中南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計調(diào)研報告

本科畢業(yè)設(shè)計(調(diào)研報告)GRADUATIONDESIGN(THESIS)MATERIAL題 目 寬電壓輸入buck變換器的優(yōu)化設(shè)計爭論學(xué)生姓名 赫玉瑩指導(dǎo)教師 裘智峰 韓華學(xué) 院信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級電氣工程及其自動化1104本科生院制20234寬電壓輸入的buck變換器優(yōu)化設(shè)計爭論摘要和課題爭論規(guī)劃做如下報告。第一章簡述了社會和科技進(jìn)展對電源治理芯片的要求，提出了爭論開關(guān)型降壓DC/DC10Buckbuck劃。關(guān)鍵詞：BUCK變換器同步整流電磁兼容DesignofBUCKconverterwithwideinputvoltagerangeapplicationsABSTRACTofscienceandtechnology,digitalproductshavebeentheindispensablepartoflife,andtheresearchofswitchpowersupplyhasandmorepopular.Asswitchpowersupplyapplicationsincreased,higherdemandofperformanceandoptimizationdesignarerequired.Basedonthepreviewofliteratures,themaincontentandresearchplanwillbeshowninthisreport.Thedevelopmentofpowerelectronicsisintroducedatfirst,andtheresearchbackgroundandsignificanceofpowersuppliesareproposed.Theresearchsituationandfocusesofswitchingpowersuppliesaresummarizedinthesecondchapter.Andthenthebasicprincipleandcontrolmethodsofbuckdc-dcconverterareshown.Basedonthethirdchapter,schemesofeachmoduleisproposed.Severalsoftwaresthatwillbeusedinthedesignaredescribedsimplynext,andthesixchapterdiscusssomekeypointinthedesign.Finally,theidealresearchprogressandtimemanagementareintroducedinthelastchapter.Keywords:DC-DCbuckconverter synchronousrectify compatibility名目\l“_TOC_250006“第1章爭論背景與意義 6\l“_TOC_250005“第2章爭論現(xiàn)狀 7開關(guān)變換器爭論現(xiàn)狀 7電源把握技術(shù) 8\l“_TOC_250004“第3章BUCK變換器理論根底 10buck變換器工作原理 10把握方法簡述 12PWM把握 12PFM把握 13PWM/PFM混合把握 13電壓模式把握與電流模式把握 13buck變換器的限制 15\l“_TOC_250003“第4章系統(tǒng)設(shè)計方案 15系統(tǒng)設(shè)計要求 15設(shè)計方案論述 16把握回路設(shè)計方案 16開關(guān)管方案 16驅(qū)動電路設(shè)計 17\l“_TOC_250002“第5章課題爭論所需軟件介紹 21matlab軟件simulink仿真介紹 21protues軟件 22IAR編譯器 23\l“_TOC_250001“第6章論文主要工作和重點難點 24論文重點難點 24課題爭論打算 24\l“_TOC_250000“參考文獻(xiàn) 261近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛進(jìn)展，電子產(chǎn)品如筆記本電腦、移動、PDA入每一個家庭，電力電子設(shè)備與人們的生活、工作息息相關(guān)。而DC/DC的要求也越來越高。電子進(jìn)展的需求[1]。于是，在20世紀(jì)50年月，美國宇航局開發(fā)了開關(guān)電源，并漸漸取隨著技術(shù)進(jìn)展，這些缺乏正在不斷得到改善[1]2080計算機(jī)上實現(xiàn)，之后，到2090航天等得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)展突飛猛進(jìn)。2080是迫切[2]。[3]。通過開關(guān)模式，DC-DC變換器可將輸入的非穩(wěn)壓直流電壓變換為期望輸出的可控直buckbuck2開關(guān)變換器爭論現(xiàn)狀DC/DC開關(guān)變換器的爭論，是電力電子技術(shù)中開關(guān)電源技術(shù)的一局部，運用功率變2090低本錢等得以實現(xiàn)[3]?？偟膩碚f，在過去近50年開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步和進(jìn)展進(jìn)程中，有三大標(biāo)志：IGBTPWMPFM開關(guān)電源系統(tǒng)的集成應(yīng)用國外在集成化的爭論上已開展了近20體管、高頻開關(guān)變壓器磁性材料、儲能電感、快恢復(fù)續(xù)流二極管還都是從國外引進(jìn)。而對于開關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)展趨勢，可以歸納為以下四點[4]：小型化、輕量化、薄型化、高頻化。在提高頻率的同時，降低開關(guān)噪聲承受計算機(jī)軟件對設(shè)計過程和開關(guān)電源性能的優(yōu)化1〕軟開關(guān)技術(shù)電磁兼容性問題[5]。PWM關(guān)技術(shù)的重要技術(shù)之一，在直流開關(guān)電源中也廣泛應(yīng)用。穿插并聯(lián)技術(shù)NN減小了電源的體積，提高了其功率密度。多電平變換器的把握方法PWMPWM〔SVPWM〕法。PWM〔SHPWM、三角載波移相〔PSPWM〕法和開關(guān)頻率最PWM〔SFOPWM〕法。器件的利用率均衡，為此，提出了循環(huán)安排和交替安排兩種均衡把握方法[7]。均流技術(shù)〔即調(diào)整變換器的輸出阻抗來實現(xiàn)均流；主從設(shè)置法〔定義其中一個電源模塊為主模塊，其余為從模塊，從模塊跟隨主模塊調(diào)整輸出電流，屬于閉環(huán)把握方法〔將各R；最大電流均流法〔將輸出電流最大的模塊自動變?yōu)橹髂K，其他為從模塊，依次整定。功率因數(shù)校正〔PFC〕為解決諧波污染問題，需要降低電源設(shè)備自身的諧波污染，提高功率因數(shù)。PFC3BUCKbuck如以以下圖3-1所示，為buck變換器工作原理圖。它是由一個功率晶體管開關(guān)Q與負(fù)ubQuo電流，輸出電壓為0[8]。這樣的一個電壓方波平均值等于所期望的直流輸出電壓，后面LC考電壓作比較，生成響應(yīng)的把握PWMMOSCCMDCM，主要取決于流過電感電流是否連續(xù)。3-2buck[6-8]。其中所做的抱負(fù)假設(shè)為：00。ESR0。輸出電壓紋波可以無視不計。0tDTs ：開關(guān)管導(dǎo)通時，輸出電感儲能，流過電感的電流線性增加，同時給負(fù)載供給能量；LdiVdt g

V (3-1)DT tTs

diode小。Ldidt

V (3-2)依據(jù)電感伏秒平衡原理可得：(V V)DTg s

V(1D)Ts

(3-3)由式(3)可得：DVV

(3-4)g可得邊界條件為：K1D

2LfsR

(3-5)即:當(dāng)1D

2LfsR

時，buckCCM當(dāng)1D

2LfsR

時，buckDCM當(dāng)1D

2LfR

s時，buckCCM/DCM1 V2邊界條件也可寫為：LC

02 Pf0 s

(1DRD、fs

固定時，LLC

CCMDCMfs

LC

值降低。把握方法簡述因素，需要對系統(tǒng)承受適宜的把握策略。DC-DC變換器的把握方法可分為PWM把握(pulse-width-modulation)、PFM(pulse-frequency-modulation)、PWM/PFM把握。下面將分別對這三種把握方式進(jìn)展簡要的說明。PWMPWM把握即脈沖寬度把握，通過轉(zhuǎn)變在固定工作周期內(nèi)的開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時間來轉(zhuǎn)變占空比，通過調(diào)整占空比使得輸出電壓穩(wěn)定。如以以下圖3-3PWM3-4兩端產(chǎn)生穩(wěn)定的正向壓降Vin

Vout

，流過電感的電流開頭增大，電感中儲存了一局部能D，即脈沖寬度，所以將這種工作模式叫做脈沖寬度調(diào)制把握。3-4buckPFMPFM0、電感電流上升、電感電流下降[9]PFM電感電流上升和下降的頻率固定，當(dāng)負(fù)載變輕時，電感電流為0工作頻率變小，此時通過調(diào)整這一頻率實現(xiàn)輸出穩(wěn)定。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器代替振蕩器，當(dāng)電感電流不為00。PWM/PFMPWM導(dǎo)通損耗與負(fù)載成正比，開關(guān)損耗與負(fù)載無關(guān)，因此，輕載時PFMPFMPWM在每個周期內(nèi)都可轉(zhuǎn)變占空比，因此，前者具有更大的開關(guān)噪聲。PWM/PFMPWMPFM[10]。電壓模式把握與電流模式把握電壓環(huán)和電流環(huán)。電壓環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)[11]。反響信號相疊加，再與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)展比較，最終產(chǎn)生占空比可變的PWM來把握開關(guān)管和整流管的開斷。構(gòu)造雖然簡潔，但性能更好，其優(yōu)點為：系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加低頻的紋波很難消退，而承受電流把握環(huán)后對紋波的處理力氣將明顯增加。制電路中的電流，有效降低電流沖擊。固然，電流模式把握也有確定的局限性。一般電流模式把握用電阻來檢測電流，并把電流信號反響，但是當(dāng)負(fù)載電流減小的模式，否則會引起不穩(wěn)定。當(dāng)電流模式把握變換器的占空比超過50%時，變換器會在開關(guān)頻率的次諧波頻率點[1,2,12]引起這種現(xiàn)象的緣由為：50%，電感電流的上升時間大于整個周期的50%，則當(dāng)開關(guān)關(guān)斷器件，電流還沒有來得及回到靜態(tài)初始值，下一個周期又開頭了。在下一個周期中，初始電流變大了，很快就會上升到參考50%。以此循環(huán)往復(fù)，間隔一個周期過大一個周期過小，從而會產(chǎn)生次諧波震蕩。解決該問題的方案是在電流上疊加一個固定斜坡的信號，由于所疊加的斜坡是一個固定值，電流閉環(huán)的影響可以得到較好抑制。[1,]buckBuck則變換器就不能正常工作；Buck但是對輸入電流來說，該電流值總是斷續(xù)的。在每個周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，輸入電流0，EMIBuckNMOSFET5V10V，最簡潔的方案是避開這個問題，承受PP斷電阻，開關(guān)管的開關(guān)速度會受到影響。4系統(tǒng)設(shè)計要求輸入電壓：Vin=36V~72V輸出性能：Vout=12VVout〔p-p〕<100mVIout=2.5A0.85設(shè)計方案論述基于第3章對buck電路工作原理和限制性的分析，分別針對把握回路、開關(guān)管的了提高開關(guān)電源的效率，承受同步整流的buckMOSFET續(xù)流。把握回路設(shè)計方案系統(tǒng)檢測到輸出電壓和電流，通過把握回路輸出PWMPIPI開關(guān)管方案MOSFETMOSBJTMOSFETBJTMOSFET只需要在柵極外加適宜的電壓并維持住，MOSFET大量電流，以加快響應(yīng)速度。入電壓還要高很多，這時就要用到自舉電路。MOSFET速度為代價的。BJT開關(guān)損耗顯著降低，開關(guān)頻率越低，效果越明顯。綜合兩者，消滅了IGBT，它的驅(qū)動特性與MOSFET類似，但是在其他方面如正向壓BJTIGBTMOS12V30W2.5AMOSFET。驅(qū)動電路設(shè)計PWMPWMIR21101：MOS管選用PMOSNMOSPMOS，中間承受大功率的電4-1Q2〔12V15VQ2NMOSPMOSGS此設(shè)計所存在的問題在于電阻的選取。電阻值不能太小，否則通過電流會很大，發(fā)開關(guān)速度。當(dāng)開關(guān)速度過慢，就會增大開關(guān)損耗。buck電路的驅(qū)動設(shè)計針對本畢設(shè)要求應(yīng)當(dāng)是電阻上會分擔(dān)確定的功率，使得開關(guān)電源的效率很低。4-1PMOS此設(shè)計所存在的問題在于電阻的選取。電阻值不能太小，否則通過電流會很大，發(fā)4-2所示，對驅(qū)動電阻的仿真圖，綠線表示驅(qū)動電阻很大時，MOSG4-2MOS從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動電阻很大時，驅(qū)動力氣有些力不從心。同理，下降沿也是MOS管開關(guān)時的電壓電流變化率，EMI，4-34-3DSbuck范圍進(jìn)一步拓寬，則這種設(shè)計就又不適用了。綜合以上的分析，本種設(shè)計思路是不適合的。2：NMOS4-34-4兩個圖是被提出的針對低壓應(yīng)用、寬電壓應(yīng)用、雙電壓應(yīng)用都相比照較適用的構(gòu)造。在4-54-64-5驅(qū)動電路設(shè)計方案24-6驅(qū)動電路設(shè)計方案3:設(shè)計方案3：承受自舉電路。如以以下圖4-7所示，增加二極管、L2、C3，以供給一個MOSSL2buckbuckC34-74基于此原理，一些公司開發(fā)出了相應(yīng)的高壓門極驅(qū)動芯片，一般用于半橋變換器的4-8的選取。4-8高壓門級驅(qū)動芯片自舉電路示意圖綜合以上幾種設(shè)計方案，方案1效率低，開關(guān)響應(yīng)慢且損耗大，不行行；方案2適應(yīng)性強(qiáng)，但構(gòu)造比較簡潔，實際調(diào)整較麻煩，相比而言，方案33。檢測電路設(shè)計方案buckMSP430AD20mΩINA1184-94-104-9電壓檢測電路圖整個系統(tǒng)的設(shè)計思路如以以下圖4-11所示。4-11系統(tǒng)設(shè)計思路5章課題爭論所需軟件介紹matlabPspiceprotuesmatlabsimulink包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)〕進(jìn)展建模、仿MATLABMATLAB[14]SIMULINKSIMULINKDSP、電力、金融、生物系統(tǒng)等，也獲得重要應(yīng)用[19]。simulink① 〔只有在模型窗口中才能創(chuàng)立用戶自己的系統(tǒng)模型。simulink“FileNewModel，將彈出一個如圖5-1② simulink5-15-1模型窗口示意圖③ 〔后綴名.mdl。④ 點擊模型窗口中的④ 點擊模型窗口中的按鈕，運行仿真。仿真時需依據(jù)狀況選擇相應(yīng)的算法，設(shè)置仿真參數(shù)。在仿真前必需對模型的仿真參數(shù)進(jìn)展相關(guān)的設(shè)置才能保證仿真的有效性。在模型窗口中依次點擊頂層菜單Simulation?ConfigurationParameters，5-25-2仿真參數(shù)設(shè)置界面protuesISISSPICEPCB設(shè)計，并供給了豐富的資源：器件。ProtuesSPII2C、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。了儀器對測量結(jié)果的影響。Protues調(diào)試Protues〔模擬信號和數(shù)字信號〕用于電路的測試。軟件仿真:AVRPIC12PIC16PIC18Z80HC1168000供給軟件調(diào)試功能供給豐富的外圍接口器件及其仿真供給豐富的虛擬儀器具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。IARMSP430A/D1016CIAREmbeddedWorkbenchIAR5-35-7圖5-3建工程 圖5-4建分組 圖5-5建文件5-6將文件添加進(jìn)工程5-7工程配置圖其他如代碼的編寫、調(diào)試、鏈接等都很簡潔，在此不再贅述。6章論文主要工作和重點難點了解。在此，分析列出本設(shè)計進(jìn)展的主要工作和重點難點并給出課題爭論打算。論文重點難點整體來說，需設(shè)計整流器將溝通市電整流為要求輸入的36V~72V范圍，設(shè)計濾波電路，其次，設(shè)計DC/DCbuck12V感、電容、變壓器等各參數(shù)值，確定選型。通過Autiumdesigner軟件繪制電路板，進(jìn)展焊接N在硬件搭建和軟件設(shè)計的根底上進(jìn)展調(diào)試、優(yōu)化。課題進(jìn)展的重點難點在于：寬電壓范圍輸入的同時，對效率和把握的要求；當(dāng)輸入計；把握算法的優(yōu)化。課題爭論打算計，并進(jìn)展仿真。10--430PCB25--515月15號--6月1號 完成畢業(yè)設(shè)計論文的書寫，預(yù)備辯論參考文獻(xiàn)Billings,TaylorMorey龍等譯，開關(guān)電源設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社，2023.6.XueSY,ChangLC,KjaerSB,BordonauJ,ShimizuT.Topologiesofforsmalldistributedpowergeneration:Anoverview[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2023,19(5):1305-1314.375張占松，蔡宣三，開關(guān)電源的治理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2023.阮波，嚴(yán)仰光，直流電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2023.M.Caccito,A.Consoli,R.Attanasio,andF.Gennaro,Soft-switchingconverterwithhigh-frequencytransformerforgrid-connectedphoto-voltaicsystems[J].IEEETransactionsonIndustria