DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計剖析

1、課程設(shè)計報告課程明稱電子技術(shù)題 目 DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計系 部 專 業(yè) 班 級 姓 名學 號 指導老師 2014年1月6日 目 錄摘 要1一 設(shè)計目的.1二 設(shè)計要求.1三 開關(guān)電源簡介.1四 DC/DC變換器原理.2 4.1Booster型DC/DC變換器.2 4.2Buck型DC/DC變換器.3 4.3Buck. Booster型變換器4 4.4Cuk型變換器5 4.5pwm工作方式.5 4.6PFM工作方式.6 4.7PSM調(diào)制模式.6五 .外圍元器件的選擇.6 5.1電容的取值.7 5.2電感的取值.7 5.3運放的選擇.8 5.4功率輸出級的設(shè)計8六方案分析.9七電路設(shè)計.1

2、0 7.1復合管準互補推免電路的實現(xiàn).10 7.2整體電路原理圖.10 7.3對電路各部分的定性說明及定量計算.11 7.4直流穩(wěn)壓源.11八保護電路.12九.安裝調(diào)試.13十心得體會.13十一.參考文獻.13摘要本文設(shè)計了一款升壓式DCDC變換器，輸入電壓范圍為27V到55V，適用鋰離子電池供電的便攜式設(shè)備，可輸出高達18V的穩(wěn)定輸出電壓，負載電流最大達200mA。電路采用電壓控制型PWM方式調(diào)制，內(nèi)建頻率為1SMHz的振蕩器。采用同步整流技術(shù)提高系統(tǒng)效率。同時對升壓型變換器的模型建立進行了研究，設(shè)計了過溫關(guān)斷、欠壓鎖定等保護電路來提高系統(tǒng)可靠性。此升壓式DCDC變換器的子模塊由帶隙基準電壓

3、源、誤差放大器、PWM比較器、鉗位電路、振蕩器、系統(tǒng)補償電路等單元電路組成。一、設(shè)計目的根據(jù)設(shè)計要求，完成DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的設(shè)計。進一步加強對模擬電子技術(shù)知識的理解和對Protel軟件的應(yīng)用。學習DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的設(shè)計方法與小型電子線路系統(tǒng)的安裝調(diào)試方法。二、設(shè)計要求內(nèi)容要求：設(shè)計一個將110V升高到220V的DC-DC變換器。三開關(guān)電源簡介電源一般按習慣可以分為線性穩(wěn)壓電源(LDO)和開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源就是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，控制半導體功率開關(guān)器件開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為DCDC穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品

4、。它通過用電子線路組成開關(guān)式(方波)電路來達到對電能的轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達80以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了幾個時期管穩(wěn)壓電源時期(1950年代)i晶體管穩(wěn)壓電源時期(1960年代1970年代中期)、低性能穩(wěn)壓電源時期(1970年代1980年代末期)、高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源時期(1990年代至今)。由于開關(guān)電源功耗小、效率高(可高達7095)、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點，而線性電源效率低(一般低于50)，并且電壓轉(zhuǎn)換形式單一(只有降壓)等缺點，如今開關(guān)電源已逐漸取代線性電

5、源。當然線性電源因為其低噪聲、紋波小的優(yōu)點，在一些電子測量儀器、代線性電源ADDA和取樣保持電路中，線性電源仍然無法被開關(guān)電源取代。開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，其優(yōu)點是小型、輕量、效率高。它的這種優(yōu)點適應(yīng)電子設(shè)備的輕、薄、短、小與節(jié)能的要求，其應(yīng)用范圍迅速擴大。目前它已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選。驅(qū)動集成電源市場蓬勃發(fā)展的主要原因有兩個：首先是在提高性能的基礎(chǔ)上，所有電子設(shè)備中使用的硅組件正不斷增加；其次是消費性電子產(chǎn)品大量數(shù)字化的結(jié)果。四DCDC變換器原理分析開關(guān)電源DCDC變換器是將一種直流電壓變換成另一種固定的或者可調(diào)的直流電壓，也稱為直流直流變換

6、器，它利用無源元件電感和電容的能量儲存特性，從輸入電壓獲得能量，暫時把能量以磁場的形式存儲在電感中，或者以電場的形式存儲在電容之中，然后將其變換到負載，實現(xiàn)DCDC變換便攜式電子產(chǎn)品通常需要多種電壓，但是這些產(chǎn)品只能由一組電池供電，因此所需要的各種直流電壓必須通過DCDC變換器供給。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關(guān)系，DCDC變換器可分為幾種類型，降壓型(Bulk)，升壓型(Boost)和升壓降壓型(Boost-Bulk)和反相型(Cul【)DCDC變換器。下面分別介紹這幾種變換器的工作原理。41 Boost型DCDC變換器下圖是Boost型DCDC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，SW是受控制電路決定的周期性導通的

7、開關(guān)， L為升壓電感，D為續(xù)流二極管，C為濾波電容。+圖2I Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)開關(guān)導通時，輸入電壓加載在儲能電感的兩端，能量被儲存在電感中而不傳遞給輸出端，根據(jù)電感方程，有：由此可以推出：設(shè)輸入電壓保持不變，則有：其中五岫為開關(guān)SW導通前流過電感L的電流，由此可以看出，開關(guān)導通后，電感上的電流線性上升，開關(guān)上的電流也呈線性上升，在t=-t。時刻，當開關(guān)導通的狀態(tài)終止時，電感電流達到最大值：開關(guān)斷開時，電感電壓反向，該電壓和電源電壓疊加后，通過二極管D和負載電容C加載到負載兩端，電感儲存的能量通過二極管傳遞給輸出端，同時直流源也給負載提供能量。則有：在t。時刻，流過電感L的電流為：當t-

8、tl=to行時，流過電感的電流最小，其值為：將ILmin的表達式帶入ILm戤的表達式中，得：該式經(jīng)整理后可得：由上式可以看出，該電路的輸出電壓高于輸入電壓，所以將其稱為升壓型DCDC變換器。工作過程中，開關(guān)的導通時間ton或關(guān)斷時間ton都可以改變變換器的輸出電壓。4.2 Buck型DCDC變換器下圖為Buck型DCDC變換器結(jié)構(gòu)示意圖。SW是受控制電路決定的周期性導通的開關(guān)，L和C分別為電感和濾波電容，D為整流二極管。與前文中對Boost變換器的討論相類似，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感電流的凈增加量和凈減少量要相等，得到Buck型變換器輸入輸出關(guān)系：在電感電流連續(xù)的條件下：在電感電流不連續(xù)的條件下：其中，

9、其中D為開關(guān)SW的導通占空比j D2為二極管的導通占空比。4.2 BuckBoost型變換器BuckBoost變換器是降壓升壓混合電路，其輸出電壓可以小于輸入電壓，也可以大于輸入電壓，且輸出電壓極性與輸入電壓相反。圖為Buck-Boost電路的拓撲結(jié)構(gòu)。+在電感電流連續(xù)的條件下，得到： 在電感電流不連續(xù)的條件下，得到：其中D為開關(guān)SW的導通占空比，D為二極管的導通占空比。由上式可知，當D05時，BuckBoost電路是升壓電路：4.3Cuk型變換器Cuk變換器其實是由Boost和Buck兩種變換器組合而成。下圖所示是一個Cuk變換器。它可以拆分成上面兩種電路。Cuk型電路的最大優(yōu)點是工作在連續(xù)

10、工作模式下時，它的Boost部分提供一個非常平滑的輸入電流。Buck部分提供平滑的輸出電流。與前文討論類似，在電感電流連續(xù)的條件下，得到：在電感電流不連續(xù)的條件下，則有：由上式可知，當D05時，Cuk電路是升壓電路。Buck-Boost電路和Cuk電路都是升降壓型混合電路，故有很多共同特性，不同之處是Cuk電路借助電容來傳輸能量，而Buck-Boost電路借助電感來傳輸能量。4.4 PWM工作方式PWM工作方式是指保持工作頻率恒定，通過改變功率開關(guān)管的導通時間或者截止時間來改變占比的一種調(diào)制方式，是目前功率變換器中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。工作原理：首先對被控輸出電壓進行檢測，得到反饋電壓，

11、將其加至運放的反相輸入端，另一個精確的基準參考電壓加至運放的同相輸入端。反饋電壓與基準電壓比較后輸出直流誤差電壓，加至PWM比較器的同相輸入端，另一個固定頻率的振蕩器產(chǎn)生鋸齒波信號加至比較器的反相輸入端，二者經(jīng)過PWM比較器，輸出一方波信號，此方波信號的占空比隨著誤差電壓變化而變化，實現(xiàn)脈寬調(diào)制。PWM控制的實質(zhì)就是在輸入電壓，內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)管的導通時間(即脈沖寬度)，保持脈沖的周期不變來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的pJ。PWM反饋控制分為電壓控制和電流控制。4.5 PFM工作方式PFM是保持方波寬度不變，調(diào)節(jié)開關(guān)管

12、的截止時間，通過改變脈沖頻率來穩(wěn)定輸出電壓。其特點是：輸出取樣值控制頻率控制器，占空比變化范圍大，效率高，功耗低，輸出電壓的可調(diào)范圍比PWM方式大。并且在負載變化范圍大的情況下，可得到較高的效率。但是，濾波電感為了能適應(yīng)較寬的頻段，其體積和重量必定也要增大。工作原理：取自輸出端的反饋電壓加在誤差放大器的反相輸入端，另一個精確的基準電壓加在誤差放大器的同相輸入端，二者之間的壓差被放大后去控制可變頻率控制器?？勺冾l率控制器是一個壓控頻率變換器，提高輸入電壓就能提高輸出脈沖的頻率。輸出電壓的改變就是通過調(diào)整開關(guān)頻率得到調(diào)整的。PFM控制的實質(zhì)就是在輕負載的情況下，變換器只有比較稀的脈沖群，在脈沖群與

13、脈沖群之間個基本點功率管都關(guān)斷，電路空閑不工作，電感電流為零。在這個過程中，輸出電容為負載提供電流。當輸出電容放電，使得電壓低于基準電壓時，變換器重新工作，再產(chǎn)生一些脈沖群，使得輸出電容被充電。顯然，電路中與負載無關(guān)的損耗減小，隨著負載電流的減小，空閑時間增加。4.6、PSM調(diào)制模式PSM是通過改變有效工作頻率來改變輸出功率的控制方式。其開關(guān)損耗與輸出功率成正比，效率幾乎與負載無關(guān)。工作原理：控制器對輸出電壓進行檢測，如果在一個時鐘周期內(nèi)輸出的電壓值低于額定值，則這個周期內(nèi)開關(guān)管導通。否則開關(guān)管截止。這樣就可以使得輸出電壓穩(wěn)定在額定值左右。PSM通過控制開關(guān)管在一個周期內(nèi)是否導通來調(diào)節(jié)輸出功率

14、。在達到穩(wěn)定后，開關(guān)管的平均工作頻率，即有效頻率由負載決定。如果負載足夠大，開關(guān)管將在每個周期內(nèi)導通，此時有效頻率達到最大工作頻率f=1T。在一般情況下，開關(guān)管只在部分周期內(nèi)導通，此時有效頻率fc將小考慮到PWM調(diào)制方式控制電路簡單，靈活，動態(tài)響應(yīng)比較好，文中設(shè)計采用PWM調(diào)制方式。五、外圍元器件的選擇在選擇外圍電路的器件參數(shù)時，需要考慮到以下幾個因素根據(jù)工作模式和電流能力選擇電感型號，包括最大飽和電流和電感值。電感應(yīng)選擇直流電阻較低，飽和電流較大的功率電感。當流經(jīng)電感的電流較大時，由于磁芯的飽和將使實際電感值下降，所以應(yīng)選用飽和電流大于實際流過電感的峰值電流的電感。過小的電感量將會使電感電流

15、不連續(xù)造成電流輸出能力降低，輸出紋波較大。感值過大會造成瞬間響應(yīng)變差，并增加DCDC變換器的體積。電感值的選取應(yīng)當以實際輸入輸出條件及對輸出紋波瞬態(tài)響應(yīng)等要求為依據(jù)。綜合考慮電源紋波、體積和成本，選擇電容容量適中、漏電電流小的電容。5.1電容的取值對于Boost拓撲，輸入電壓最小時是其最惡劣的情況，因為這時占空比最大，制了電容取值。在每個周期T時間內(nèi)，在0rDT時，輸出電容與電感隔離，電容為負載提供能量：Q=IoDT=qAV 取乇典型值為150mA，頻率為15MHZ，D為85，要求y 2; 1.25A; 3W;TIP31NPN型大功率管的參數(shù)為：=5.0A; =40V; =40W,均能滿足設(shè)計

16、要求。、電阻阻值估算、用來減小復合管的船頭電流，太小會影響復合管的穩(wěn)定性，太大又會影響輸出功率，一般取幾百歐姆，在此取=330，為管輸入端的等效輸入電阻，其大小為：=+（1+）輸出管、的發(fā)射極和集電極所接電阻一般取=(0.050.1) 0.5;、的阻值大小要根據(jù)輸出級輸入信號的幅度和前級運放的最大輸出電流來決定。電路的靜態(tài)工作點主要由決定，過小會使晶體管工作在乙類狀態(tài)，產(chǎn)生交越失真，過大會增大靜態(tài)功耗而使功率放大器的效率降低一般取=1.5mA,由=計算得=10k;取1 k，用來調(diào)整電路的對稱性。六、方案分析1、DC-DC升壓變換器的工作原理 DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是

17、否隔離來分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工作原理。圖1（a）是升壓式DC-DC變換器的主電路，它主要由功率開關(guān)管VT、儲能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是，當控制信號Vi為高電平時，開關(guān)管VT導通，能量從輸入電源流入，儲存于電感L中，由于VT導通時其飽和壓降很小，所以二極管D反偏而截止，此時存儲在濾波電容C中的能量釋放給負載。當控制信號Vi為低電平時，開關(guān)管VT截止，由于電感L

18、中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢將阻止電流的減小，感應(yīng)電勢的極性是左負右正，使二極管D導通，此時存儲在電感L中的能量經(jīng)二極管D對濾波電容C充電，同時提供給負載。七、電路設(shè)計設(shè)計框圖：運放ICOCL功放 In電路分析與計算：、復合管準互補推挽電路的實現(xiàn)電路圖如下圖所示：由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的對稱性，為了提高功放電路的性能，在實際電路中廣泛采用復合功率管。在圖中，、為同型的NPN大功率管，容易配對，可以輸出較大的電流；、采用異型的NPN和PNP小功率管，也容易配對。這樣既獲得良好的對稱性又獲得較大電流輸出。在實際電路中，、的發(fā)射極和集電極分別接上一個電阻，使、能有一個合適

19、的工作點。的作用是調(diào)整電路的整體對稱性，減小因管子性能而引起的不對稱性。、整體電路原理圖為：、對電路各部分的定性說明及定量計算、直流穩(wěn)壓電源設(shè)計框圖：電路原理圖如下：圖中構(gòu)成單相橋式整流電路；組成電容濾波電路，這里需要大容量的電容，一般采用電解電容，為了確保安全及輸出電壓的穩(wěn)定性，選用容量為2200F的電解電容。LM317和LM337分別為三端可調(diào)正穩(wěn)壓和負穩(wěn)壓器，輸出范圍分別為1.2V37V和-1.2V-37V。整個電源的電壓輸出范圍為：015V和0-15V,能夠滿足音頻功放所需。八、保護電路電路上電啟動時，為了避免電源電壓的波動對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。需要一個欠壓鎖定電路，目的是在輸入電壓低于某個閾值電壓下，器件關(guān)斷隔離輸入輸出。設(shè)計思路：通過電阻分壓對輸入電壓進行采樣，比較采樣電壓和基準電壓，若采樣電壓低于基準電壓，輸出高電平，通過邏輯控制使芯片進入欠壓鎖定狀態(tài)。采樣電壓高于基準電壓時，輸出低電平，使電路正常工作。設(shè)計原理圖如上面所示：屬，是，恐為分壓電阻，采樣電源電壓vin后，與基準壓Vref進行比較，輸入電壓正常時，A點電壓高于Vref，比較器輸出為低，將MNI管關(guān)斷，UVLO信號為高。電壓電壓開始下降，到滿足臨界條件： A點電位下降到低于，使得比較器翻轉(zhuǎn)，UVLO輸出為