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摘要：本文论述了一种基于LM7805和LM317的线性稳压电源电路的软硬件设计实现方法。设计采用电源变压器得到整流滤波所需交流电压，四个整流二极管构成的全波桥式整流电路以得到直流电压、电容滤波电路消除或减小纹波、及由LM7805和LM317构成的稳压电路来实现输出固定5V/1A和输出可调9~12V/1A。本次设计所实现的线性稳压电源操作简便，具有输出电压稳定、工作可靠、范围可调、过流保护、成本较低等特点。
第1章 设计任务分析与设计方案选择稳压电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。其是由降压电路、整流滤波电路、过流保护电路和可调稳压电路构成，能为负载提供稳定直流电源的电子装置。具有输出电压稳定、工作可靠、范围可调、过流保护、成本较低等特点，因此得到了广泛的使用。
1.1 设计任务分析设计要求采用三端集成稳压芯片完成具有以下技术指标的线性稳压电源： （1）输入交流电压：市电220V、50Hz，电压波动范围±10%。（2）输出直流电压：双路输出，一路输出固定5V/1A，一路为输出可调9~12V/1A。（3）稳定系数： <0.5%。在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即： 。（4）纹波电压： <5mV。在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。（5）电源内阻： <0.15Ω。在额定电网电压下，由于负载电流变化 引起输出电压变化ΔUo，则输出电阻为 。（6）输出具有过流截止式保护电路。1.2 设计方案拟定直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波电路及稳压电路组成，基本框图如图2-1所示。  图1-1 电路总原理框图系统具体包括变压器、整流滤波、过流保护、稳压输出电路等。各个功能模块都设置必要的接口，可独立设计，独立调试，最后通过接口连接成一个统一系统，统一调试。 根据设计任务要求，输出电路（整流滤波电路）采用桥式整流、电容滤波电路。电源电路只要由整流二极管构成的全波整流桥式整流，电容滤波电路构成的稳压电路构成。自制稳压电源通过整流滤波与可调稳压电路，将交流电转换为稳压直流电，然后通过三端集成稳压器LM7805、LM317获得输出电压。 1.3 设计方案对比与选择1.3.1 变压器 铁心变压器 空心变压器 铁氧体芯变压器 图1-2变压器的图形符号 方案一：铁心变压器适用于低频大功率电路，主要应用于音频电路和电力系统。 方案二：空心变压器，不含铁心（或磁芯）的耦合线圈，主要应用于电子与通信工程和测量仪器中。 方案三：铁氧体芯变压器适用于高频小功率电路，主要有通信电路和高频开关， 综合以上三种方案，选择交流220V、50Hz的变压器，电压波动范围±10%。根据压差需2V以上，我们选取15V和8V的铁心变压器。故采用方案一。 1.3.2 整流电路 方案一：采用桥式整流电路，脉动性直流电频率100hz，有利于滤波，整流效率高，使用正、负半周交流电；对变压器要求低，不要求有抽头，变压器成本低，由四个二极管构成。具有成本低、使用方便的优点。 方案二：采用全波整流电路，要求电源变压器的次级线圈设有中心抽头，变压器成本高，两个二极管构成。使用麻烦且成本较高。 综合以上两种方案，桥式整流电路的低成本和高性能的优点，能够满足本电路的整流功能。故采用方案一。 1.3.3 滤波电路 方案一：电感滤波电路，属于电流滤波，输出电压低；适用于大电流负载，体积大，成本高。 方案二：电容滤波电路，属于电压滤波，输出电压高；适用于小电流负载，电流越小滤波效果越好，外特性较软，电路简单、体积小、成本低。 综合以上两种方案，因为电容滤波的电路简单，输出电压高，滤波效果好及低成本等优点。故采用方案二。 1.3.4 稳压电路 方案一：采用三端稳压集成电路LM7805输出5V/1A和LM317输出9~12V/1A。用三端稳压IC7805来组成稳压电源所需的外围元件极少,输入电压7~36V，最大输出电流1.5A，输出电压5V，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。LM317输出电压：1.25-37V且范围可调，压差高于2~3V，输出电流：5mA-1.5A，芯片内部具有过热、过流、短路保护电路。有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。 方案二：采用三端稳压集成电路LM7815作为稳压电路，不能同时输出5V/1A和9~12V/1A两路电压，且所需外围元件多，电路复杂，输入压差大发热严重。 综合以上两种方案，因为电容滤波的电路简单，输出电压高，滤波效果好及低成本等优点。故采用方案一。
第2章 硬件电路设计2.1 变压电路变压器的主要参数有：变压比、额定功率、效率、空载电流、额定功率。电源变压器Tr的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器的 副边与原边的功率比为  ，式中η为变压器的效率。 8V输出电路采用单相桥式整流电路,由公式知，变压器二次侧电压的有效值为 U2=Uo/0.9=8/0.9=13.3V 考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，其值大约要高出20%，即 13.3 ?1.2=16V 变压器二次侧电流的有效值为 I2=Io/0.9=1/0.9=1.1A 变压器的变比为 n=220/16=13.75 变压器的容量为 S=U2I2=16?1.1=17.6V·A 16V输出电路采用单相桥式整流电路,由公式知，变压器二次侧电压的有效值为 U2=Uo/0.9=16/0.9=26.6V 考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，其值大约要高出20%，即 26.6 ?1.2=32V 变压器二次侧电流的有效值为 I2=Io/0.9=1/0.9=1.1A 变压器的变比为 n=220/32=6.875 变压器的容量为 S=U2I2=26.6?1.1=29.26V·A 选择交流220V、50Hz的变压器，电压波动范围±10%。根据需要，我们选取了电压容量分别为20 V·A和35V·A的变压器。一个线圈匝数比为220：20，另一个线圈匝数比为220：8，带中心抽头，电路中心抽头接地。8V为7805的输入，另一个20V为317的输入。降压仿真波形如图2-1所示。 图2-1降压仿真波形图 2.2 整流电路整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。它是靠二极管的单向导电特性来实现的。 容性负载桥式整流电路如图2-2所示，它的四个臂是由四只二极管组成的。 整流部分的设计 选取RS307整流桥。 u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b；u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a。 流过负载电阻RL的电流平均值为： 流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即： 每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即： 流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即： ID=0.5IO=0.5?1=0.5A 每个二极管在截止时承受的最高反向电压为U2的最大值，即： URM= U2M=  U2= ?13.3=9.5V URM= U2M= U2= ?26.6=19V 整流二极管选择整流桥堆为2A/100V。原理图、仿真波形如图2-2、图2-3所示。 图2-2桥式整流电路图2-3桥式整流电路仿真波形图 2.3 滤波电路滤波电路通过电容将脉动直流电压的纹波减小或滤除，输出直流电压Ui。一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数RC是其充电周期的确2～5倍。对于桥式整流电路，滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半，滤波电容C的容量应满足 RLC≥（3~5）T/2，式中RL为负载电阻，根据设计要求，周期T为交流电压的周期，为0.02S，取在3~5之内的3，则求出电容分别为C=220μF、470μF。 对于稳定输出5V滤波电容选择220μF，对于输出可调电压前级滤波电容选470μF滤低频，二级选0.1uf以滤高频。原理图如图2-4所示。 电容器耐压值必须超过脉动电压峰值，因此要选在变压器次级电压 U2的 倍以上。另外，还要考虑输入电压的变化范围，必须按最高输入电压计算。这里还应该明确一点，通常所说的变压器次级电压U2是指额定值时的电压。如果电流减小或空载时，U2将会升高。这是因为绕线电阻的电压降减小的缘故，这个因素也应该考虑进去。选取的电容考虑到整流后的电压和输出电压耐压值要达到20V（5V输出）和40V（9~12V输出）。这里还有另外一个原因，经过变压后的电压想要到达能够输出稳定电压的目的，理论上是14V和27V左右，但考虑到经万用表测量时的考虑是在滤波前的电压，是U* ，大约为20V和40V。电容滤波电路及波形如图2-5所示。 图2-4 滤波电路原理图图2-5电容滤波电路及波形 2.4 过流保护电路由过流取样电阻  和延时电路（由  、  组成），晶闸管（SCR）及电子开关电路组成截止式过流保护电路。当稳压器输出电流超过额定值的50%，即1.5A时，使过流取样电阻  上的电压降能使晶闸管触发导通，从而使晶闸管  降至0.8~1.0V，经电阻  和  分压后使三极管的  降至0.2V以下，即低于硅管的死区电压（0.5V），使三极管  、  同时截止而切断稳压电路，从而起到过流保护的作用。 当电源进入保护状态后，只要按一下复位按钮AN后,晶闸管SCR又截止,电源重新恢复正常输出；也可以重新开启电源而恢复正常输出。原理图如图2-6所示。 图2-6基于晶闸管的截止型过流保护电路原理图 2.5稳压电路 稳压电路的作用就是稳定输出电压。稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。它利用调节流过稳压管自身的电流大小（端电压基本不变）来满足负载电流的变化，并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化，以适应电网电压的波动。电网电压不变时，负载电流的变化范围就是稳压管电流的调节范围。负载不变时，要保证管子的功耗不超过允许的最大管耗。 78XX系列串联型线性固定电压输出集成稳压器正电压输出，LM317输出电压可调。根据实验要求采用三端稳压器LM7805输出5V直流电压，LM317输出9~12V可调电压。因LM317的输出端与调整之间的电压恒定为1.25V，所以取样电阻  接在输出端与调整之间，产生取样电流5.2mA，通过取样电阻  和  产生降压，而  ，合理选择  和  的阻值分别为1.46KΩ、570Ω即可输出9~12V可调电压。原理图如图2-7所示。 图2-7稳压电路原理图 5V输出，9~12V可调电压输出原理图分别如图2-8、图2-9所示，两路稳压输出仿真图如图2-10、2-11所示。 图2-8LM7805输出5V电路 图2-9 LM317输出9~12V电路 图2-10LM7805输出固定5V仿真测试图
图2-11 LM317输出9~12V仿真测试图
第3章 原理图绘制及PCB设计稳压电源一种典型的模拟电路，由降压电路、整流滤波电路、过流保护电路和可调稳压电路构成，其中包含三端稳压集成电路和外围器件，绘制原理图时一般的步骤如下： （1）新建工程； （2）新建原理图文件（schematic）； （3）在新建的原理图文件里面查找所需元器件，在图纸上放置好电路设计需要的各种元件并对它们的属性进行设置； （4）放置绘制原理图所需要的线，电源端口等； （5）选择放置“线”，用鼠标左键点击器件一端，然后拖动鼠标左键连接到另一个器件一端，就可以把两个器件联系到一起。最后就完成绘制。 线性稳压电源的原理图如图3-1所示。 图3-1线性稳压电源原理图 原理图绘制完成后，可以按以下步骤绘制PCB图： （1）根据原理图生成报表，导入到PCB文件中。 （2）设置线宽为15mil~30，选用20mil布线，设置焊盘尺寸为：80mil*80mil（x*y），孔径为30~40mil，这里选用35mil。安全间距为默认的10mil。 （3）设置PCB板的布局（这是很重要的一步，一定要很仔细）。 （4）在底层布线（这次布线主要是布一些较短的线）。 （5）在顶层布线（这次主要是补一些较长的线）。 （6）根据之前的布局，定义PCB板的大小。 （7）附上铜层（选用网格形式）。 线性稳压电源电路的PCB图如图3-2所示。 图3-2 线性稳压电源电路PCB图 第4章 硬件实物焊接调试4.1 线性稳压电路的装配与焊接 1、装配焊接要点： （1）元器件在整个板面的排列要均匀、整齐、紧凑。单元电路之间的引线应尽可能短，引出线的数目尽可能少。 （2）元器件不要占满整个板面，注意板的四周要留有一定的空间。位于印制板边缘的器件，距离板的边缘应该大于2 mm。 （3）每个元器件的引脚要单独占一个焊盘，不允许引脚相碰。 （4）对于通孔安装，无论单面板还是双面板，元器件一般只能布设在板的元件面上，不能布设在焊接面。 （5）相邻的两个元件之间，要保持一定的间距，不免元件之间的碰接。 （6）元器件的布设不得立体交叉和重叠上下交叉，避免元器件外壳相碰。 拿到万能板后，就可以进行焊接、装配与调试工作。 2、元器件的检查与整形 （1）检查元件型号、数量是否与清单一致。 （2）对主要元器件（如变压器、整流二极管、滤波电容、LM7805等）进行参数测定。 （3）按照电路图在万能板上合理布局元件；使用工具对相关元件进行整形。 3、焊接 ?焊接要按照从低到高的顺序，依次进行。焊点要有光滑整齐的外观，足够的机械强度以及可靠的电气连接。 4、装配 ? 注意： （1）三端稳压器的输入、输出和公共端一定要识别清楚，特别是公共端不能开路，若开路很可能导致负载损坏。 （2）整流二极管的引脚极性不能接反，否则将损坏元器件。 5、调试 （1）检查电源插头是否短路。 ? （2）各输出对地是否短路。 若上述两步均可通过，即可进行通电检查。逐级测量各点参数是否符合设计要求。   固定5V输出实物图正反面如图4-1、图4-2所示。9~12V可调输出实物如图4-3、图4-4所示。 图4-1 5V电路板反面图4-2 5V电路板正面 图4-39~12V电路板反面图4-49~12V电路板正面 4.2 线性稳压电路的调试、运行、测试 4.2.1 5V输出各项性能指标测试 （1）稳压系数S（电压调整率）的测量 稳压系数定义为：当负载保持不变时输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比， 即： ，RL=常数。 取RL＝100Ω，按表4-1改变整流电路输入电压 (模拟电网电压波动)，分别测出相应的稳压器输入电压 及输出直流电压 ，记入表4-1。 表4-1 稳压系数测量表 | |  （V）
| （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S 0.5% | | | |
（2）电源内阻Ro的测量 电源内阻 Ro定义为：当输入电压 (稳压电路输入)保持不变，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即  =常数取 ＝9V，改变负载 RL，使 RL为5KΩ和100Ω，测量相应的  、 值，记入表4-2。 表4-2 电源内阻测量表
（3）测量电源的纹波系数： 纹波系数是指直流稳压电源的直流输出电压U上所叠加的交流分量的总有效值与直流分量的比值。 测量方法：先用直流电压表测量出直流电压 ，再用交流毫伏表（或其他仪器）测出纹波电压Δ 。则纹波系数Υ为：Υ=Δ / 。纹波系数测量如表4-3所示。纹波仿真波形如图4-5所示。 表4-3纹波系数测量表 | Δ | | | | | | |
图4-5纹波测试仿真波形 5V固定输出波形如图4-6所示。 图4-6固定5V输出波形 4.2.2 9~12V输出各项性能指标测试 （1）稳压系数S（电压调整率）的测量 稳压系数定义为：当负载保持不变时输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比， 即: ，RL=常数。 取RL＝1000Ω，按表4-4改变整流电路输入电压 (模拟电网电压波动)，分别测出相应的稳压器输入电压及输出直流电压，记入表4-4。 表4-4稳压系数测量表 | | （V） | （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S0.5% | | | |
（2）电源内阻Ro的测量 电源内阻 Ro定义为：当输入电压 (稳压电路输入)保持不变，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即 =常数 取 ＝20V，改变负载 RL，使 RL为1KΩ和1000KΩ，测量相应的 、 值，记入表4-5。 表4-5电源内阻测量表
（3）测量电源的纹波系数： 纹波系数是指直流稳压电源的直流输出电压U上所叠加的交流分量的总有效值与直流分量的比值。 测量方法：先用直流电压表测量出直流电压 ，再用交流毫伏表（或其他仪器）测出纹波电压Δ 。则纹波系数Υ为：Υ=Δ / 。纹波系数测量如表4-3所示。纹波仿真波形如图4-6所示。 表4-6纹波系数测量表 | Δ | | | | |
图4-7纹波测试仿真波形 9~12V输出可调电压如图4-8所示。 图4-8 9~12V可调输出测试 4.3 实物调试问题分析与解决 （1）由于负载接错地方，导致接上电源后，出现有负载被烧坏。于是检查电路原理图，发现了这个错误。所以就将此负载重新焊接。电路将能正常工作。 （2）当调试几次后，焊接不严密导致虚焊，发生断路现象，导致无电压输出，无显示。后经检查电路发现错误并改正，电压表（示波器）显示部分显示正常。 （3）由于滑动变阻器有问题，导致无论如何都调不出5欧的电阻，最后换了一个滑动变阻器，就解决了这个问题。 （4）三端集成稳压芯片LM7805发热严重，增加散热片及快速测量减少通电时间。 总 结线性直流稳压电源在日常生活中的应用是非常广泛的，其性能的稳定性是保证设备正常运行的重要前提，所以设计出高性能、高指标的稳压电源具有重要意义。 本次主要设计线性稳压电源的降压模块、整流滤波电路、稳压电路、过流保护电路，测试输出电压、输出电流、稳定系数、纹波电压、电源内阻等参数，技术指标达到设计要求有输出电压两路分别为固定5V/1A，9~12V/1A，稳定系数 <0.5%，纹波电压 <5mV，电源内阻： <0.15Ω。没到到要求的有：过流保护电路的灵敏度有待提高，达到一定电流不能立马动作。 在电路图的设计过程当中，各个部分器件及其参数的选择都需要认真思考选择，并需要熟练掌握选用器件的管脚分配等。元器件参数的选择也经历了由不合适到合适的过程。同时因为需要在multisim软件中绘制电路图并进行仿真，所以需要对该软件非常熟悉以节省时间。硬件的制作按照流程来操作难度并不是很大，在安装焊接电路这一方面花费的时间并不多。在调试过程中也遇到了种种困难，比如输出电压不稳定，输出电流过小，芯片散热效果不好……通过仿真优化电路，减小负载大小，增加散热片以及在通风处测试，这些问题也都被一一克服。而正是从这些错误当中我获得了真理；不断改错，则不断领悟，不断获取。 主要完成工作： （1）系统硬件设计包括降压电路、整流滤波电路、稳压电路、过流保护电路组成的线性稳压电源电路。合理选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压芯片设计直流稳压电源。 （2）系统软件设计由查阅相关电源类文献，在multisim画出电路图，进行仿真验证及调试，然后在altium designer新建一个包含原理图和PCB的工程，画出原理图并导入到PCB两部分组成。 （3）完成系统的焊接、组装、调试、测量。掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法，系统的转换效率、散热、提高效率及长期工作安全性和可靠性等诸因素的考虑 本次设计尚有几处地方需要完善： - 芯片散热效果不好导致输出电流小。
- 过流保护电路的灵敏度有待提高。
附录附录1、元器件清单 附表1-1 元器件清单
 附录2、实物照片 附图2-1 5V电路板反面 附图2-2 5V电路板正面 附图2-39~12V电路板反面附图2-4 9~12V电路板正面
附录3、仿真电路图 附图3-1 5V固定输出仿真图
附图3-2 9~12V可调输出仿真图 附录4、仿真测试 附图4-15V输出电压及纹波电压仿真
附图4-2 9~12V可调电压输出及纹波电压仿真
附表4-1稳压系数仿真测试 | | （V） | （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S0.5% | | | |
附表4-2电源内阻仿真测试
附录5、实物测试 附图5-1 5V稳定输出测试 附图5-2 9~12V可调输出测试 附表5-1 稳压系数实物测试 | | （V） | （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S0.5% | | | |
附表5-2 电源内阻实物测试
附录6、原理图和PCB 附图5-1线性稳压电源电路总原理图
附图5-2线性稳压电源电路PCB
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