基于BUCK變換器電源設(shè)計

1、電子科技大學(xué)中山學(xué)院新型電源設(shè)計實踐報告設(shè)計名稱 基于BUCK變換器的開關(guān)電源設(shè)計 學(xué) 院 機(jī)電學(xué)院 班 級 14級電氣A班 學(xué)號姓名 2014100500521 劉連紅 指導(dǎo)教師 余翼 機(jī)電工程學(xué)院2017年 12月 27日一、設(shè)計要求與內(nèi)容開關(guān)電源是20世紀(jì)60年代電源歷史上的一次革命，它安裝于各種家用電器、工業(yè)設(shè)備及軍用電子裝置中，同時作為賦能裝置應(yīng)用于各個領(lǐng)域。比如在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用、在蓄電池充電中的應(yīng)用、在風(fēng)能太陽能發(fā)電中的應(yīng)用。這次我們要求設(shè)計一個9-12V的情況下，通過一個開關(guān)電源得到一個穩(wěn)定的5V/1A的直流輸出。我們要求這個開關(guān)電源有整流的功能，同時通過反

2、饋控制，有穩(wěn)壓，調(diào)壓，降壓的功能。從而得到穩(wěn)定的一個直流輸出。二、人員分工與時間安排表設(shè)計題目基于BUCK變換器的開關(guān)電源設(shè)計隊長：隊員：人員分工與時間進(jìn)度表項目時間段123負(fù)責(zé)人任務(wù)選題方案設(shè)計軟件設(shè)計流程圖原理圖仿真電路圖硬件設(shè)計元件采購元件檢測焊接裝配調(diào)試產(chǎn)品測試報告撰寫答辯三 總體方案設(shè)計與論證3.1 設(shè)計思路和流程1.經(jīng)過題目選定，確定使用基于BUCK變換器的電源設(shè)計。2.在方案選擇過程中，因為考慮到是非隔離電源，使用集成PWM調(diào)制芯片簡化電路設(shè)計。3.在分析了UC3842，SG3525等芯片的功能與參數(shù)后，選擇MC34063作為控制方案，該芯片本身也有較強(qiáng)的驅(qū)動能力，可直接外接濾波

3、電路與反饋電路來進(jìn)行電源設(shè)計。4.通過外接場效應(yīng)管的方式極大增強(qiáng)了驅(qū)動能力，該場效應(yīng)管最大電流可到達(dá)17A以上，設(shè)計中僅利用不到1A，如果更換濾波電路中的元器件，輸出功率可以得到數(shù)倍的提升。如果將采樣電阻改為電位器，還可以靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。3.2 開關(guān)電源總電路框圖 圖3-1 開關(guān)電源總電路框圖四、開關(guān)電源原理圖各部分說明及計算4.1總原理圖的介紹開關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開關(guān)方式，只有導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，上圖為工作過程?；鶞?zhǔn)電壓為固定值，由于輸入波動或負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓減小，采樣電壓將減小，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提高占空比使輸出電壓增大。同理，當(dāng)由于輸入波動或負(fù)載變化導(dǎo)致

4、輸入電壓增大時，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定。4.2 各部分的說明與計算1.輸出電路采用LC電路 圖4-1 LC電路圖當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，電能儲存在電感中，同時也流向負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管截止時，由于電感上的電流不能突變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時續(xù)流二極管導(dǎo)通，構(gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。假設(shè)要求紋波電壓小于50mV。直流輸出電流為規(guī)定電流的10%。2.BUCK變換器的基本工作方式Buck調(diào)整器的基本電路如下圖所示，晶體管Q1與直流輸入電壓串聯(lián)，通過Q1的開通與關(guān)斷，在V1處產(chǎn)生方波電壓，采用恒頻占空比可調(diào)的方式（PWM），在V1出產(chǎn)生方波電壓，

5、Q1導(dǎo)通時間為。Q1導(dǎo)通時V1點電壓為，電流通過串接的電感L0流入輸出端，Q1關(guān)斷時，電感L0產(chǎn)生反電動勢，使V1點電壓迅速下降到0并變負(fù)，直至被D1鉗位于-0.8V。假設(shè)二極管導(dǎo)通壓降為0，則V1點電壓為矩形波，該方波電壓平均值為。LC濾波器接于V1與Vo之間，它使輸出點Vo成為幅值等于的直流電壓。采樣電阻R1和R2檢測輸出電壓Vo，并將其輸入誤差放大器，與參考電壓比較，被放大的誤差被輸入到脈寬調(diào)制器中，因此，PWM輸出的脈沖寬度與誤差放大器的輸出電壓成比例，。 圖4-2 buck變換器工作原理3. 芯片MC34063MC34063包含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價格便

6、宜。它由具有溫度自動補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC/DC變換器僅用少量的外部元器件。工作電壓比較寬。 圖4-2 MC34063芯片 1腳：開關(guān)管Q1集電極引出端；2腳：開關(guān)管Q1發(fā)射極引出端；3腳：定時電容接線端；調(diào)節(jié)Ct可使工作頻率在100100kHz范圍內(nèi)變化；4腳：電源地；5腳：電壓比較器反相輸入端，同時也是輸出電壓取樣端；6腳：電源端；7腳：負(fù)載峰值電流（Ipk）取樣端；6，7腳之間電壓超過300mV時，芯片將啟動內(nèi)部過流保護(hù)功能；8腳：驅(qū)動管Q2集電極引出

7、端。4.外圍電路參數(shù)設(shè)計定時電容的選取根據(jù)公式：C0.000004×Ton，要求40KHz工作頻率時，C=100pF。功率MOSFET柵極驅(qū)動電阻選擇10。以盡量減小方波邊沿時間。過流保護(hù)采樣電阻：假設(shè)輸入電流超過1A時，啟動過流保護(hù)功能。采樣電阻設(shè)在6、7腳之間，R=U/Imax=0.3，電阻最大熱功耗=0.3W。此處選擇0.5W，0.3大功率電阻。輸出采樣電阻設(shè)計：要求5V輸出，且損耗盡可能小，芯片內(nèi)部集成1.25V基準(zhǔn)電壓，輸出采用電阻分壓方案。分壓比為3:1。采用精密電阻10K與30K串聯(lián)，靜態(tài)電流0.125mA。5.mosfet的選擇根據(jù)要求。在本次設(shè)計中選擇IRF530N

8、, 。6.儲能電感的選擇電感電流的斜坡為,如圖2-2（d）所示，當(dāng)直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時，進(jìn)入不連續(xù)工作模式，則而且式中接近，所以已知輸入電壓最大為12V，開關(guān)頻率為40KHz，輸出電壓為5V，電流為1A。此處選用470uH，2A的功率電感。7.濾波電容的選擇 輸出電容C并非理想電容，可等效于串聯(lián)電阻（ESR）、串聯(lián)電感（ESL）與純電容C的串聯(lián)。對于低頻電路，ESL可以忽略。輸出紋波主要由ESR來決定。一般常用鋁電解電容的RC值近似為一個常數(shù)，為。利用典型ESR-容值關(guān)系，根據(jù)公式得：選擇16V，1000uF的普通鋁電解電容。8.續(xù)流二極管的選擇 根據(jù)Buck變換器的工作原理，

9、開關(guān)截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感儲能轉(zhuǎn)化為電能，二極管起到續(xù)流作用，二極管正向額定電流需大于負(fù)載電流，耐壓值大于輸入電壓，同時為了使截止到導(dǎo)通時間盡量短，選擇超快恢復(fù)二極管，根據(jù)本設(shè)計的要求，選擇正向電流不小于1A的超快恢復(fù)二極管。此處選擇HER101，最短恢復(fù)時間為50ns。 元件清單名稱生產(chǎn)廠商價格MC34063AIC0.50IRF530NIR2.00HER101HY0.10.3功率電阻-0.0210電阻-0.0130K精密電阻-0.3010K精密電阻-0.30100pF電容-0.011000uF電容RUBYCON0.5470uH電感-1.00印刷電路板-1.00合計5.74 表1-1 元

10、件清單 五 電路仿真5.1使用的仿真軟件Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是英國著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件

11、和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。5.2 仿真設(shè)計過程 圖5-1 proteus仿真圖 根據(jù)設(shè)計電路，及元件的特性，將元件一一連接，初步測試。測試后，根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，最后將電流表，電壓表，接入電路中，完成調(diào)整測試。5.3 仿真結(jié)果輸入DC空載輸出電壓滿負(fù)載輸出電壓9V4.41V 4.37V10V 6.28V 6.22

12、V11V 7.28V 7.18V 表5-1 仿真結(jié)果連接完成過后，將電壓表、電流表接入電路中，分別測試9V,10V,11V時的空載輸出電壓和滿載輸出電壓，其結(jié)果如表五、安裝與調(diào)試輸入DC空載輸出電壓滿負(fù)載輸出電壓9V 4.40V 4.38V10V 6.18V 6.11V11V 7.25V 7.17V 表5-2 測試結(jié)果以及計算輸入為第二個點的數(shù)值時，輸入功率P=？，開關(guān)電源的效率=？ P=37.75W =61.7六 設(shè)計實踐的體會和總結(jié)通過本次課程設(shè)計，對模擬電子技術(shù)，電力電子技術(shù)和電子產(chǎn)品工藝等有了更深刻的認(rèn)識。（1）解決了很多實際性的問題。熟悉了一些電源芯片的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，并與Buck拓?fù)湎?/p>

13、結(jié)合，設(shè)計出符合要求的電路。（2）在大量瀏覽課本、課外書籍與互聯(lián)網(wǎng)資料的過程中逐步積累知識，為今后的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。  課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過兩個星期的課程設(shè)計，我對電子工藝的理論有了更深的了解。其中包括穩(wěn)壓電源的工作原理、焊接普通元與電路元件的技巧等等。這些知識不僅在課堂上有效，在日常生活中更是有著現(xiàn)實意義，也對自己的動手能力是個很大的鍛煉。在實習(xí)中，我鍛煉了自己動手能力，提高了自己解決問題的能力。通過本次實踐也培養(yǎng)了我理論聯(lián)系實際的能力，提高了我分析問題和解決

14、問題的能力，增強(qiáng)了獨立工工作的能力。在這次設(shè)計中，我也遇到了不少的問題，幸運的是，最終一一解決了遇到的問題。在我遇到不懂的問題時，利用網(wǎng)上和圖書館的資源，搜索查找得到需要的信息及和同學(xué)之間相互討論顯得尤其重要了，設(shè)計過程，好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意，但畢竟這是第一次做，難免會遇到各種各樣的問題。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關(guān)資料,并在他人中互相討論，交流經(jīng)驗和自學(xué)。若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。通過這次課程設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖

15、然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。這次的制作也讓我們感受到，我們在電子方面學(xué)到的只是很小的一部分知識，我們需要更多的時間來自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在此感謝同學(xué)細(xì)致、一絲不茍的幫助。他們一直是我學(xué)習(xí)中的榜樣；謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友誼。與隊友的合作更是一件快樂的事情,只有彼此都付出,彼此都努力維護(hù)才能將作品做的更加完美。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們實習(xí)成功的一項非常重要的保證。而這次實習(xí)也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。電子科技大學(xué)中山學(xué)院新型電源設(shè)計實踐課程成績評定表 姓名學(xué)號班級 題目難度1、好（ ） 2、較好（ ） 3、一般（ ） 4、差（ ）原理圖設(shè)計1、好（ ） 2、較好（ ） 3、一般（ ） 4、差（ ）元件選擇計算1、好（ ） 2