一个5V1A的直流稳压电源，采用纯电路模式，具体设计详情请参考附件word
电路原理图如下：
直流稳压电源的系统构成一般由四个部分组成：变压电路模块、整流电路模块、滤波电路模块、稳压电路模块。然而在交流电变压、整流、滤去交流信的式都是近乎大同小异。不同的是于稳压电路系统的选择，现在比较典型的有串联晶体管稳压电路、三端集成稳压电路、稳压二极管稳压电路、开关电源稳压电路。 2.1.1 开关稳压电路开关稳压电路系统的组成如图2-1所示。电路中包括采样电路部分、滤波电路部分、基准电压部分、比较放大器部分、脉冲调制电路部分和开关调整电路等组成部分。 
图2-1 关型稳压电路组成 当电网电压发生波动时，输出电压会有一定的波动，输出电压经过采样电路的采集，将信号传递到放大电路与电路设定的基准电压比较出误差，将误差信号放大输入到脉冲调制模块，冲调制再输出信号到开关调整管对输出电压进行调节，从而使开关稳压电路稳定的输出[3]。 开关型稳压电路主要有以下几个特点： ①对电能的转换效率高； ②设计成的产品的体积较小重量较轻； ③开关电源对电网电压的波动要求不高； ④开关电源稳压器的调整管电路比较复杂； ⑤还有就是电路的输出电压中纹波电压和噪声较大。 2.1.2 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路的基本原理图如图2-2所示。 
图2-2 稳压二极管稳压电路 如果电网电压升高，那么经过整流、滤波后的电压Ui也会随之升高，从而引起负载R的负载电压 的升高，由于稳压二极管D1与负载R2并联，只要有一定的增长，就会流过稳压二极管D1的电流升高，使得 增大，故使限流电阻R1的电压增大，从而降低了因Ui的升高导致的输出增大，进而保持负载电压的基本不变 稳压二极管稳压电路的主要优缺点有这些： ①稳压管稳压电路的输出电压的误差较大； ②稳压二极管稳压是将稳压二极管并联入电路,效率很低； ③稳压二极管的最大工作电流较小； ④唯一的优点，电路的结构简单方便电路的搭建。 2.1.3 三端集成稳压电路利用三端集成芯片的稳压器电路。如图2-3所示，使用内部有过载保护电路且输出电压可调或者输出电压固定的三端集成稳压芯片，若是输出可调的集成稳压芯片输出电压调整范围宽，就加入一个电压补偿电路可实现输出电压从零伏起连续可调[4]。若是输出固定的三端稳压芯片，输出在标定范围左右波动（波动范围由电路设计的纹波大小决定）。 
图2-3 三端集成稳压器电路结构框图 利用三端集成稳压芯片制作的稳压电路有着良好的稳压特性，并且输出电压便于固定或调节，电路的输出纹波电压较小，稳定性较高，三端稳压芯片应用广泛价格较低，制作本低，电路结构简单等特点。 2.1.4 串联型直流稳压电路串联型直流稳压电路，实际上就是在整流、滤波后的输入直流电压端加一个三极管，采用共射电路的原理搭建。当输入电压或者负载变化时引起输出电压变化，输出电压的变化将通反馈网络输入到调整三极管的基极，使UBE发生改变，于是UCE也随之改变，从而调整输出电压，使之保持基本稳定[5]。 串联型直流稳压电路的系统结构如图2-4所示，主要分为四个模块。 （1）采样电阻 由两个固定阻值的电阻与一个电位器串联组成的分压电路。当输出电压因输入电压或者负载改变而发生变化时，采样电阻对输出变化量进行采样，并传输到放大电路的反相输入端。 （2）放大电路 放大电路中运算放大器的作用是将输出电压的波动差异放大，将放大后的信号接入调整三极管的基极。 （3）基准电压 图2.4中稳压二极管提供一个电压参照标准，也就是基准电压。该基准电压输入到运算放大电路的同相输入端。采样电阻采样的电压输入到运算放大电路的反相输入端，进行差分运算放大。 
图2-4 串联型直流稳压电路 （4）调整管 调整三极管的基极与发射极有一个固定的电压降UBE,当基极的电压发生改变时，发射级的电压也随之改变，由于负载与发射极相连，从而调节了输出电压的稳定[]。 由于运算放大器需要外加电压，单独的串联型直流稳压电路结构较为简单，但在加入电源以后，电路变得较为复杂，且稳定性偏低。 直流稳压电源的设计除了以上四种还有两只比较常见的电路：用单片机制作的可调直流稳压电源、化学电池制作稳压电源（DC-DC电源模块）。 2.1.5 化学电池制作直流稳压电源由于化学电池的输出本身就是直流电，所以只需要进行升压，稳压即可制作一个比较简易的直流稳压电源（充电宝）。 通过对这几种电路的了解以及认真的分析，从输出电的稳定性以及输出纹波电压、最大输出电流、电路实物的制作成本上来综合考虑，我选取了三端集成稳压电路。 2.2 直流稳压电路系统的基本组成直流稳压电源一般包括四个模块：变压器电路、整流电路、滤波电路、稳压电路，如图2-5所示。 
图2-5 直流稳压电源系统框图 2.2.1 变压电路由于对输出电压的要求单一，故选用变压器的时候应该选用无中间抽头的单输出变压器，由于要求为输出功率要求为5W,故采用10W单路输出的变压。桥式整流后的电压： 公式（2.1） 由于电网电压可能有 的波动，所以留有一定的余量。在我们设计的过程中，在使用软件仿真时信号输入往往是没有波动的，所以仿真的时候，输出的直流电源往往是比较稳定的而电网中的电，是由四面八方汇总而来，不断的输入不断的输出，会导致有些波动，所以设计留有余量会使输出数据更加的精准。 在选择变压器参数的时候，既要考虑变压器的输出电压是非满足后面电路二极管、三极管所工作的区，也要达到电路要求的最大电流以上，以免损坏变压器，造成不必要的损失[7]。 2.2.2 整流电路由于二极管具有单向导电性，利用这一特性，就可以使二极管组成整流电路，可以将输入的交流电压转换成单相的脉冲电压。在小功率的直流稳压电源中，经常使用的是半波整流、全波整流、桥式整流。 （1）半波整流如图2-6所示，由单个整流二极管进行整流，由于二极管的单向导电性，交流电在一个周期内，有半个周期的正电压，半个周期的负电压，所以交流电在通过整流二极管后，通过的信号就只有正半周信号。 
图2-6 单向整流电路 （2）单相全波整流 全波整流需要变压器有中间抽头，使用两个半波整流的电路，将整流后的输出接入同一端，达到全波整流的目的，全波整流的原理图如图2-7所示。 
图2-7 全波整流电路图 （3）桥整流电路 桥式整流电路由四个二极管构成，如图2-8所示，当变压器输出端的电压信号在正半周时二极管VD1与二极管VD4构成电路回路；当变压器输出端的电压在负半周时二极管VD2与二极管D3构成电路回路，故最终将负半周的信号整流到了正半周[8]。 经过对三种整流电路的具体描述，可以分析总结它们的特性比较如表2-1： 经过比较我们可以看出，全波整流与桥式整流有着差异不大的整流效率，但是桥式整流电路对电源变压器的要求较低，设计成本低，利于大规模的应用，综合分析整流电路应该选用桥式整流。 
图2-8 桥式整流电路图 表2-1 三种整流电路的特性比较
2.2.3 滤波电路滤波电路就是将整流后的信号中的交流分量大部分滤去，得到直流分量，利用电容的特性（通交流隔直流）。 常见的几种滤波电路有：电容滤波、电感滤波、L型滤波、Π型LC滤波、Π型RC滤波。 （1） 电容滤波，如图2-9所示。 
图2-9 电容滤波电路 优点：电容滤波电路的输出电压高，在输出是小电流时滤波效果好。 缺点：电容滤波的带负载能力差，接入电源瞬时，充电的电流较大，整流管二极管将承受很大的瞬间电流，容易损坏整流二极管。 （2）电感滤波如图2-10所示。 
图2-10 电感滤波电路 优点：电感滤波电路的带负载能力较好，对负载波动滤波效果良好，且接入电源不会产生较大的电流来冲击整流二极管管。 缺点：电感滤波电路的输出电压低，输出电流大时要求互感器的扼流圈铁芯要很大。电感所生的反向电压可能击穿元器件。 （3）L型滤波，如图2-11所示。 优点: L型滤波电路的输出电流较大，带负载能力较好，滤波效果也好。 缺点:变压器的扼流圈体积大成本高。
图2-11 L型滤波电路 （4） Π型LC滤波，如图2-12所示。 
图2-12 Π型LC滤波电路 优点: Π型LC滤波电路的输出电压高，电路的滤波效果好。 缺点:输出电流小，负载能力差。 （5） Π型RC波，如图2-13所示。 
图2-13 Π型RC滤波电路 优点:电路的滤波果，成本低，电阻R还有限流的作用。 缺点:电路带负载能力差，输出电流较小。 最后将五种滤波电路的特性比较绘制为表2-2。
表2-2 各自滤波电路的性能比较
2.2.4 稳压电路本次选用的是集成三端稳压芯片7805，7805是W7800系列中的一种稳压芯片，稳压输出电压为5V。输出电流根据7805的不同型号参数有三个输出电流：1.5A、500mA、100mA。该型稳压芯片内部电路包括了串联直流稳压电路的部分，还加上了保护电路部分和启动电路部分[9]。如图2-14所示。 图2-14 W7800系列内部结构示意图 （1）调整管 在7805芯片中，两个三极管组成调整管电路，这种结构使得放大电路可以用小电流来驱动调整三极管发射级较大的输出电流，并且提高调整三极管的输入电阻。 （2放电路 7805芯片中的放大电路，同调整管电路一样，也是由多个三极管构成，放大电路的连接方式是共射电路，采用有源负载，这样就可以获得较大的放大倍数。 （3）基准电源 7805芯片中采用了具有噪声低、温漂低等特点的能带间隙式的基准电压源。 （4）采样电路 采样电阻是由一个固定阻值与一个电位器共同组成的分压电路，对输出电压信号进行采样，反馈到放大电路的输入端。 （5）启动电路 启动电路是使刚接入输入电压时电路的各个部分都有自己合适的电压。在整个电路稳定以后，启动电路自动断开，避免影响电路参数。 （6）保护电路 7805芯片内部含有过热保护电路、限流保护电路，过压保护电路。 2.2.5 扩流电路三端集成稳压器的输出电流都因为集成芯片的内在因素有一定的限制，通过外接大功率三极管的方式，可实现输出电流的扩大。如图2-15所示。 
图2-15 扩流电路 在图2-15中，输出电流经三管的基极输入，发射级输出，由于三极管工作在放大区，故输出电流被放大了。电路在接入两个二极管VD，用以补偿三极管的基极与发射极之间的电压降,使电路的输出电压基本等于三端稳压器的输出电压[10]。根据图2-15可知：  公式（2.1）
通过改变电阻R1的阻值可以改变流过二极管VD的电流，使二极管两端的电压大约等于UBE，接入二极管也抑制了三极管的温漂，输出电压更加稳定。电容C2的作用是滤掉二极管两端的脉动电压，从而减小输出电压的脉动部分。 2.2.6 限流保护电路简易的限流保护电路如图2-16所示，虚线框内的电路为限流保护电路模块，由一个三极管Q1的基极与电阻R6串联构成，电阻R6又与负载串联，当负载电流增加，流过R6的电流也就增加，导致R6上电压增加，增加到一定程度，使三极管Q1上有达到三极管导通的电压降。三极管Q1导通后，三极管Q2基极上的电流被降低，从而起到限流的作用。 图2-16 限流保护电路 2.2.7过流报警电路如图2-17所示，由于发光二极管或者蜂鸣器的最低驱动电压为3V,所以利用运算放大器LM358,制作一个电压比较器，达到输出高电平的目的。 电压比较器原理：当算M358正极输入端的电压大于负极输入端，LM358输出高电平。反之则输出低电平。 将LM358的负极输入端接入限流电路三极管的发射级，LM358的电源输出由整流后的电压提供。假设设置过流报警电流值为1.5A，由于限流电阻为0.5欧，择此时限流电路三极管发射级电压为 ，调节图中滑动变阻器使LM358负极输入端电压为4.25V，这样就是电路当电流大于1.5A时就发出报警。 图2-17 过流报警电路 由于LM358需要提供直流12V电源，按照直流稳压电源的原理，搭建直流稳压电压如图2-18所示，为LM358提供直流12V电源。 图2-18 直流12V电源 2.3主要元件参数算（1）整流二极管参数计算在桥式整流电路中，流经整流二极管的电流ID为输出电流IO的一半，即为  公式（2.2）因输出电流要求为1A，故。
整流二极管所要承受的最大反向电压U为变压器输出有效值UO的 倍，变压器输出有效值为24V，故二极管所承受的电压为 公式（2.3） （2）滤波电容计算 根据电容充放电原理可知：  公式（2.4）
因为最小负载 电网的频率为50HZ经过桥式整流后输出频率变为原来的两倍即为100Z,由：  公式（2.5）
可得 。故 。由于电网电压会有波动，考虑波动为，故电容要承受的电压为 。 2.4 电子元件的选择2.4.1 元件选择的原则(1、满足所需要的功能和性能条件，并且还要留有一定的余量。 (2)、选择合适的封装，因为在电子元器件组装的时候会因为封装的不同，给组装增加一定的难度。 (3)、元器件被大量的使用情况，元件被使用得越多，那么相对来该元件也就比较成熟，出障率也就比较低。 (4)、性价比要较高，因设计得要求，我们选择普通、工业级、军工级得元件都要充其量得考虑性价比。实物被制造出来其价值要与成本相对匹配。 (5)、供货渠道要充足，可能因为一段时间的供货紧张导致我们所需要得元件难，这样拖延了设计进度。 (6)、所选元器件要有可替代型号，所谓可替代型号指得是，功能、引脚、参数都近乎相同得元件，方便替换。 2.4.2 主要元件的选择（1）变压器 变压器选择220V变24V功率为10W的变压器，因为电路输出为5W，选择10W的变压器符合设计余量，24V是根据W7805稳压芯片的压差选择的，较大一点的电压更利于电路的带负载能力。 （2）整流二极管 1N007是由硅半导体造的整流二极管，其正向压降为1.1V，平均工作电流1A，反向击穿电压1000V。 （3）三端集成稳压器 三端集成稳压器7805，7805稳压芯片有三个型号W7805、W78M05、W78L05 W7805最大输出电流1.5A，W78M05最大输出电流为500mA,W78L05最大输出电流为100mA。7805稳压芯片还会由于封装不同导致功耗有些差异，具体差异如表2-3所示。 表2-3 7805封装性能差异表
于电路要求输出功率为5W，故选择7805带散热器的稳压芯片。 （4）电容的选择 根据设计，两次滤波电路中都加入了100nF的电容，由于要达到较好的滤波效果，在两次滤波电路中都应该加入较大的电容，在大电容中以电解电容反应快，且价格实惠，但是由于电容太大，容易产生自激振荡形成噪声，故而加入100nF的瓷片电容来抑制自激振荡，从而降低纹波电压[11]。 （5）负载的选择 选择5欧的电阻作为负载，电路最大输出功率为5W，故选择5W的水泥电阻，散热较快。 （6）功率三极管 本次选用的是2N3055这款功率三极管，主要参数为：最大工作电流为15A，最大工作电压为50V，最大输出功率为115W。 （7）运算放大器 LM358运算放大器，工作所需电压3-30V，输入共模电压最大值VCC~1.5V。输出电压摆幅0到VCC-1.5V。 2.5 直流稳压电源的实际应用扩展（1）直流稳压电压的实际应用 本设计要求设计一个5V1A的直流稳压电源，该直流稳压电源可满足现在大部分小型无线设备的充电需求。诸如：手机，游戏机，相机等的电源供应。 （2）功能扩展 ①加入防过充电路，可以保护电池的使用寿命以及提高全性。 ②加入温度采集模块，采集电池温度，在电池温度异常升高时断电，防止电池发生自燃。 ③改进功率放大电路，使输出功率提高，大幅度缩短充电时间，更加的便捷人们的生活。 ④加入信号发射功能，在感知充电完成以后，向主人完成充电完成的信号传递，使产品使用更加的智能化。
第3章 直流稳压电源的仿真本次我所使用到是Multisim14电路仿真软件进行原理图的仿真分析。 Multisim14是以系统为基础的仿真工具，适用于数字、模拟电路板的仿真设计。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式[12]。 3.1直流稳压电源的仿真
3.1.1 变压模块如图3-1所示的电路中由一个交流信号发射器提供一个220V60Hz的交流信号，选择一个匝数比为10：1的变压器进行变压，利用示波器观察其波形变换，波形如图3-2所示。 图3-1 变压电路 根据图3-2示波器所示波形，我们可以看出输入波形的峰峰值大约为306V，输出波形的峰峰值大约为24V,经过计算可知输入的波形大约缩小了十二倍左右变成了输出波形。
图3-2 变器输出波形图 3.1.2整流模块本次设计在整流电路所选用的是桥式整流电路，如图3-3所示，根据桥式整流的原理可以知道，整流后的波形负半周的波形被整流到了正半周，其输出波形的有效值变为输入波形有效值的1.2倍左右[1]。整流输出波形如图3-4所示： 图3-3 桥式整流电路 图3-4 整流输出波形 根据图3-4我们可以清楚的看到，负半周的波形被利用二极管的单向导通效应整流到了正半周，整流的信号效值用万用表的测量变为原来号的1.2倍。 3.1.3 滤波模块如图3-5所示滤波电路四个电容组成的两级滤波，达到滤波稳压的效果，由于无法仿真杂波，故在信号输入端接入交流信号整流后的信号进行滤波，在输出端用示波器观察输出波形。如图3-6所示。 图3-5 滤波电路 图3-6 滤波电路输出波 根据图3-6脉冲波形为输入波形，直流波形为滤波以后的波形，可以看出输入信号的交流成分被滤掉，剩下了直流成分，电压有效值也变为原来的1.2倍，符合滤波的规律[14]。 3.1.4 直流稳压电源的仿真测试图3-7 稳压电路 如图3-7稳压电路的仿真原理图，将电路的各个部分整合起来，组成一个完整的直流稳压电路。输入端加上普通220V50Hz交流电，先将负载设定为5欧根据万用表测量输出直流压为5.001V，输出电流为1A。 （1）仿真测试直流稳压电源的输出稳定性 改变负载接入端的电阻阻值大小，测试电路的输出电压和输出电流，并将输出结果填写入表3-1： 表3-1 仿真直流稳压电源输表
根据表3-1做输出与输出电压的关系曲线如图3-8所示，可知输出电压随着输出电流的增加基本保持稳定符合直流稳压电源的设计要求。 图3-8 输出电压变化曲线图 （2）仿真测量直流稳压电源的负载调整率 负载调整率：稳压电源中，由于负载的变化会引起直流稳压电源的输出电压的变化，当达到额定负载输出时的输出电压，与空载电压的变化率即为负载调整率[15]。 计算方法：  公式（3.1）
测量方法：将电路空载利用万用表或者示波器测量空载时的输出电压，在负载加入一个1千欧的电位器，将输出电由零增加的1A，记录输出电压的值。根据表3-1可知，空载输出电压为5.009V，满载输出电压为4.997V,所以负载调整率为 。 （3）仿真测试电压调整率 电压调整率：在输为满载的情况下，由于电网的波动，会导致输出电压发生波动。故可知，电压调整率即为输出电压在输入电压变化的最大波动范围与额定输出的比值。 计算方法：  公式（3.2）
测量方法：假定电网波动范围在 以内，调节输入交流信号，测量输出电压，并比较找出变化量最大的值来计算电压调整率。 根据实际测量当电网波动为-10%时输出电压为4.999V,当电网波动为+10%时输出电压为4.996V。故电压调整率为 。 （3）仿真测试纹波电压方法 纹波压：纹波电压是直流稳压电源中输出电压中的交流部分，纹波电压的大小直接关系到直流稳压电源的稳压滤波系统的好坏，也就是整个直流稳压电源的质量好坏。 测量方法：将电路接入负载，测量输出纹波即为测量输出电压的峰峰值，将信号接入示波器通道A,将示波器波形测量调整到交流信号测量挡位进行测量，调节时间标度为每刻度20ms,电压标度为每刻度 。如图3-9所示为仿真直流稳压电源的纹波电压。根据测试数据我们可以知道该直流稳压电源的仿真输出纹波电压为 。 
图3-9 直流稳压电源纹波图 （5）仿真测试过流报警电路 改变负载端电阻阻值使输出流大于1.4A,观察二极管是否发出过流报警。如图3-10所示在电流大于1.4A，过流报警信号灯亮；增加电阻值使输出电流小于1.4A，观察过流报警情况，发光二极管并没有发光报警，符合设计要求。 
图3-10 过流报警图 （6）仿真总结 直流稳压电源设计要求： 输出电压为5V,最大输出电流为1A，输出电压得纹波电压小于50mV，电压调整、负载调整率均小于5%。 根据仿真测试我们可以知道，在电路接入电阻为5欧满载时，输出电压为5.001V，输出电流为1A。输出电压得纹波电压小于1mV,测量仿真测试得电压调整率为0.24%,负载调整率为0.08%，过流报警也基本符合要求。以上所仿真数据均满足直流稳压电源的设计要求可以按照仿真原理图进行实物搭建。
第4章 直流稳压电源的实现4.1 实物电路的搭建（1）搭建原则： 分步搭建，逐步进行参数的测试，如遇测试结果未达到预期，应进行检查，是否存在焊接错误，还是元器件的技术参数选择不合适。及时纠正错误以便后续电路功能成功展现。 （2）搭建原理图 根据图4-1搭建电路原理图。 图4-1 实物原理图 4.2 实物测试（1）空载输出电压 接通电源，用万用表测量输出端电压值，并拍照记录。如图4-2所示。电路空载时的输出电为5.263V。 
图42 空载输出电压 （2）最大电流输出测试 在负载端串联入5欧电阻，并在输出端串联一个电流档万用表。读取电流档表输出数值，并拍照记录，如图4-3所示。 
图4-3 满载最大输出电流 （3）负载的电阻值变化时测量输出电压的稳定性 调节2K电位器，使电值依次减小，测量直流压电源的输出电压和输出电流。并将数据填写入表4-1：
表4-1 负载变化的电路输出
（4）纹波测试 纹波测试就是将输出号接入示波器，检测交流信号，交流信号的电压峰峰值也就是输出信号中的纹波。将输出电压信号接入示波器通道1，调节时间标度为每刻度为50ns,调节电压标度为每刻度20mV,通过选择测量将通道1的电压峰峰值测量显示在示波器上。测试数据如图4-4所示：示波器测得的纹波电压大小为29.6mV。 
图4-4 纹波波形图 （5）过流报警测试 利用较小阻值电阻短暂接触在负载端，听蜂鸣器是否发出报警，若未报警，调节报警电路电位器，使蜂鸣器发声。 4.3 数据分析（1）输出电压的稳定性分析 根据表4-1可知，当负载端电阻为5.7欧时，输出电压为4.48V,此时电压较负载较小的数据差异较大，主要原因时限流电阻的分压，由于限流电阻为0.5欧，当电流增加以后，限流电阻就会分得更多电压导致输出电压降低。根据表4-1数据画出输电压随输出电流变化的曲线图如图4-5所示。随着电流的增加即负载的增加，电压在逐步减小，但依旧被稳定在5V左右，符合直流稳压电源的设计要求。  图4-5 输出电压变化曲线图（2）负载调整率计算 计算公式：  公式(4.1)
由表4-1可知，空载时输出电压为5.263V，由表4-2可知满载时输出电压为4.48V。故负载调整率计算值为 。
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