电力电子课程设计报告基于BUCK的风扇电源设计与实现.docx
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电力电子课程设计报告基于BUCK的风扇电源设计与实现
指导教师评定成绩：
审定成绩：
自动化学院
电力电子课程设计报告
基于BUCK的风扇电源设计与实现
单位（二级学院）：
自动化学院
学生姓名：
专业：
电气工程与自动化
班级：
学号：
指导教师：
基于BUCK的风扇电源设计与实现
[摘要]随着微电子技术的快速发展，电力电子技术也发展十分迅速。
尤其是在信息电子应用方面，基本上所有的电器电源都是利用电力电子技术来开发设计的，特别是在手持设备方面。
本课程设计采用降压斩波电路，用集成芯片产生PWM和相关控制器件设计并实现电源稳定供电给风扇的功能开关电源。
经过方案对比发现UC3845的单路PWM输出等容易实现，电路设计上能够直接驱动MOSFET。
关键字微电子技术BUCK电路降压斩波UC3845
BasedontheBUCK'sfanpowerdesignandimplementation
Summary
Withtherapiddevelopmentofmicroelectronicstechnology,SCMtechnologyiseverywhere.Andcontrol-relatedareas,manycontrolsystemsaremicrocontrollerasthecoretechnologytodevelopthedesign.BUCKcircuitSG3525chiptoprovideastableDCpowersupplytothefan.AftertheprogramcomparedUC3845singlePWMoutputcostthantheSG3525morecost-effective,abletodirectlydrivetheMOSFETandcircuitdesign.
KeywordMicroelectronicsTechnologyBUCKcircuitUC3845
目录
一、设计目的及解决方案3
二、设计过程4
2.1直流稳压电源设计4
2.1.1电源设计原理4
2.1.2稳压源的设计方法5
2.1.3稳压电源的安装与调试6
2.2降压斩波主电路设计7
2.2.1BUCK电路工作原理7
2.2.2主电路参数讨论9
2.3控制电路原理与设计10
2.3.1控制电路方案选择10
2.3.2控制电路原理图及工作原理11
2.4驱动电路原理与设计（由于本方案功率不大，未采用独立的驱动电路，以下设计仅供设计选用）11
2.4.1驱动电路方案选择12
2.4.2驱动电路分析与设计12
2.5PWM控制原理与波形13
2.6保护电路的原理与设计15
2.6.1过电压保护15
2.6.2过电流保护15
三、设计过程问题分析及解决方案16
四、结论17
五、心得体会17
六、小组分工表17
附件：
自动化学院2012年电力电子技术课程设计（论文）征题表18
参考文献19
一、设计目的及解决方案
任务的要求是稳压电源部分提供27V直流电给BUCK电路，此部分内容由以前所学模拟电路知识可以解决。
然后对降压斩波主电路进行设计，所涉及电力电子原理知识的直流斩波部分，可以参见《电力电子技术》课本第三章，所选择的全控型器件为MOSFET。
任务还需要通过PWM方式来控制MOSFET的通断，查阅相关资料，需要使用高性能固定模式电流控制器UC3845来产生PWM控制信号。
电路需要使输出电压恒定为12V，采用电压闭环，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM信号，达到负反馈稳定控制的目的。
得到电路的原理框图如下：
~220VUi27VUo12V
图1总电路原理框图
二、设计过程
2.1直流稳压电源设计
2.1.1电源设计原理
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如下所示：
+++
~U1~U2U3UIUO
---
图2直流稳压电源原理框图
图3直流稳压波形图
电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。
电源变压器的效率为：
，其中：
是变压器副边的功率，
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示：
表1小型变压器效率
因此，当算出了副边功率
后，就可以根据上表算出原边功率
。
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压U2变换成脉动的直流电压U3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U1。
U1与交流电压U2的有效值的关系为：
U1=（1.1~1.2）U2；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
；流过每只二极管的平均电流为：
其中：
R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
其中：
T=20ms是50Hz交流电压的周期。
由于输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。
本次设计按照任务要求，选定稳压器为可调式。
可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317，系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。
在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。
稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2-37V，最大输出电流Iomax=1.5A，输入电压与输出电压差的允许范围为：
UI-Uo=3~40V。
2.1.2稳压源的设计方法
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式，步骤如下：
根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；
根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；
根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。
然后根据所确定的参数，选择电源变压器。
确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。
依据上述设计步骤，对本次课设的直流电源进行设计，输出电压为27V。
集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：
Uo=1.2-37V，最大输出电流Iomax为1.5A。
由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值（U1-UO）MIN=3V，输入电压与输出电压差的最大值（U1-UO）MAX=40V。
故CW317的输入电压范围为：
即
变压器副边电流：
，
因此，变压器副边输出功率：
由于变压器的效率
=0.8，所以变压器原边输入功率为：
为了留有余地，选用功率为50W的变压器。
接着选用整流二极管和滤波电容，由于：
IN4001的反向击穿电压
，额定工作电流
，故整流二极管选用IN4001。
由于电路对纹波由要求，输出纹波电压：
≤100mv，选定稳压系数
，根据
以及公式，
可以求得：
所以，滤波电容：
电容的耐压要大于
=42.4V，故滤波电容C取容量为470uF，耐压为50V的电解电容。
2.1.3稳压电源的安装与调试
通过上述稳压电源的设计，得到了所需直流稳压电源电路图如下所示：
在图中取C3=C8=0.01uF，C5=C11=10uF，C10=C4=1uF，二极管用IN4001，在电路图中，R1和Rw组成输出电压调节电路，输出电路
，R3/R6取120—240
，流过R3/R6的电流为5—10mA。
取R3/R6为240
，则由
可以求得，
=
，
，故取RW为10k
的精密线绕电位器即可实现电压输出为20-30V的直流电。
通过Saber软件仿真输出电压波形，发现输出电压20~30V，满足设计要求。
图4直流稳压电源电路图
2.2降压斩波主电路设计
2.2.1BUCK电路工作原理
图5BUCK电路图
降压斩波电路（BuckChopper）的原理图如上所示。
该电路使用一个全控器件MOSFET-N，图中为MOSFET，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需要设置使晶闸管关断的辅助电路。
在图5中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管D2。
斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Moter所示。
若负载中无反电动势时，只需令电机两端电压为0。
电路的工作波形如下所示：
图6电流连续时波形图
由图6中的V的栅射电压UGE波形可知，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压UO=E，负载电流io按指数曲线上升。
当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压UO近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值很大的电感。
至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。
当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。
负载电压的平均值为；式中，
为V处于通态的时间；
为V处于断态的时间；T为开关周期；
为导通占空比。
由此式知，输出到负载的电压平均值UO最大为E，若减小占空比
，则UO随之减小。
因此将该电路称为降压斩波电路。
负载电流的平均值为，若负载中的L值较小，则在V关断后，到了
时刻，如图7所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。
由波形可见，负载电压
平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：
①保持开关周期T不变，调节开关导通时间
，称为脉冲宽度调制（PWM方式）。
②保持开关导通时间
不变，改变开关周期T，称为频率调制。
③
和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
本次设计的电路采用第种PWM方式控制MOSFET的通断。
图7电流断续时波形
以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。
由于L为无穷大，故负载电流维持为IO不变。
电源只在V处于通态时提供能量，为
。
从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为
。
一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：
则：
与上述结论一致。
在上述情况中，均假设L值为无穷大，且负载电流平直。
在这种情况下，假设电源电流平均值为
，则有：
其值小于等于负载电流
，由上式得
即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。
2.2.2主电路参数讨论
主电路中需要确定参数的元器件有MOSFET、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定过程如下。
1）对于电源，因为题目要求输入电压为27V。
其直流稳压电源模块的设计已在前面完成。
所以该直流稳压电源作为系统电源。
2）对于电阻，因为当输出电压为15V时，输出电流为0.1-1A。
所以由欧姆定律可得负载
电阻值为：
可得到电路电阻应该在
。
3）对于MOSFET的选择，由图6易知当MOSFET截止时，回路通过二极管续流，此时MOSFET两端承受最大正压为30V；而当
=1时，MOSFET有最大电流，其值为1A。
故需选择集电极最大连续电流Ic>1A，反向击穿电压Bvceo>30V的MOSFET。
而一般的MOSFET基本上都可以满足这个要求。
4）对于二极管的选择，当
=1时，其承受最大反压30V；而当
趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。
5）主电路的设计除了要选择MOSFET和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值L很大。
2.3控制电路原理与设计
2.3.1控制电路方案选择
MOSFET控制电路的功能有：
给逆变器的电子开关提供控制信号；对电流反馈信号进行放大处理，并根据反馈、给定信号调节电子开关控制信号的脉宽；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。
脉宽调节器的的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。
因为题目要求输出电压、电流连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我选用了UC3845芯片，其引脚图如图8所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
图8UC3845引脚图
2.3.2控制电路原理图及工作原理
由于3845的振荡频率由定时元件Rt和Ct选取值决定。
电容Ct由5V的参考电压通过电阻Rt充电，充电约2.8V，再由一个内部的电流宿放电至1.2V。
在Ct放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”们的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生一个数量可控的输出静区时间。
UCX844/5有一个内部触发器，它通过保持“或非”们的一个输入为高电平，每隔一个时钟周期关闭一次输出。
这与Ct的放电周期相结合，使输出静区时间可以从50%调节到70%。
注意尽管许多Rt和Ct都可一个得出相同的振荡器频率，但是有一种组合可以得到在一个给定的频率下的特定输出静区时间。
在很多噪声敏感应用中，可能希望将变换器频率锁定至外部系统时钟上，这可通过将时钟信号加到图17所示的电路来完成。
为了可靠的锁定，振荡器自振频率应设为比时钟频率低10%左右。
图18所示为多单元同步的一种方案。
通过休整时钟波形，可以实现准确占空比输出箝位，使输出静区时间大于70%。
控制电路部分电路图如下：
图9控制电路部分电路图
2.4驱动电路原理与设计（由于本方案功率不大，未采用独立的驱动电路，以下设计仅供设计选用）
2.4.1驱动电路方案选择
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。
该部分主要需完成以下几个功能：
（1）提供适当的正向和反向输出电压，使MOSFET可靠的开通和关断；
（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；（4）足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；（5）具有灵敏的过流保护能力。
针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。
针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。
方案1：
采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。
其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测MOSFET的电压和电流的状态，对外送出过流信号。
另外它使用比较方便，稳定性比较好。
但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。
方案2：
采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。
但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。
2.4.2驱动电路分析与设计
针对以上分析，可选取了日本FUJI公司的EXB841驱动芯片。
它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。
下面简单介绍一下它的工作原理。
如图10所示，其工作电源为独立电源20±1V，内部含有-5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。
当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使MOSFET导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使MOSFET关断；若ICBT导通时，若承受短路电流，则其电压Vce随电流的增大迅速上升，脚6悬空，脚3电位开始下降，从而逐渐关断MOSFET。
图10EXB841内部结构图
利用EXB841驱动芯片可画出其驱动电路原理图如下图11所示。
图11驱动电路原理图
如图12所示，两个47uf电容用于吸收高频噪音，在脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管VD1检测MOSFET的CE间的电压。
当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚3输出电平降为O。
因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图10与图11联系起来即可得到电路的控制驱动部分。
2.5PWM控制原理与波形
本次课程设计采用的是PWM方式控制全控型器件MOSFET的通断，主要使用的是脉宽调制器UC3845产生PWM波形，在电路设计时，由于输出电压Ui是27V的直流电压，而输出是12V的恒定电压，电路需采用电压闭环的方式设计；于是小组讨论使用负反馈的思想，通过电路输出电压的大小，反馈给脉宽调制器UC3845，脉宽调制器UC3845通过反馈来的电压值来产生PWM波形，而反馈电压值的大小决定了PWM波形的脉宽，从而实现MOSFET的通断。
PWM原理波形如图13所示，此图由SABER原件仿真而得。
在电路设计中，脉宽调制器UC3845的正向输入端1接入载波信号，为三角波；在其反向输入端2接入主电路输出电压，即为信号波。
UC3845通过这2个端口的电压值比较产生PWM控制信号，可以设定好三角波的幅值以及斜率，例如当主电路输入电压为30V时，此时的占空比应该为0.5；当输入电压为20V时，此时的占空比应该为0.75。
而输出电压恒定为15V，当输出电压高于这个值时，产生的PWM信号脉宽会减小，从而占空比减小，输出电压降低；当输出电压低于这个值时，产生的PWM信号脉宽会增加，从而占空比加大，输出电压增加，最终维持在12V恒定的水平，达到了设计的要求。
图12（a）PWM控制信号波形
图12（b）最终输出12v直流电波形
图12（c）控制及反馈回路电路
2.6保护电路的原理与设计
2.6.1过电压保护
对于MOSFET开关速度较高，MOSFET关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了Ldi/dt电压.关断浪涌电压关断浪涌电压，因MOSFET关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压，抑制方法的方法主要有：
1）在MOSFET中装有保护电路（缓冲电路）可吸浪涌电压。
缓冲电路的电容，采用薄膜电容，并靠近MOSFET配置，可使高频浪涌电压旁路。
调整MOSFET的驱动电路的VCE或RC，使di/dt最小
尽量将电件电容靠近MOSFET安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳
2）与Rc缓冲电路不同。
因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大，因而避开了开通时MOSFET功能受到限制的问题。
3）缓冲电路中的损耗（主要由缓冲电阻产生）很大，因而不适用于高频开关用途。
4）为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳，在此基础上选择缓冲电路，由于缓冲电路的种类繁多，在这里选用RCD缓冲电路，作为对MOSFET的保护。
2.6.2过电流保护
一旦发生短路，MOSFET的集电极增加到既定的直，则C—E间的电压急剧增加。
根据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到一定数值以下，但是在MOSFET上还有外加的高电压，大电流的大负载，必须在尽量短的时间内解除。
从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的原因主要有：
晶体管或二极管的破坏、控制电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作。
图13光藕隔离反馈系统
3、设计过程问题分析及解决方案
问题1：
在驱动mosfet时候，遇到无法将pwm控制信号加在mosfet的栅源之间
解决办法：
提出了一个悬浮地概念，将27V与15V的电路隔离。
问题2：
最开始无法得到需要的输出波形。
解决办法：
控制信号是以mosfet的栅极与源极作为参考，直接加在GS两端，最后得到波形。
问题3：
仿真时候不能通过，软件提示直流点无法初始化。
解决办法：
在进行瞬态分析之前先进性直流分析。
问题4：
无法调整最终输出功率。
解决办法：
在UC3845的第三脚从mosfet的源极输出进行电流取样，从而控制PWM信号的占空比。
问题5：
BAKER电路的信号不平整。
解决办法：
重新调整电路的电感和电容的参数。
问题6：
输出电压随着负载的变化而发生较大波动。
解决办法：
在电路上增加一个TL431稳压电路，将BAKER的输出作为TL431的输入，再引入一个光耦，反馈到UC3845的第一脚，作为补偿信号。
调节电路参数，当负载正常时时，光耦的三极管没有导通，不至于影响控制信号的输出；当负载变化时，导致三极管导通，使补偿的电压信号接近于0，关断PWM的输出，从而动态的调节了电压的稳定。
四、结论
通过对直流稳压电源部分，BUCK主电路，控制电路以及驱动电路的设计，得到了设计的总体电路。
在总电路图中，直流稳压电源部分输出27V的直流电供给BUCK电路，在BUCK主电路里，负载输出恒定为12V，全控型器件选用MOSFET；电路采用的是PWM控制方式，控制脉冲由集成脉宽调制器UC3845产生，BUCK电路输出电压反馈给控制电路，起到控制占空比的目的；控制信号需要经过驱动电路才能起到控制MOSFET的目的，驱动电路是由驱动芯片EXB841构成；电路中还包括了MOSFET的缓冲保护电路，对电路的过电流与过电压起到了很好的抑制作用。
五、心得体会
在此次电力电子课程设计过程中，我们遇到的问题还是很多的。
一开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我们去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。
然后我们小组合理分工，我负责论文的构思和撰写工作。
就我负责的工作而言，平时在书上介绍的只是一些原理，具体要怎么设计一个完整的架构就需要我们对现有和过去学的知识有一个大概的了解。
通过课程设计的学习工作，使我接触了很多新的知识，也让我对这门课有了更深的了解，培养了我们求真务实的态度。
同时发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。
附件：
自动化学院2012年电力电子技术课程设计（论文）征题表
题目
基于BUCK的风扇电源设计与实现
题目来源（教学/科研/自拟）
硬件/软件/综合
适合专业
允许人数
教学
综合
自动化及相关专业
1
毕业设计题目介绍，包括设计目标、主要内容、设计思路和方法
随着微电子技术的快速发展，单片机技术无处不在。
尤其是与控制相关的领域，许多控制系统都是以单片机为核心技
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