BUCK電路方案設(shè)計(jì)

1、項(xiàng)目2 項(xiàng)目名稱 基于PWM控制 Buck變換器設(shè)計(jì)一、目的 1熟悉Buck變換電路工作原理，探究PID閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。2熟悉專用PWM控制芯片工作原理，3探究由運(yùn)放構(gòu)成的PID閉環(huán)控制電路調(diào)節(jié)規(guī)律，并分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。二、內(nèi)容 設(shè)計(jì)基于PWM控制的Buck變換器，指標(biāo)參數(shù)如下：n 輸入電壓：9V12V；n 輸出電壓：5V，紋波<1%；n 輸出功率：10Wn 開關(guān)頻率：40kHzn 具有過流、短路保護(hù)和過壓保護(hù)功能，并設(shè)計(jì)報(bào)警電路。n 具有軟啟動(dòng)功能。n 進(jìn)行Buck變換電路的設(shè)計(jì)、仿真（選擇項(xiàng)）與電路調(diào)試。三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 1. 示波器 2. 穩(wěn)壓電源 3. 電烙鐵 4. PC81

2、7隔離5. 計(jì)算機(jī) 6. PWM控制芯片SG35257. IRF540_MOSFET 8. MUR1560快恢復(fù)整流二極管 9. 74HC74N_D觸發(fā)器 10. LM358放大器 11. 萬用表 12. 電容、電感、電阻四、研究內(nèi)容（1） 方案設(shè)計(jì) 基于PWM控制的Buck變換器主要由五部分構(gòu)成，功率主電路、PWM發(fā)生電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路和保護(hù)電路組成。Buck變換器的基本控制思路框圖如圖1.1所示，總體電路圖如圖1.2所示。圖1.1 Buck變換器控制框圖圖1.2 總體電路圖1、 功率主電路圖1.3 功率主電路 功率主電路圖如圖1.3所示，在功率管導(dǎo)通時(shí)電管L上電壓為（Vd

3、-Vo)，當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)時(shí)電管L上電壓為(-Vo),由于一個(gè)周期之內(nèi)電感兩端電壓的積分為0，從而得到：從而通過控制占空比D就可以控制使Vd從9V到12V變化時(shí)輸出電壓Vo保持在5V1。 輸入電壓Vd=9至12V，輸出電壓Vo=5V，電壓紋波Vo/Vo<1，輸出功率P=10W，開關(guān)頻率=40kHz參數(shù)設(shè)定：開關(guān)管選擇TRF540_MOSFET，在其柵源級(jí)之間加上一定電壓MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)所加壓小于導(dǎo)通電壓MOSFET關(guān)斷；二極管選擇MUR1560快恢復(fù)整流二極管（NFE516U1560），2.5電阻負(fù)載由滑動(dòng)變阻器提供。2、 PWM發(fā)生電路圖1.4 PWM波發(fā)生電路PWM波發(fā)生電路見圖1

4、.4。PWM的產(chǎn)生主要靠PWM控制芯片SG3525，SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化2。2.1pwm調(diào)制波與載波的比較 將從負(fù)載段輸出的電壓分壓經(jīng)過隔離反饋到1腳，與從16腳5.1V通過電阻分壓到2腳的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，結(jié)果在芯片內(nèi)部與載波形成pwm控制波。2.2開關(guān)管頻率設(shè)定在SG3525中的振蕩器有CT（引腳5）和RT（引腳6）兩個(gè)引腳和一個(gè)放電端（引腳7）。RT的阻值決定了內(nèi)部恒流源對(duì)CT充電電流

5、的大小，而CT的放電則由引腳5和引腳7之間的外接電阻決定。將充電回路和放電回路分開，有利于通過引腳5和引腳7之間的外接電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。這樣SG3525的振蕩頻率在SG3525中的振蕩器除了CT和RT兩個(gè)引腳外，又增加了一個(gè)同步端（引腳3）和一個(gè)放電端（引腳7）。RT的阻值決定了內(nèi)部恒流源對(duì)CT充電電流的大小，而CT的放電則由引腳5和引腳7之間的外接電阻決定。將充電回路和放電回路分開，有利于通過引腳5和引腳7之間的外接電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。這樣SG3525的振蕩頻率由下式進(jìn)行計(jì)算： FOSC=1/(0.7*RT+RD)*CT     

6、            取  同步端（引腳3）主要用于多只SG3525之間的外部同步，同步脈沖的頻率應(yīng)比震蕩頻率FOSC略低一些，在本次設(shè)計(jì)中引腳3懸空。 2.3PID控制環(huán) 由SG3525的引腳9和引腳1進(jìn)行PID調(diào)節(jié)如圖1.5所示，負(fù)載反饋到引腳1接20電阻，引腳1和引腳9之間接20電阻（實(shí)驗(yàn)中用5K滑動(dòng)變阻器）和0.101F電容形成比例微分環(huán)節(jié)，使該閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)更穩(wěn)定而快速。圖1.5 PID反饋控制2.4軟啟動(dòng)環(huán)節(jié) SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8

7、）上通常接一個(gè)1F的軟啟動(dòng)電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作3。 2.5 PWM波輸出 SG3525的引腳11和引腳14時(shí)兩路PWM波互補(bǔ)輸出端，兩者僅最大能輸出占空比為0.5的PWM波，所以將兩者通過二極管并聯(lián)輸出，以得到滿足要求的PWM波。3、 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路圖如圖1.6。圖1.6 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

8、采用兩個(gè)晶體管連接成的推挽輸出。左邊接SG3525引腳11和引腳14的并聯(lián)輸出，右邊輸出接主電路MOSFET的控制端。R3選100限流電阻，通過10k電阻接地，起接地參考作用否則，推挽輸出一直為高。兩個(gè)晶體管NPN的集電極通過1k電阻接電源，PNP的集電極通過1k電阻接地，兩者發(fā)射極并接通過一個(gè)100電阻輸出，作用是保護(hù)MOSFET。推挽電路將PWM的低電壓拉低以確保MOSFET的可靠關(guān)斷。4、 隔離電路 隔離電路圖如圖1.7所示，采用PC817芯片進(jìn)行隔離。在負(fù)載端并接上兩個(gè)串聯(lián)的20k電阻進(jìn)行分壓，PC817原邊引腳1接在兩個(gè)20k電阻中間，引腳2通過20k電阻接地（與主電路共地）起到限流

9、的作用。其副邊的引腳4接到SG3525的引腳16獲得5.1V穩(wěn)壓供電，引腳3通過兩個(gè)3.3k電阻接地(控制電路SG3525的地），從兩個(gè)3.3k電阻之間引線到SG3525的引腳1從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)和主電路與控制電路的“地”隔離。圖1.7 隔離電路5、 保護(hù)電路 主要實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，利用SG3525的外部關(guān)斷信號(hào)輸入端引腳10（Shutdown該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)）控制過壓保護(hù)。利用D觸發(fā)器進(jìn)行過壓保護(hù)信號(hào)的鎖存，與電源斷電后的復(fù)位。利用比較器將所采信號(hào)和預(yù)設(shè)信號(hào)比較產(chǎn)生過壓信號(hào)。保護(hù)電路圖如圖1.8所示。圖1.8 保護(hù)電路 比較器利用芯片L

10、M358放大器 ，引腳8接SG3525的16引腳5.1V穩(wěn)壓輸出，引腳4接地（控制電路的地），（仿真中利用比較器實(shí)現(xiàn)該功能）。將隔離電路相控制電路引腳1的輸出信號(hào)接到引腳5，引腳2通過一個(gè)1k一個(gè)3.3k電阻分壓出3.91V輸入，引腳7輸出到D觸發(fā)器（仿真圖中利用簡單的D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)該功能）的引腳3上。D觸發(fā)器74HC74N供電利用SG3525引腳16的5.1V穩(wěn)壓輸出，引腳2引腳4接5.1V，引腳1通過1k電阻接5.1V電源通過25F電容接地（與控制電路共地），其作用是當(dāng)電源斷電時(shí)將引腳1放電使D觸發(fā)器復(fù)位，過壓信號(hào)清除。從引腳5輸出到SG3525的引腳10進(jìn)行pwm禁止控制，同時(shí)通過3.3k（或1k）電阻連接發(fā)光二極管