(dǎo)通時間不變的情況下，自動改變調(diào)整管的開關(guān)頻率（也就是改變脈沖電壓的頻率），從而改變電壓的占空比，使輸出直流電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，這種方案稱為脈沖頻率調(diào)整，簡稱PFM型開關(guān)電源，其反饋電路為脈沖頻率調(diào)整電路。2.2、針對PFM主要有自激式與驅(qū)動式兩種方案。2.2.1自激式 正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級線圈正在被直流脈沖電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功

4、率輸出。下圖所示正激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，其中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負載電阻。 圖1-1原理：改變控制開關(guān)K的占空比D，只能改變輸出電壓的平均值Ua ，而輸出電壓的幅值Up不變。因此，正激式變壓器開關(guān)電源用于穩(wěn)壓電源，只能采用電壓平均值輸出方式。 圖1-1中，儲能濾波電感L和儲能濾波電容C，還有續(xù)流二極管D2，就是電壓平均值輸出濾波電壓。2.2.2、驅(qū)動式 驅(qū)動式開關(guān)電源，是指運用振蕩電路高低電平實現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)通與否,如下所示圖中，開關(guān)A用振蕩電路的產(chǎn)生的脈沖高低電平控制。原

5、理：以12V直流電壓作為輸入，通過振蕩電路控制功率驅(qū)動開關(guān)電路的通斷時間，實現(xiàn)電感的充放電時間，改變輸出電壓的平均值，然后進行LC濾波，對輸出電壓進行電壓采樣和過流保護作為反饋控制信號，最后輸出5V的電壓。設(shè)周期為1，開關(guān)導(dǎo)通時間D（D<1），根據(jù)通過電桿上的平均電壓為0，則可以得到如下式子 ，從而實現(xiàn)降壓的電源轉(zhuǎn)換。 振蕩電路的控制方法有如下倆種常用接法，復(fù)位法和斬波法。復(fù)位法：斬波法：2.3、方案的可行性分析自激式變壓器一個最大的缺點，就是在開關(guān)關(guān)斷瞬間，由于電磁感應(yīng)，在初、次級線圈中都會產(chǎn)生一個很大反電動勢，容易擊穿開關(guān)元件，因此在設(shè)計中常常需要增加一個繞組以吸收反電動勢的能量。如

6、N3。而驅(qū)動式的串聯(lián)開關(guān)電源，相比之下，結(jié)構(gòu)簡單，效率也較高，所以選擇振蕩式進行開關(guān)電源設(shè)計，與此同時，由于復(fù)位法反應(yīng)更為靈敏，而且效果較好，振蕩調(diào)制電路常采用復(fù)位法。三、各模塊電路設(shè)計分解 3.1、功率驅(qū)動開關(guān)電路圖中電源電壓為12V。在電源和接地點之間分別接上一個10-100uf的旁路電容，能夠?qū)㈦娫粗械脑胍暨^濾掉，減少信號源對這個電路波形的干擾（在該電路設(shè)計中可以忽略該影響）。圖中R3=100,R4=100-300,R14=1-5.1k，Q1為大功率管，選用TIP32型號，Q2為中功率管，型號為3DG12，Q1、Q2實現(xiàn)兩級放大，大功率管的驅(qū)動通常需要較大的電流，通過中功率管Q2放大電流

7、驅(qū)動大功率管。3.2、LC濾波電路：二極管:選用普通二極管，在開關(guān)電路關(guān)斷時，電感放電，二極管與電阻R0構(gòu)成蓄流回路。電感:由于電感是儲能元件，且電流不會突變，通過電感的充放電實現(xiàn)降壓型壓穩(wěn)壓電源，同時具有濾波以及平波作用。電容：和電感實現(xiàn)LC濾波，具有抑制紋波的作用。電阻：RL為負載電阻。3.3、電壓采樣與過流保護實現(xiàn)原理：電壓調(diào)整，通過設(shè)定一定的基準(zhǔn)電壓，將從輸出端的采樣值分壓后的值與比較，當(dāng)>時，比較器的輸出高電平，三極管基極輸入高電平，三極管導(dǎo)通，集電極輸出低電平實現(xiàn)反饋控制，使電壓下降至5V;同理，當(dāng)<，比較器輸出及時的調(diào)整，并反饋控制充放電時間，使電壓上升至5V。過流檢

8、測，其實現(xiàn)原理與電壓調(diào)整實質(zhì)上一致，將采樣電流轉(zhuǎn)化為采樣電壓而實現(xiàn)過流保護，這里不做敘述。相關(guān)參數(shù)計算及說明：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值：由于輸出電壓要穩(wěn)定在5V，所以基準(zhǔn)電壓肯定不能超過5V，取基準(zhǔn)電壓為3V，因此穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為3V。比較器:比較器LM339(見附錄A)的正常使用時要接上拉電阻，常用的電阻值為5.1k-15k，可以選取5.1k作為使用。過流檢測電阻R10:由于最終額定負載電阻為5，為了減少R10對負載的影響，應(yīng)該使R10盡量比較小，取0.1-0.2。通過使一個10K電阻與一段銅絲并聯(lián)，可以大致做成0.2的小電阻，經(jīng)濟并且制作方法簡單。3.4、振蕩電路3.4.1、555定時器接成多諧振

9、蕩器時占空比: 振蕩頻率為：3.4.2、由于開關(guān)電源為12V-5V電壓轉(zhuǎn)換，所以充電時間(驅(qū)動管導(dǎo)通時間)至少應(yīng)該占每個周期的5/12.為了使設(shè)計留有一定的余量，我們設(shè)計占空比為80%，振蕩頻率設(shè)計為3-20KHZ，綜合以上我們?nèi)1=3K，R2=1K，C=14nf，此時占空比經(jīng)計算得K1=80%，頻率f1=20.4K。3.4.3、復(fù)位端上拉電阻，R4=4.7K。四、電路總圖4.1、電路框圖描述4.2、電路原理圖五、所用元器件及購買清單本課程設(shè)計所涉及的清單如下器材名稱數(shù)量器材名稱數(shù)量可調(diào)雙通道直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源1臺1k與10k滑動變阻器 各一只雙蹤示波器1臺大功率管TIP32 1只多功能萬用表

10、1臺中功率管3DG12 1臺LM339比較器1片普通三極管 2只555集成芯片 1片電感2只二極管 1只面包板 1塊3V穩(wěn)壓管 1只1000uf電容 1只導(dǎo)線若干470uf電容 1只1uf電容1只0.01uf電容兩只100電阻2只銅導(dǎo)線(制作小電阻)1段固定電阻10k,5.1k，4.7k,3k,1k,200若干六、組裝與調(diào)試6.1、在實際設(shè)計中，最常見的問題是，在面包板上按照圖紙連接好后，電源極性也沒有問題，但在示波器中出現(xiàn)理論應(yīng)出現(xiàn)的波形。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有很多。針對上述情況，在電路調(diào)試中，我對每個模塊進行一一檢測，先檢測驅(qū)動開關(guān)電路，發(fā)現(xiàn)引腳連接都沒有問題，卻始終無法驅(qū)動電路，我首先猜想

11、是自己的導(dǎo)線可能接觸不良，或者導(dǎo)線插入面包板過長，對電路板的內(nèi)部產(chǎn)生短路問題，仔細檢查后也沒有問題，最后我猜想是面包板本身插孔可能有些故障，因此用萬用表達到歐姆檔，對插孔進行測量，發(fā)現(xiàn)本應(yīng)不導(dǎo)通的三列插孔之間的電阻為100左右(實際電阻應(yīng)為M級)，改接其他插孔后，電路輸出很快就出現(xiàn)了5V左右的電壓。在現(xiàn)實連接調(diào)試過程中，要不斷對各部分功能電路模塊分塊進行排查，確保各個部分的正常工作。6.2、在電路的輸出結(jié)果出現(xiàn)5V后，我進一步對設(shè)計要求的其他參數(shù)進行測定，發(fā)現(xiàn)紋波很大，在老師的建議下，我將LC濾波電路中電容改為大電容1000uf，紋波得到很好地改善，而且波形更加趨于穩(wěn)定。6.3、紋波得到改善后

12、，我繼續(xù)調(diào)試尖峰電壓的參數(shù)。發(fā)現(xiàn)尖峰電壓接近1.2V，遠沒有達到設(shè)計要求，楊老師的指導(dǎo)下，在LC濾波電路之前加上一個小電容(0.1uf)后，觀察波形，尖峰已經(jīng)變?yōu)橹暗囊话?，隨后對電路做了進一步的改進，在555定時器的電源輸入端和LM339比較器的電源輸入端加了一個470uf的大電感，整體效果得到進一步改善。6.4.1、實驗數(shù)據(jù)記錄：要求指標(biāo)實測指標(biāo)輸出電壓 5V5V電壓跌落 mv340mv紋波mv0.3v尖峰電壓mv600mv輸入電流0.47A轉(zhuǎn)換效率88.6%輸出電流A1A6.4.2、實驗最終波形七、收獲體會和建議 模電綜合課程設(shè)計，較之以前的模擬電子技術(shù)實驗，對我們來說具有更大的挑戰(zhàn)性。

13、它不僅需要我們把握理論數(shù)據(jù)與實際之間的差別，而且要考慮到各個模塊的綜合以后相互之間的影響，例如模塊的級聯(lián)后所帶來的負載變化、干擾信號。在實際動手操作之前，我花了不少時間在Multisim軟件上分析元器件的參數(shù)，以得到正確的仿真電結(jié)果。以往的試驗中，我們只需要照著原理圖連線，測數(shù)據(jù)等，但這次需要我們自己設(shè)計電路圖，該選擇多大的，電阻、電容，參數(shù)大了會產(chǎn)生什么影響，應(yīng)該在什么端口做改變，怎樣組合才是一個比較優(yōu)化的結(jié)果，都是需要自己不斷思考的問題。在實際設(shè)計過程中，開始把整個電路圖連好后測試結(jié)果，一直沒有出現(xiàn)5V，在老師的建議下，我一個模塊一個模塊檢測結(jié)果，先把單個的模塊確保沒有問題，再看綜合效果，

14、發(fā)現(xiàn)很多細小的問題，錯誤很快迎刃而解，這也讓我神社體會到模塊化設(shè)計，調(diào)試的重要性。整個課程設(shè)計過程，讓我對之前學(xué)的模擬電子技術(shù)有了一個更加深刻更加形象具體的了解，通過理論知識指導(dǎo)實踐操作，又通過實踐操作來理解理論知識，讓我受益匪淺，進步很大；但同時也深刻認識到，自己無論是在理論知識還是實際操作仍然有待更大的提升。最后感謝老師孜孜不倦的指導(dǎo)。參考文獻【1】電路（第五版）邱關(guān)源 主編 高等教育出版社【2】模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)華成英 童詩白 主編 清華大學(xué)電子學(xué)教研組【3】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 張申科 崔葛瑾 編著 電子工業(yè)出版社【4】電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）康華光 主編 高等教育出版社 附錄ALM3391、 LM339引腳圖以及典型應(yīng)用電路2、LM339作為基