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降压

1.开关电源的概要

1.1DC-DC开关电源的概念

DC-DC开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

1.2DC-DC开关电源的组成和工作原理

串联式开关型稳压电路的组成如图1所示。

电路中包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、比较放大器、基准电压和采样电路。

开关调整管

滤波电路

脉冲调制

比较放大

基准电压

采样电路

Ui

Uo

图1开关电源的组成部分

当输入直流电压或负载电流发生波动而引起输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。

此脉冲信号作为开关调整管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也随之发生变化，从而使滤波以后输出电压的电平的平均值基本保持不变。

图2示出了一个本设计的DC-DC降压电路的原理示意图。

电路的控制方式采用脉冲宽度调制方式（PWM）。

三极管VT为工作在开关状态的调整管。

由电感L和C组成滤波电路，二极管VD称为续流二极管。

脉冲宽度调制电路由一个比较器C和一个产生三角波的振荡器组成。

运算放大器A作为比较放大电路，基准电源产生一个基准电压Uref，电阻R1、R2组成采样电阻。

图2脉冲宽度调制开关电源的电路示意图

下面分析电路的工作原理。

采样电路得到的电压Uf与基准电压进行比较并放大以后得到Ua，传送到比较器的反相输入端。

振荡器产生的三角波Ut则加在比较器的同相输入端。

当时，比较器输出高电平，即;当时，比较器输出低电平，。

因此，调整管VT的基极电压Ub成为高、低电平交替的脉冲波形，如图3所示。

图3图2的电路波形图

当Ub为高电平时，调整管饱和导电，因此其发射极电位为

式中U1为直流输入电压，Uces为三极管的饱和压降。

Ue的极性为上正下负，则二极管VD被反向偏置，不能导通，故此时二极管不起作用。

当Ub为低电平时，调整管截止，。

但电感具有维持电压不变的特性，此时，在电感上产生的反电势使电流通过负载和二极管继续流通，因此，二极管VD称为续流二极管。

此时调整管发射极的电位为

式中Ud为二极管的正向导通电压。

由图3可见，调整管处于开关工作状态，它的发射极电位Ue也是高、低电平交替的脉冲波形。

但是经过LC滤波电路以后，在负载上可以得到比较平滑的输出电压Uo。

在理想情况下，输出电压Uo是调整管发射极电压Ue的平均值。

根据图3中Ue的波形可求得

因为三极管饱和管压降Uces以及二极管的正向导通电压Ud的值均很小，与直流输入电压Ui相比通常可以忽略，则上式可近似表示为

上式中之D为脉冲波形Ue的占空比。

由上式可知，在一定的直流输入电压Ui之下，占空比D的值越大，则开关型稳压电路的输出电压Uo愈高。

假设由于电网电压或负载电流的变化使输出电压Uo升高，则经过采样电阻以后得到的采样电压Uf也随之升高，此电压与基准电压Uref比较以后再放大得到的电压Ua也将升高，Ua送到比较器的反相输入端，由图3所示的波形可见，当Ua升高时，将使开关调整管基极电压Ub的波形中高电平的时间缩短，而低电平的时间加长，于是调整在一个周期中饱和导电的时间减少，截止的时间增加，则其发射极电压Ue脉冲波形的占空比减小，从而使输出电压的平均值Uo减小，最终保持输出电压基本不变。

1.3电气特性

⑴输入特性规格

①额定输入电压范围

输入电压范围是指输入到输入端的电压值范围，各个器件有不同的输入范围如MC34063的输入范围为3～40V。

输入电压范围还受实际由实际情况决定。

②输入电流

开关电源输入电流的最大值发生于输入电压的下限和输出电压、电流的上限，因此，要标明该条件下的有效输入电流。

额定输入电流是指输入电压和输出电压电流在额定条件时的电流。

③冲击电流

冲击电流系指输入电压按规定时间间隔接通或断开时，输入电流达到稳定状态前所通过的瞬时最大电流（0-峰值），既（0-P）。

开关电源输入接通和输出电压上升时有两种情况，它受输入开关电源容量等的限制，一般是20A到30A峰值电流。

④效率

系指在给定的输入电压范围内，输出额定的输出功率除以输入有效功率所得的数值。

虽说因输出电压、电流和功率因数及开关方式而异，但一般在65%-90%左右，其变化也受输入和输出的可变条件影响，故也要注意设备的散热等情况，一般按输入电流确定。

（2）输出特性的规格

①额定输出电压

该额定输出电压系指出现于输出端子间的直流电压的标称值。

对这种标称值要确定精度和纹波等。

②额定输出电流

是一种可由输出端子供给负载的电流，取其最大平均值。

③稳压精度

也叫输出电压精度或电压可变率，是在出现改变输出电压的因素时，输出电压的变动量或变动量除以额定输出电压的值。

④输出电压可变范围

是指在保证稳压精度的条件下可从外部调节输出电压的范围，一般为±5%～10%左右。

条件是在输入的下限和输出的最大值及输入的上限和输出的最小值，但也有采用为实行边缘校验所规定的数值作条件的。

在多输出电源等情况下，要标明输出电压可按与控制稳定输出的输出大致相同的比率发生变化。

⑤输出电流变动范围

如按设备结构等确定负载电流，要尽可能详细地标出有关变化小的和电感负载等冲击电流大的脉冲负载等电流的变动范围指标。

既要说明输出电流波形，也要标明峰值和时间的关系。

平均输出电流小而峰值输出大的，有时会发生输出电流骤变时，使保护电路在设定条件下也想像不到的激励现象。

开关电源的复位时间因变换频率和电流变动幅度等而异，一般规定为0.2ms～0.5ms左右。

此外，作为输出条件，一定要标明所接负载电容器的容量。

⑥纹波噪声

纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关转换频率同步的成分，用峰-峰（peaktopeak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下（特殊规定除外）。

（3）附属功能

①过流保护

是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。

过流保护有多种保护特性。

一般恒流下降多为开关补偿特性。

过流给定值一般是额定电流的110%～130%，但如在电源和负载不受损坏的范围内，则多不加以特别规定，而只规定短路保护项，复位一般为自动复位型。

②过压保护

是一种对输出端子间过大电压进行负载保护的功能。

一般规定为输出电压的130%～150%。

输出电压的可变范围大时，要考虑加以规定，以不致发生上限以上的误动作等。

发生过压情况时，要停止开关的振荡或切断输出，复位的方法有：

采用通过输入再接通或通过复位信号等。

③输出欠压保护

当输出电压在标准值以下时，检测输出电压下降或为保护负载及防止误动作而停止电源工作并发出报警信号，多为输出电压的80%～30%左右。

保护时序的多输出电源的电路复杂，确定时要慎重考虑，避免产生误动作。

④过热保护

在电源内部发生异常或因使用方法不当而使电源温升超标时停止电源的工作并发出报警信号。

在冷却功能发生异常时，由风扇等进行强冷，使部件在最高使用温度以内工作。

1.4DC-DC的应用范围

由于DC-DC开关电源得高效率，所以经常使用在板载电源和汽车电子设备中，并广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域。

2.    方案选择

本章是基于设计式样要求：

输入：

14～26V4A以下

输出电压：

5V±5%

输出电流：

最大2.0A

波纹电压　：

300mVp-p以下

效率：

75%以上（输出为1.5A时）

展开的。

2.1DC-DC的方案

1.三端集成稳压器

三端稳压器有固定输出和可调输出两种不同的类型。

由于本设计要求输出电压为5V,所以可以使用LM7805,它的输入电压范围为7～20V，输出为5V±5%，最大输出电流1.5Ａ，效率为30%～50%。

三端稳压LM7805电路如图4。

图57805的电路图

由上图可以看出，采用三端稳压器的外围器件十分的少，电路简单而且十分稳定。

2.开关电源电路

基于以上的要求，这里以MC34063进行讨论，输入范围为3～40V，输出为,最大输出电流为1.5A，效率为最高可达到90%。

MC34063的电路图如图6，它还可以在不牺牲太大的情况下外接三极管进行电流的扩展，扩流也是本电路的重点，在下面的章节将进行重点讨论。

图6MC34063电路图

2.2线性电源和开关电源的比较

线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。

开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75％以上）而且省掉了大体积的变压器。

但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波（50mVat5Voutputtypical），在输出端并接稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。

相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小（5mV以下）。

对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方（例如电容漏电检测）多选用线性电源。

另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DC－DC来做对隔离部分供电（DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源）。

还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。

综上比较，由于线性电源的效率过低，不满足本设计的要求，虽然开关电源也存在纹波电压相对较大等问题，但可以通过LC滤波等方法来改善，本设计采用开关电源的方法，采用MC34063+MOSFT的方式来完成该设计。

3.MC34063和IRF9530的特性介绍

3.1MC34063的介绍

该器件本身包含了DC／DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。

它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。

该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。

主要应用于以微处理器（MPU）或单片机（MCU）为基础的系统里。

3.1.1MC34063集成电路的主要特性

输入电压范围：

2、5～40V

输出电压可调范围：

1．25～40V

输出电流可达：

1．5A

工作频率：

最高可达100kHz

低静态电流

短路电流限制

可实现升压或降压电源变换器

3.1.2MC34063的基本结构和引脚功能

图7MC34063的内部电路组成图

1脚：

开关管T1集电极引出端；

2脚：

开关管T1发射极引出端；

3脚：

定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；

4脚：

电源地；

5脚：

电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1％的精密电阻；

6脚：

电源端；

7脚：

负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；

8脚：

驱动管T2集电极引出端。

3.1.3MC34063的工作流程

振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。

充电和放电电流都是恒定的，振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。

与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平。

当C和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通;反之当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。

电流限制通过检测连接在VCC和5脚之间电阻上的压降来完成功能。

当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚（3脚）对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。

3.2IRF9530的介绍

它是P通道的功率MOSFET三极管。

这是P沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管。

他们是先进的功率MOSFET三极管，保证能够承受指定能量水平的故障模式的雪崩运作，他可以应用于如开关稳压器，开关转换器，电机驱动器，继电器驱动器，和开关电源。

它的高输入阻抗允许集成电路直接运用到电路中。

3.2.1IRF9530的主要特性

最大电流10A

最大防击穿电压100V

Rds（ON）=0.300Ω

单脉冲能量额定雪崩

SOA被功率限制

纳秒开关速度

线性传输特性

高输入阻抗

3.2.2电路图

图8IRF9530的内部结构图和转移特性图

由IRF9530的转移特性得到IRF950的。

本设计采用MC34063+IRF9530完成从输入14～26V变到5V/2A的设计，MC34063的主要作用是对输入的电压进行PWM控制，达到降压的作用，由于本设计的要求是让输出电流要达到2A，而MC34063能达到的最大电流为1.5A。

所以必须对MC34063的输出电流进行扩流。

最终达到设计式样的要求。

4各部分模块和参数的计算

4.1电路总体电路图

图9MC34063+IRF9530的原理电路图

上图是本设计最基本的组成电路，主要由MC34063和IRF9530组成，还辅以D1续流二极管，和LC滤波电路。

电压由端口J1输入，经过CAP1滤波后送到MC34063进行PWM的斩波控制，然后再经过IRF9530功率三极管进行扩流，然后经过LC平滑滤波，使输出趋于一个稳定的值，最后在将输出的电压经过R3、R4采样电路会送到MC34063，控制PWM的输出占空比，从而使输出的变化及时返回到MC34063，最终稳定输出电压。

4.2基本电路中各参数的计算

1.输入端的滤波电容

对输入电容来说，输入电容的容量要求大一点。

相对于容量的要求，对ESR的要求可以适量降低。

因为输入电容主要是耐压，其次是吸收MOSFET的开关脉冲。

所以因为输入电压最大为24V，所以取电容的耐压值为50V，由MC34063的资料上得知它所需的输入电容值为100Uf。

所以

2．确定占空比

由第一章知道开关电源中式子成立，式中的D就是PWM控制部的占空比。

占空比也等于Ton比上Toff的值。

式中，Vin为输入的最小电压，Uo为输出电压。

Vf为续流二极管的正向导通电压，此电压越小越好，本电路采用的是IN5822当输出的电流为3A是。

Vds是MOSFET的导通电压，由资料知道IRF9530的。

3.LC滤波电路的周期

LC电路的周期等于Ton（max）+Toff.

4.Ton和Toff的值

通过1、2的中D、和的值，可以通过计算得到Ton、Toff。

因为

注意占空比的最大比值不能超过6/7或者0.875。

这是由于时间电容的充放的周期是6:

1。

5.时间电容Ct

由4所讨论的Ton（max）的最大值是由Ct的值决定的。

因为没有293.6Pf的电容值，所以使用标称值为330Pf的陶瓷电容。

6.峰值电流Ipk：

由上知，IRF9530的。

所以MC34063的输出电流为0.5A就能向负载提供2A的电流。

7.电感L的值

电感的值由开关峰值电流和最大的开关开启时间决定。

8.电流限制电阻Rsc

A

9.输出滤波电容Co

最小的输出滤波电容是由输出的纹波电压所决定。

理想的情况下，这个值能够满足要求，但是一般的铝电解电容的典型这样的话将产生30mV的纹波电压。

最好选用鉭电解电容，一个27Uf的鉭电容的,这样的话它的纹波电压降大幅下降。

10.采样回路的电阻R3、R4

因为采样电路要对输出的电流分流，当它的分流电流值低于100uA,才不会不会影响系统的性能。

以上就是基本电路的参数计算，只要精确计算就能更接近理想值，光凭以上的基本电路是很难达到很高性能，还需要一些辅助电路来使电路更加的稳定和安全。

4.3扩流电路的选择

图10扩流电路

由图可知MOSFET管的作用为一个开关的作用，在MC34063的控制下导通或截止，R1、R2是为VR1提供导通和截止的电压。

因为题目要求输出的电流要达到2A，所以MOSFET的源极和栅极的电压差Vgs=-5V。

假设输入为14V时，则,由上图知道Vs=14V，

假设R2=220rom

rom

所以R1=400rom，R2=220rom。

5电路的调试以及结果

测试点一

测试点三

测试点五

测试点四

5.1测试点的分布图

测试点二

参考点

图11电路的测试点示意图

以上就是进行设计验证所取的测试点，测得的值都是以地作为的参考点，一共去了四个点，测试点一是输入出的电压；测试点二是MOSFET的的栅极；测试点三是MOSFET的源极；测试点四是MOSFET的漏极；测试点五是最后的输出电压。

5.2测试环境

图12测试环境

该设计用到的测试主要有线性电源、电子负载机、示波器等。

电源为该模块提供输入所需的功率；而电子负载机就充当负载的作用，消耗由电源所提供的能量。

从而来确定该电路的效率。

5.3测试结果分析

1.      Ｇ极与Ｓ极的

Ｇ极

Ｓ极

图13MOSFET管的栅极和源极的电压比较

　　由上图可以看到，MOSFET的栅极和源极的电压差为，当栅极为最大值时，他的的电压的差值为零；当他为最小值时，他的电压差为7V，由MOSFET的转移特性可以得知，输出的电流可以高达10A左右，所以可以完全满足输出2A电流的要求。

2.      G极与D极

D极

G极

图14MOSFET管的栅极和漏极的电压比较

由上图的可以看到，MOSFET工作在断续的开关模式。

当MOSFET管截止时，输出的电压为0V；当MOSFET管为导通时，输出的电压为14V。

而且输出的占空比随时发生这变化。

所以经过LC滤波后能够得到稳定的5V输出电压。

3.      输入电压与输出电压

输出

输入

输出

输入

图15输入电压与输出电压的比较

由上面两幅图对比可以发现，第一幅是在交流耦合的状态下测得的波形，可以看到他的输出相当的稳定。

第二幅图是在直流耦合的条件下得到的，输入和输出都出现了尖峰脉冲电压输出的尖峰电压的峰峰值达到了660mA，可见这是不能够被接受的，但他的纹波电压时很小的有图可以看到。

达到了设计的要求。

4.      输出电流大小

图16输出电流大小

由上图可以看到，当负载为3.29rom时，输出电流达到了1.501A。

当负载为2.44rom时，负载的电流为2.013A。

由上分析，结果达到了要求。

由于输入为14/0.70A时，输出为7.5W所以可以算得效率为

由此测量结果达到了设计式样书的所有要求。

6提高效率和减小纹波的方法

从以上的测试结果可以看出，该电路的效率并没有达到75%,而且它的输出电压的纹波较大，所以光靠以上的基本电路很难达到实际应用的要求所以还有采取一定的方法，来减小输出电压的纹波。

6.1提高效率的方法

要想提高它的效率，首先来分析功率是由哪些部分损失的，然后再根据这些方面的损失来减小由这些部分产生的功率损耗，从而来提高输出的效率。

开关电源的损耗主要来自开关三极管、续流二极管的损失。

下面就针对这两种损耗进行分析。

1.开关三极管的损失

A．ON时的损耗

图17三极管ON状态

当双极性三极管在导通的时候会有一个导通压降,由上图的电气特性得，当最大且

可见这样的损耗是相当可观的，当输出为5V/2A,输入就要向输出提供11W的功率。

我们可以将双极性的三极管换成MOSFET的管子的的导通电压几乎为零，所以可以大大减小功率的损失。

但是（ON电阻）会出现损失，下面以IRF9530为例

图18RF9530的Ron特性

由上特性可以看出MOSFET管的最大导通电阻为，当输出电流最大为

从以上的分析可以看出，开关改用MOSFET管时开关管的的损耗有了降低，从而在开关电源的扩流应用中，经常采用MOSFT来代替双极性的JET管。

而且它还有栅极输入电阻高，击穿电压高等优点。

B．开关时的损失

图19波形的延时

由于开关的开启与关断都需要时间，所以它的波形特性是一个斜上升的，而不垂直的上升，所以在这个开与关重叠的部分也会产生功率损失。

在红色部分如Vce和Ic不是0、发生损失、散热。

所以我们要尽可能的提高开关管的开启和关断速度。

2.续流二级管的损失

A．由于顺向导通的Vf产生的损失

图20续流二极管正向导通特性

从上图可以看到当开关管处于截止的时候，续流二极管将正向导通，由于二极管有正向的导通压降，所以会产生功率的损失，当输出达到Io=1.5A时，Vf=0.5V左右，这里就去0.5V来做近似计算。

所以可得

可以看出，续流二极管的正向导通的功耗也是相当大的，跟开关三极管的闭合时的功耗相当，功耗的损失主要就是由他们两个引起的。

所以我们在选择开关管和续流二级管时要尽量选择正向导通电压低的管，这样的就能有助于提高效率。

B．逆方向的电流损失

图21续流二极管方向的特性

由于续流二极管产生了电流，所以它也会消耗输入的功率，且二极管的逆向电流的大小会随着二极管的接温度的升高而增大，由上表可以看到，当时，。

当时，。

现在以第一种情况讨论，当输入为。

得

可以看到，相对于导通电压所产生的功耗来说相当少，但是我们还是不能去忽略它。

因为它会随温度变化而变化，对我们了解它稳定时的工作状态来说还是有必要了解的。

C.由于逆回复的时间损失

图22二极管ON/OFF切换时的特性

由于续流二极管的ON/OFF的切换需要一点时间，会产生逆向的电流流动，如图所示，如从If回到零时，它会先下降到Ir，而不是直接到零，然后再从Ir慢慢的回到零，这样一来又会导致损失。

损失的多少由它的回复时间决定。

6.2减小输出纹波的方法

上面的开关电源与线性电源的比较发现，虽然开关电源有很多优点，但是它的输出纹波电压比较大，往往不能满足精密仪器的要求，所以在这里有必要有针对性的将它的输出纹波电压减小，能满足要求。

通过讨论、验证在不影响效率减小纹波电压是可行的，下面就来具体讨论一下。

1． LC电路的电容的选择

由讨论我们知道开关三极管输出的波形是一个PWM波，输出电压就必须对PWM波进行平滑化处理。

即LC电路，电压的平滑处理是由电压对电容的充放电的过程来对输出电压达