電子工程設(shè)計(jì)吳飛翔組DCDC電源

1、降壓型DC/DC開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師 路綱組員 吳飛翔B12040721 康 健 B12040710 王雙奇 B12040709 喬蒙恩B12040708摘 要： 隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展，DC/DC開(kāi)關(guān)電源已在通信、計(jì)算機(jī)以及消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，電池供電便攜式設(shè)備的需求越來(lái)越大，對(duì)DC/DC開(kāi)關(guān)電源的需求也日益增大，同時(shí)對(duì)其性能要求也是越來(lái)越高。本文設(shè)計(jì)了一款降壓型DC/DC開(kāi)關(guān)電源電路。詳細(xì)的分析和闡述了降壓型轉(zhuǎn)換器的電路拓?fù)浜凸ぷ髟?，根?jù)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)了電路的整體框圖。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；降壓型；DC/DC轉(zhuǎn)換1.1本論文主要工作目的本論文做的是一種降壓型

2、DC/DC電源的設(shè)計(jì)與研究。由系統(tǒng)性能研究開(kāi)始，設(shè)計(jì)各模塊電路。利用在DXP下對(duì)原理圖連線(xiàn)并制作PCB?；谝陨系挠懻摲治?，結(jié)合降壓式DC/DC開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際應(yīng)用，在本設(shè)計(jì)中首先設(shè)定了如下的設(shè)計(jì)目標(biāo)： （1)電源電壓輸入為15（范圍為7-40V）。 （2)輸出電壓為8V左右最終將完成所有功能單元電路以及整體電路的設(shè)計(jì)，完成部分電路的版圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。為完成以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立的設(shè)計(jì)環(huán)境如下：在硬件方面：一臺(tái)工作在WindowsXP環(huán)境下的PC機(jī)。在軟件方面：電路設(shè)計(jì)工具是Protel DXP設(shè)計(jì)工具；本論文主要介紹了電源管理的概念、開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展以及應(yīng)用前景；對(duì)開(kāi)關(guān)電源的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，

3、作為后續(xù)的設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；對(duì)降壓式DC/DC開(kāi)關(guān)電源整體電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)整體電路進(jìn)行實(shí)物制作和測(cè)量。1.2DCDC降壓電源工作原理壓電路是BUCK電路，開(kāi)關(guān)S閉合的時(shí)候，VD二極管承受負(fù)壓關(guān)斷，電感充電，電流正向流動(dòng)，電流值呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)。開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)的時(shí)候，VD二極管起續(xù)流作用，電感開(kāi)始放電，電流逐漸下降，通過(guò)負(fù)載和二極管回到電感另外一端，短暫供電。這樣電壓就能降低。實(shí)際使用的時(shí)候，S開(kāi)關(guān)是通過(guò)MOSFET或者IGBT實(shí)現(xiàn)的，輸出電壓等于輸入電壓乘以PWM波的占空比1.3光耦的作用 開(kāi)關(guān)電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號(hào)和開(kāi)關(guān)作用。開(kāi)關(guān)電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級(jí)電壓提供的，當(dāng)

4、輸出電壓低于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管電壓是給信號(hào)光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高：反之則關(guān)斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。我們的降壓電源就采用第二種。光耦通常與TL431一起使用。它的作用概括如下：1隔離，把進(jìn)線(xiàn)220V的強(qiáng)電和電路板電路隔離開(kāi)來(lái)，也就是常說(shuō)的“冷底板”2同時(shí)把后面工作電路中變化的電壓信號(hào)通過(guò)光耦的原端發(fā)光二極管轉(zhuǎn)變成光信號(hào)照射到次端的光敏二極管從而改變光敏二極管的電阻，在通過(guò)這個(gè)電阻的變化去控制開(kāi)關(guān)電源，完成了隔離和反饋控制的作用。下面是我們所用的光耦PC817的介紹： pc817是常用的線(xiàn)性光藕，廣泛用在電腦終端機(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)量?jī)x器，影印機(jī)，自動(dòng)售票，家用電器，如風(fēng)扇

5、，加熱器等電路之間的信號(hào)傳輸，常常在各種要求比較精密的功能電路中被當(dāng)作耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。特點(diǎn)：電流傳輸比 (CTR:MIN.50%atIF=5mA,VCE=5V)高隔離電壓:5000V有效值緊湊型雙列直插封裝 公認(rèn)的UL認(rèn)證，檔案編號(hào)E64380 AbsoluteMaximumRatingsPC817光耦絕對(duì)最大額定值 當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，照射在受光器上，受光器接受光線(xiàn)后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了"電-光-電"的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能

6、傳輸數(shù)字信號(hào)（開(kāi)關(guān)信號(hào)），不適合傳輸模擬信號(hào)。線(xiàn)性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。1.4芯片uc3843的作用 UC3842 、UC3843 是高性能固定頻率電流模式控制器專(zhuān)為離線(xiàn)和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。 

7、;   其它的保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存。    UC3842A 有16V（通）和10 伏（斷）低壓鎖定門(mén)限，十分適合于離線(xiàn)變換器。UC3843A是專(zhuān)為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低壓鎖定門(mén)限為8.5伏（通）和7.6V（斷）。特點(diǎn): 微調(diào)的振蕩器放電電流，可精確控制占空比. 電流模式工作到500KHZ 自動(dòng)前饋補(bǔ)償 鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流 內(nèi)部微調(diào)的參考電壓，帶欠壓鎖定 大電流圖騰柱輸出 欠

8、壓鎖定，帶滯后 低啟動(dòng)和工作電流 直接與安森美半導(dǎo)體的SENSEFET產(chǎn)品接口引腳圖引腳功能引腳功能說(shuō)明8管腳14管腳11補(bǔ)償該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償。23電壓反饋該管腳是誤差放大器的反相輸入端，通常通過(guò)一個(gè)電阻分壓器連至開(kāi)關(guān)電源輸出。35電流取樣一個(gè)正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通。47RT/CT通過(guò)將電阻RT連接至Vref以及電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)。工作頻率可達(dá)500kHz 。5 -地該管腳是控制電路和電源的公共地（僅對(duì)8管腳封裝如此）610輸出該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率MO

9、SFET的柵極，高達(dá)1.OA 的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌。712VCC該管腳是控制集成電路的正電源。814Vref該管腳為參考輸出，它通過(guò)電阻RT向電容CT提供充電電流。我們本次用的是八管腳的芯片。1.5.TL431的介紹 TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。 特點(diǎn)： 可編程輸出電壓為36V  電壓參考誤差：±

10、0.4 ，典型值25（TL431B）   低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型0.22   負(fù)載電流能力1.0mA to 100mA  等效全范圍溫度系數(shù)50 ppm/典型   溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍  低輸出噪聲電壓1.6.BUCK變換器的介紹Buck型開(kāi)關(guān)電源將輸入電壓Vin變換成0VoVin的穩(wěn)定輸出電壓Vo，所以又稱(chēng)降壓開(kāi)關(guān)電源。圖7（a）是Buck開(kāi)關(guān)電源的主電路圖：Vin為輸入電源，通常為電池或電池組。Mp是主開(kāi)關(guān)管，因其

11、源端接電源Vin，適宜選用低電平導(dǎo)通的PMOS管。二極管D是輔助開(kāi)關(guān)管，也稱(chēng)為整流管，一般使用具有較低正向?qū)妷旱男ぬ鼗O管。Vp是Mp的柵極控制信號(hào)，由控制電路提供，Ro表示負(fù)載電阻。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電路工作在兩階段下：第一階段：在控制電路作用下，Mp導(dǎo)通，x點(diǎn)高電位，二極管因受反向偏壓而截止，電流由輸入電壓流經(jīng)Mp、電感L到電容C和負(fù)載。電感電流持續(xù)上升，電感儲(chǔ)能在增加，能量由電池傳送到電感并存儲(chǔ)在電感中；第二階段：控制電路使Mp截止，切斷電池和電感元件的連接，于是電感產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)使電流維持原來(lái)的流向，迫使x點(diǎn)電位降至比地電位還低一個(gè)二極管的正向?qū)▔航?，二極管D導(dǎo)通，為電感電流提

12、供通路，電流由電感L流向電容C和負(fù)載，電感電流隨時(shí)間下降，能量由電感流向負(fù)載。在兩種工作模式下，在負(fù)載Ro上都可得到脈動(dòng)很小的直流電壓Vo。根據(jù)電感中電流I在周期開(kāi)始時(shí)是否從零開(kāi)始，可分為電感電流連續(xù)工作模式（CCM）和電感電流不連續(xù)工作模式（DCM）。圖8為在兩種工作模式下的電路波形。設(shè)MOS管的導(dǎo)通占空比為，二極管的導(dǎo)通占空比為。如果新的周期在電感電流尚未降至零時(shí)開(kāi)始，則系統(tǒng)工作在CCM，工作波形見(jiàn)圖8(a)，此模式下有+=1。在第一階段，開(kāi)關(guān)閉合，電感電流上升；在第二階段，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電感電流下降。當(dāng)電感L較小，負(fù)載電阻較大，或者T較大時(shí)，將出現(xiàn)電感電流下降到零，下一周期卻還沒(méi)有開(kāi)始的情況

13、。當(dāng)下一周期開(kāi)始時(shí)，電感電流從零開(kāi)始線(xiàn)性增加。這種工作方式稱(chēng)電感電流不連續(xù)模式。其工作波形如圖8（b）所示，此時(shí)，+1?？傻茫?2-2由于電容的充放電，輸出電壓會(huì)有紋波分量。當(dāng)電感電流大于輸出電流時(shí)，電容被充電；當(dāng)電感電流小于輸出電流時(shí)，電容對(duì)負(fù)載放電。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電容元件存儲(chǔ)的電荷變化量為： 2-3將代入上式，可得紋波電壓計(jì)算公式： 2-4在式2-4中，若給定紋波電壓的指標(biāo)，根據(jù)公式可估算出為滿(mǎn)足紋波指標(biāo)所需要的最小電容值C。1.7電感的計(jì)算 電壓、電源開(kāi)關(guān)頻率、最大紋波電流、占空比。下面以圖2為例說(shuō)明降壓型開(kāi)關(guān)電源電感值的計(jì)算，首先假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為300kHz、輸入電壓范圍12V

14、7;10%、輸出電流為1A、最大紋波電流300mA。 最大輸入電壓值為13.2V，對(duì)應(yīng)的占空比為：   DVo/Vi5/13.20.379 (3)   其中，Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器上的電壓為：   VViVo8.2V (4)   當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感器上的電壓為： V-VoVd-5.3V (5)   dtD/F (6)   把公式2/3

15、/6代入公式2得出：我們就可以根據(jù)這個(gè)算出我們所需要的電感。1.8原理圖以及PCB圖以及波形圖和實(shí)物圖原理圖PCB圖波形圖實(shí)物圖1.9數(shù)據(jù)記錄輸入電壓（V）輸入電流(A)輸出電壓(V)輸出電流(A)15.260.2947.890.38215.260.2637.910.40615.260.2917.930.45415.260.3157.910.49115.260.3417.900.53415.260.3807.900.5972.0數(shù)據(jù)處理效率=（輸出電壓×輸出電流）÷（輸入電壓×輸入電流）(7.89×0.382) ÷(15.26×0.294) ×100%=79.3%(7.91×0.406) ÷(15.26×0.263) ×100%=80.0%(7.93×0.454) ÷(15.26×0.291) ×100%=81.1%(7.91×0.491) ÷(15.26×0.315) ×100%=80.8%(7.90×0.534) ÷(15.26×0.341) ×100%=81.1%(7.90×0.597) ÷(15.26×0.