数字开关电源设计与制作
引言
目录
一、 引言 1
（一） 数字开关电源电路简介 1
（二） 设计内容 1
二、 数字开关电源系统的方案设计 2
三、 硬件电路设计 3
（一） 变压整流电路设计 3
（二） 22V转8V稳压电路设计 3
（三） 正5V电压输出电路设计 4
（四） 负5V电压输出电路设计 6
（五） 总体电路设计 6
四、 Multisim仿真设计 8
（一） 变压电路及桥式整流电路仿真设计 8
（二） 滤波电路仿真设计 9
（三） 稳压电路仿真设计 11
（四） LM2596稳压电路仿真设计 12
总结与展望 13
参考文献 14
致 谢 15
附录 原理图 16
引言
数字开关电源电路简介
数字开关电源电路在模拟系统中的作用主要是为了实现对供电电压的转换和稳定，应对某些芯片的供电电压需要正负两种电压，考虑到目前模拟电路系统中常用的降压稳压方案主要分为线性稳压电源和数字开关电源两种，线性稳压电源的效率相比如开关电源来说要低，但是它输出的模拟电压中高频干扰成分少，电路结构简单，不会对供电设备造成噪声影响，而数字开关电源的转换效率可以达到95%以上，是一种效率极高的转换电源，然而其输出电压中掺有大量的纹波和噪声干扰成分，会对供电设备引入大量噪声和干扰，考虑到本课题需要设计一款工作效率较高的电源系统，所以最终采用开关电源来完成这一功能。
经过对目前市面上常用的开关电源集成芯片进行资料查阅和对比，发现LM2596芯片非常适合本系统，并且这两款芯片只有五个引脚，进行非常简单的电路配置后就能够实现课题的预期指标。
设计内容
1、设计DCDC转换电路，通过电路构建实现对输出电压的处理、滤波以及控制等功能；
2、输入电压能够实现+6~15V的宽压输入特性，而输出电压分为两路，一路用于恒定输出+5V正电压，另一路用于恒定输出5V负电压；
3、输出电压的稳定度不高于0.5%；
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4、当输入电压在输入范围内不断跳变时，通过内部的负反馈电路能够实现瞬间的调节，使得输出电压值不发生改变；
5、具有过载输出保护功能，当输出短路时立即断开输出电流，实现对核心器件的保护。
数字开关电源系统的方案设计
为了实现课题的各项预期指标，本课题设计了如图1所示的数字开关电源系统的方案设计框图，将整个数字开关电源系统划分为多个功能模块，根据下图架构方案来对系统进行设计，下面对框图的设计思路进行介绍。
首先通过变压器将较高幅值的市电转换为低交流电压，使得电路能够轻松的对交流电压继续进行整流、滤波的关键部分的处理。随后通过工作效率可到90%以上的全桥整流电路对变压器输出的交流电压进行整流，生成直流电压后经过RC滤波器对全桥整流电路输出信号中掺杂的交流干扰成分进行滤除，随后使用二极管式稳压电路对22V左右的直流电压进行初级降压，生成8V左右的直流电压后分别送入LM2596降压稳压电路和负电压生成电路，分别生成+5V直流电压以及5V直流电压进行输出。
图1 数字开关电源系统的方案设计
硬件电路设计
变压整流电路设计
为了能够实现数字开关电源通过市电供电并输出正负5V两种直流电压的功能，本部分必须配置变压器和整流电路，通过变压器将220V交流市电降压输出到12V左右的交流电，随后通过整流电路将交流电变换成直流电压，这样做的目的主要是考虑到模拟器件不太容易对高电压进行处理，必须将输入电压降低到一定程度才可以得到优良的处理效果，由此配置了图2中的变压器和整流电路，本课题选用的变压器初级线圈和次级线圈的匝数比为10:1，即220V市电通入该变压器的初级线圈后，从其次级线圈可以输出有效值为22V的交流电。整流电路采用了整流效率高达90%以上的全桥整流电路形式，该整流电路的电路结构由四个二级管组成，在性能指标上这四个二极管需要具有高度一致性，使得交流电的正负半周分别流过四个二极管后能够产生较为平衡的电流，而在实际电路设计中常常采用集成式的全桥整流电路，即四个二极管被集成在一起，能够保证一致性。将22V交流电通入该整流电路后能够得到直流电压，这就是变压器及全桥整流电路的工作原理。
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图2 变压整流电路设计
22V转8V稳压电路设计
系统采用+22V供电，而最终要实现正负5V直流电压的供电，供电电压与输出电压差达到5.5V，在3A最大电流输出的情况下，降落在转换电路上的功率要达到20W之多，并且这部分功率几乎不能用于对负载进行供电，大多数变成了热耗，这部分热量如果在LM2956芯片上产生，过多的热量会严重干扰稳压电路的工作，降低了开关电源的质量，可以看出非常有必要采取措施使得LM2596稳压芯片的前后变化压差减小，因此配置了图3中的模拟稳压电路，该电路的主要作用是将+22V输入电压初步降低到8V左右进行输出，输出的电压幅值可以通过下图中的Key电位器进行调节，这样就实现了一个可调的稳压源输出效果，能够为降低后级LM2956芯片的发热情况，下面对这个稳压电路的设计原理进行简要介绍。
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