220V交流变12V和5V的电源设计毕业论文.pdf

iii 220v 220v 交流变 交流变 12v 12v 和和 5v5v 的电源设计的电源设计 【摘要】在我们的生活当中不乏各种各样，形形色色的电子产品，电子产品虽然强大，但 没有哪一个电子产品能直接使用 220V 交流市电作为能源的， 这时我们运用模拟电子技术的基 本理论和分析方法，设计了 220V 交流转 12V 和 5V 直流电源的方案；此方案具有使用的元器 件较少、成本低能源利用率高等等特点，我们在 ISIS 平台上进行了仿真；仿真结果表明，可 以输出比较稳定的 12V 及 5V 直流电压，且具有一定的负载能力 【关键词】直流电源、模拟电子技术、交直流转换 AC 220V Transform 12V&5V DC Power Design Abstract: There is no lack of variety in our lives of every hue, electronic products, electronic products are strong, but no one electronic  products can directly use 220V AC electricity as an energy  source,  then  we  use  the  basic  theory  and  analysis  method  of  analog  electronic technology,This scheme has the use of less components, low cost energy utilization rate is high and so  on,design  of  220V  AC  to  12V&5V  DC  power  supply  scheme.  In  the  ISIS  platform  for simulation. The simulation results show that, can output more stable DC voltage of 5V, and has a certain Key words：DC Power，Analog Electronic Technology，AC/DC Conversioniv 目 录 前 言前 言............................................................................................................................1 第一章 方案设计.........................................................................................................2 1.1 功能要求及电路原理......................................................................................2 1.2 方案论述.........................................................................................................2 1.3 稳压电路.........................................................................................................2 第二章 电路系统设计.................................................................................................3 2.1 系统模块组成.................................................................................................3 2.1.1 系统整体原理图...................................................................................3 2.1.2 220V 交流电源模块电路 .....................................................................3 2.1.3 变压器模块电路...................................................................................4 2.1.4 整流桥模块电路...................................................................................5 2.1.5 滤波电容模块电路...............................................................................5 2.1.6 LM7812 稳压模块电路........................................................................6 2.1.7 LM7805 稳压模块电路........................................................................7 2.1.8 电路工作指示模块电路.......................................................................8 第三章 原理图与 PCB 图............................................................................................9 3.1 系统原理图绘制.............................................................................................9 3.1.1 原理图绘制原理...................................................................................9 3.2 系统 PCB 图绘制..........................................................................................10 3.2.1PCB 板设计.........................................................................................10 3.2.2PCB 板顶层绘制.................................................................................10 3.2.3PCB 底顶层绘制.................................................................................11 第四章调试与仿真.....................................................................................................12 4.1 电路带负载能力测试....................................................................................12 4.2 电路整机调试...............................................................................................13 结论............................................................................................................................15 致谢............................................................................................................................16 参考文献....................................................................................................................171 前 言前 言 电子产品的快速发展给我们的生活带来了很多的便捷， 但是大多数电子产品 都无法直接利用 220V 的市电作为能源。

电子产品的能源一般来自两个方面：一、 使用可以输出直流电压的电池；由于普通干电池的使用周期很短，出于对经济的 考虑，大多数人选择锂离子或镍氢充电电池，而充电电池都需要充电器；二、使 用适配器将 220V 交流转化为合适的直流，因此对于一个电子产品来说，不管使 用哪种能源，一个匹配的电源适配器（直流电源）是必不可少的 目前，电源适配器正朝着体积小、损耗低、无线化、输出电压稳定、带负载 能力强等方向发展；TI 新进推出的 bq51013(集成无线电源接收器)的规格为 1.9mm*3mm[1]；现在我们的可以实现无线充电功能了，可见，在不久的将来， 我们手中越来越多的电子产品就可以实现无线充电了；本文提出了电源适配器方 案， 输出为 12V 和 5V 直流两种， 几乎能为我们生活中所有低压电子产品提供能量， 有一定的带负载能力；本方案为分立元件组成，并写出了具体的设计步骤，所有 关键的器件也给出了选择方法和计算公式，最后在 ISISISIS 平台上进行了仿真测试， 结果均达到目标要求2 第一章 方案设计 1.1 功能要求及电路原理功能要求及电路原理 首先是对 220V 的高压进行变压， 变压器的具体的匝比要根据下级的电路来确 定。

变压之后的电流仍然为交流，在通过整流电路后，变为脉冲直流滤波电路 可以消除脉冲，但是输出的直流电压仍不稳定最后，通过稳压电路，使得电压 的稳定性大大提高， 实现稳定输出 12V 电压，然后在 12V 的基础上实现稳定输出 5V 电压；整个过程如图 1.1 1.2 方案论述方案论述 采用 220V 变压到 12V， 再用 7812 稳压在 12V，然后在 7812 稳压的基础上用 7805 稳压成 5V 电压其原理框图如图 1.1 所示 1.3 稳压电路稳压电路 稳压电路主要是对整流滤波之后的电流作进一步处理， 使其电压更稳定， 同时让 变压 AC220 V 输入 整流 滤波 12V 稳 输出12V 5V 稳压 输出5V 图 1.1 电路流3 整个电路具有一定的负载能力， 不会因为外部负载的变化而使输出电压发生变化 第二章 电路系统设计 2.1 系统模块组成系统模块组成 本系统仿真组成如图 2.1 所示它有以下几个部件组成：变压器，桥式整流 电路，滤波电路、12V 输出稳压电路，5V 输出稳压电路 2.1.1 系统整体原理图 图 2.1 系统整体原理图 2.1.2    220V 交流电源模块电路 制作电源的目的是为了将 220V 的市电转换为我们普通电器的电源，所以， 我们采用 200V 交流电源实现仿真，如图 2.1。

4 图 2.1 220V交流电源 2.1.3  变压器模块电路 图 2.2 变压器 因为下级电路（LM7812）稳压电路输入需要 12—30V 的直流电源，所以本级 电路需要将 200V 的交流电降压为 12-30V 的低压交流电，如图 2.2，所以当输出 电压为 20V 时变压器初次级匝数比为： 变压器初次级匝数比为： 11:111:15 2.1.4 整流桥模块电路 图 2.3 整流桥模块电路 对整流二极管， 只要求其最高反向工作电压大于 28V， 保证在反向时不会被击 穿我采用的是 1N4001，能够实现整流的同时，保证了产品的安全 2.1.5 滤波电容模块电路 图 2.4 滤波电容模块 电容应满足6 其中，T=20ms（输入交流电的周期）我使用的是 470uF 的电容，如图 2.4， 较大的电容可以取得更好的滤波效果 2.1.6 LM7812 稳压模块电路 图 2.5 LM7812 稳压模块 lm7812 是指三段稳压集成电路 IC 芯片元器件， 如图 2.5， 适用于各种电源 稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护 Electrical Characteristics 电气特(MC7812)(LM7812)(参照测 试电 路 ,0°C < TJ <125°C, IO =500mA, VI =19V, CI=0.33uF, CO=0.1uF, 除非另 有说明)在此处， 我们为了能够更好的实现稳压， 使稳压性更好将 CI=0.33uF 改为 CI=0.01uF，CO=0.1uF 改为 CO=220uF；同时实现滤波的目的；三端稳压集成电路 lm7812。

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 lm78×× 系列 和负电压输出的 lm79××系列顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，7 只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端它的样子象是普通的三极 管，TO- 220 的标准封装，也有 lm9013 样子的 TO-92 封装 2.1.7 LM7805 稳压模块电路 图 2.6 LM7805 稳压模块 用 lm7805 三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，外设电容大小 及作用与 LM7812 一致电路内部还有过流、 过热及调整管的保护电路， 使用起来可 靠、方便，而且价格便宜该系列集成稳压 IC 型号中的 lm78 或 lm79 后面的数字 代表该三端集成稳压电路的输出电压 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用在应用中， 我们在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器 （当然小功率 7805IC 内部电路图.8 的条件下不用）当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏当制作中 需要一个能输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起 来，使其最大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路 应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有 一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁 2.1.8 电路工作指示模块电路 图 2.7 电路工作指示模块 电路工作指示模块是用于实现电路工作时有指示，这里用一个 LED 灯做指示 灯，在指示灯的阳极串联一个 40 欧的电阻，电阻的目的是对 LED 电路限流，从 而达到保护 LED 灯正常工作的作用9 第三章 原理图与 PCB 图 3.1 系统原理图绘制系统原理图绘制 图 3.1 Protel DXP 设计的电路原理图 3.1.1 原理图绘制原理 由于在 PCB 的原理图库中是不存在 220V 交流电源原理图库的，所以，为了 能在绘制整个电路图的过程中更为方便，在此，我们使用了两个 220V 的电源符 号作为标记的，在下面的 PCB 板绘制过程中用，有网络符号的出现，便于绘制； 7805、  7812 两个集成块我们采用了两个三端网络的黑盒子作为集成块的原理 图库符号；使用了一个 6 输出端口作为 A 型 USB  接口的原理图符号10 3.2 系统系统 PCB 图绘制图绘制 3.2.1PCB 板设计 在画 PCB 板的时候，将我在企业学习到的绘制技巧发挥到了极致，无论是从 电路板的布局设计还是从布线及电路实用性等方面，都具有了一定的设计功底， 比如，在设计布局中采用的将变压器放置于 PCB 板的背面，把 LM7812/7815 等 器件放置于顶层，这样我就把高压与低压分开来了，这样就大大降低了出现意外 事故的几率，趋于实用；LM7812/7815 等实现贴片方式安装，这样的设计可以将 正面的热量转移到被面具有强大散热功能的变压器散热片上，在不降低散热的前 提下，这样就更贴近工业实用性。

 3.2.2PCB 板顶层绘制 （a）铺了地的 PCB 板 (b)没铺地的 PCB 板 图 3.2 Protel DXP 设计的 PCB 板顶层电路图11 为了节省空间，我们采用了将 7805 和 7812 作为贴片散热的方式，这样不仅 保持了良好的散热性能，而且还使整机的重量减轻了；既然我们的电路板能实现 贴片式散热，那我们的 PCB 板当然是使用了双面铺地的，这样我们不仅获得了良 好的散热性能，还大大提高了电路板的硬度，保证了电路板长期使用不容易坏的 良好品质 在整个的顶层电路设计中我们还有一点是不得不提的， 就是我们日常使用的 5V 供电电子产品往往都是使用 A 型 USB 接口节进行转换的，所以在此，我们自行 绘制了标准的 A 型 USB 接口的 PCB 封装 3.2.3PCB 底顶层绘制 （a）铺了地的 PCB 板 (b)没铺地的 PCB 板 图 3.2 Protel DXP 设计的 PCB 板底层面电路图 为了便于对整个电路的整机调试，我们在电路板的四角放置了 4 个过孔，目 的是在 4 个孔分别安装一个长螺柱，将处于底层的变压器整个的保护起来，便于 我们调试和使用，将整个作品包装起来，我们就实现了一个完整的产品了。

12 单独将变压器放置到底层，这样在它的周围没有其他元器件，保持了变压器 的通风性能，有了良好的通风性能就大大的提高了我们产品的使用寿命 第四章调试与仿真 4.1 电路带负载能力测试电路带负载能力测试 整机电路如图 4.1使用 ISIS 仿真中的交流源代替现实中的市电，设定其电 压有效值为 220V，频率为 50Hz；输出端接滑动变阻器，代替现实中的负载；改 变滑动变阻器的阻值，通过观察万用表的直流电压显示数值，电压变化不大，可 见其具有一定的负载能力 图 4.1 仿真结果图13 4.2 电路整机调试电路整机调试 整机调试如图 4.2 图 4.2 整机调试图 开始拿到自己制作的 PCB 板还是比较激动的，毕竟这还是自己第一次将一个 产品从设计到组装；由于电路在设计的时候考虑到了实用性的问题，在设计的过 程中， 将理想的电路原理等效化建立模型， 这为我现在的调试减少了大量的麻烦， 所以我的调试过程非常顺利，并没有出现大的问题 4.3 实物调试实物调试 4.3 实物图14 4.3  12V 直流输出 4.3 5V 直流输出15 结论 通过写这篇论文，我了解了一般模拟电路的设计过程，把自己在大学学习的 模拟电子技术基础得到了很好的实践， 虽然自己在学习模拟电子技术基础的时候， 学习比较认真，能通过计算得出符合各项性能指标的数据，在模拟电子技术基础 中学习了普通直流电源的基本设计思路；但我在学习的过程中学的是理论上的电 路，虽然会在设计的时候加入一些等效模型，我们的电路距实现还是有一定的差 距的，所以，在通过设计后，我查找了很多制作电源的资料，解决了理想与实现 的差距问题，并且通过后期的调试我彻底解决了这一问题，使我的电路能够具有 实用性； 在画 PCB 板的时候，将我在企业学习到的绘制技巧发挥到了极致，无论是 从电路板的布局设计还是从布线及电路实用性等方面， 都具有了一定的设计功底， 比如，在设计布局中采用的将变压器放置于 PCB 板的背面，把 LM7812/7815 等 器件放置于顶层，这样我就把高压与低压分开来了，这样就大大降低了出现意外 事故的几率，趋于实用；LM7812/7815 等实现贴片方式安装，这样的设计可以将 正面的热量转移到被面具有强大散热功能的变压器散热片上，在不降低散热的前 提下，这样就更贴近工业实用性。

在写论文的过程中，我查找了很多资料，锻炼了我查阅文献的能力在仿 真的过程中，我遇到了一些问题，主要是由于我对软件不太熟悉在以后的学习 中， 我会更多的进行仿真练习 写这篇论文使我感受到了科学研究的严谨与艰辛， 大量数据的运算，以及理论的推导都会耗费相当多的时间与精力16 致谢 光阴似箭，日月如棱三年的时间，在我们漫长的人生旅途中是那么的短暂， 但是，这短短的五年是最真诚的青春，是最纯真的岁月，是最美丽的大学生活我 们的自学能力在这里得提升， 我感谢所有的恩师： 是您赋予我们最有意义的收获; 是您带领我们走进知识殿堂， 使我们不但丰富了知识;是您给我们一个全新的角度 去发现美、创造美、欣赏美，给我们美的眼睛去发现世界的美，感悟生活的美; 是你教会我们珍惜友谊和时间;是您给了我们看世界的眼睛，是你们用博大的胸 怀，给予我们最无私的关怀和奉献 这在这次的毕业论文中，发挥了我在学校学到的文化知识和技能的应用，也 算是我最后一次做学校的作业了，我要感谢我的指导老师不管是在设计阶段，在 制作阶段，正是他给予我不断的指导与鼓励，我才能顺利地完成我的毕业设计， 他那种对待学生和蔼亲切，对待工作一丝不苟的品质和精神值得我们每一个人学 习，还有我的班主任老师，以及任课老师，感谢他们的教诲，让我知道在社会上 懂得怎样去做好自己，端正自己的位置，为社会贡献出我自己的力量。

17 参考文献参考文献 [1]杨素行，清华大学电子学教研组.模拟电子技术基础简明教程.北京：高等教育 出版社，2006.396～399. [2]赵淑范，董鹏中.电子技术试验与课程设计.北京：清华大学出版社，2010.232～ 235. [3]张永瑞，王松林，李小平.电路分析.北京：高等教育出版社，2004.148. [4]孙余凯，吴鸣山，项绮明等巧学巧用模拟集成电路实用技术.北京：电子工业出 版社，2009.。