BUCK变换器设计.doc

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BUCK变换器设计

1设计目的及解决方案

1.1问题的提出

此次设计的目的是针对给定的特定题目要求，设计一个BUCK变换器DC/DC变换器，使其实现输入电压为DC28V±10%时，输出电压为DC12V，输出电流为2A，电压纹波为1%。

1.2设计方案

此次设计主要是针对BUCK变换器的主电路进行设计，所选择的全控型器件为P-MOSFET。

查阅相关资料，可以使用以脉宽调制器SG3525芯片为主的控制电路来产生PWM控制信号，从而来控制P-MOSFET的通断。

然后通过设计以IR2110为主芯片的驱动电路对P-MOSFET进行驱动，电路需要使用两个输出电压恒定为15V的电源来驱动两个芯片工作。

图1.1总电路原理框图

同时采用电压闭环，将输出电压进行分压处理后将其反馈给控制端，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1.1所示。

2.电路基本结构及降压原理

2.1电路基本结构

下图1.2所示为BUCK型DC/DC变换器的基本结构，此电路主要由虚线框内的全控性开关管T和续流二极管D以及输出滤波电路LC构成。

对开关管T进行周期性的通、断控制，便能将直流电源的输入电压Vs变换成为电压Vo输出给负载。

图2.1Buck变换器的电路结构

2.2电路降压原理

在一个开关周期Ts期间对开关管T施加如图1.1（b）所示的驱动信号VG，在Ton期间，VG>0，开关管T处于通态，若忽略其饱和压降，输出电压Uo等于输入电压；在Toff期间，VG=0，开关管T处于断态，若忽略开关管的漏电流，输出电压为0。

开关管T导通时间与周期Ts的比值称为占空比D，即D=Ton/Ts。

因此Vo=DVs，所以可以通过调节占空比D的大小，便可调节输出直流电压的大小，从而也就达到了降压的目的。

3BUCK变换器参数设计

3.1Buck变换器性能指标

输入电压：

Vin=DC28V±10%；l

输出性能：

Vout=DC12V、Io=2A；

Iout=0.1A时，电感电流临界连续。

l

电压纹波：

1%。

3.2Buck变换器主电路设计

3.2.1占空比D计算

根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：

因此可以得出占空比的取值范围为0.39~0.48。

3.2.2工作频率选择

此次设计中考虑到购买器材、设计方便等多方面因素，选取的频率为fs=100kHz。

3.2.3滤波电感L计算

变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。

如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。

要使电流连续必须最小负载电流大于临界负载电流；即应满足，应按最小占空比D=0.39来确定实际运行中的临界负载电流，即要求

根据计算，故选取200μH的电感，这样便可以保证电路工作在连续导电模式。

3.2.4滤波电容C的设计

在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。

该Buck变换器的输出电压纹波要求为

便可以得出LC滤波器的谐振频率为

便可以得出

在实际购买器件中，考虑到生产指标的限制，选取了4.7μF的电容。

3.2.5开关管MOSFET的选择

由于电感电流脉动的最大峰峰值为

所以有，取1.5倍的电流负载系数，故iL=3.27A。

由于开关管所承受的最大正向电压为30.8V，取2倍的安全系数，即电压为61.6V。

故可选取5A/100V的P-MOSFET开关管。

在实际购买中，选取的开关管为14A/500V的IRFP450。

3.2.6二极管的选取

由于此次设计所选取的频率较高，因此选取快恢复二极管，根据开关管所承受的电压和电流，选取的二极管的型号为IN5817。

4控制电路设计

4.1振荡频率的计算

在此次设计中运用的控制芯片是SG3525，在此节中的频率计算也就是计算控制芯片SG3525输出PWM波的频率，也就是整个电路工作的开关频率，此参数受SG3525的外围电路中的C10、R11、R12控制，SG3525的振荡频率的计算公式为，PWM波的频率为f/2，由于设计所选取的频率为fs=100kHz，故振荡频率为200kHz，根据计算公式选取C65=2nF、R54=10Ω、R53=3.3KΩ。

4.2主驱动芯片的外围电路

此次设计中选取的采样电压由主电路输出电压进行分压所得，主电路的输出电压为12V，而控制芯片所需的采样为2.5V，因此选用10K和2K的电阻进行分压。

该电路采用闭环控制方式，1脚和9脚接入R53和C68，形成比例积分调节控制器，选取的参考值为R53=10K，C68=104。

2脚为同相输入端，接参考电压，此此参考电压取自16脚的分压，通过R53可以确定其取值。

其外围电路如图4.2所示。

5驱动电路设计

5.1主芯片介绍

考虑到IR2110它兼有光耦隔离和电磁隔离，且电路芯片体积小，集成度高，响应快，驱动能力强，内设欠压封锁，而且其成本低，易于调试，并设有外部保护封锁端口等的优点，在此次设计中采用IR2110作为主驱动芯片。

IR2110内部功能由三部分组成：

逻辑输入；电平平移及输出保护。

如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。

尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。

其内部电路图如图5.1所示。

图5.1IR2110内部电路

5.2主芯片外围电路设计

虽然IR2110的主要优点是一组电源即可实现对上下端的控制，但遗憾的是在此次BUCK变换电路的设计中只用到了一个开关管，故没有充分体现出IR2110的优点。

考虑到设计方便，选取12脚作为输入端，1脚作为输出端，将2脚接到P-MOSFET开关管的S极，这样便可以使IR2110正常驱动开关管了。

其具体的外围电路如图5.2所示。

6主电路原理图及实接图

6.1主电路图

见附录1。

6.2实物连接图

7设计结果及波形

8设计心得