基于BUCK变换器的电源设计.docx
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基于BUCK变换器的电源设计
电子科技大学学院
新型电源设计实践报告
设计名称基于BUCK变换器的开关电源设计
学院机电学院
班级14级电气A班
学号21连红
指导教师余翼
机电工程学院
2017年12月27日
一、设计要求与容
开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命,它安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中,同时作为赋能装置应用于各个领域。
比如在电力系统中的应用、在通信领域中的应用、在蓄电池充电中的应用、在风能\太阳能发电中的应用。
这次我们要求设计一个9-12V的情况下,通过一个开关电源得到一个稳定的5V/1A的直流输出。
我们要求这个开关电源有整流的功能,同时通过反馈控制,有稳压,调压,降压的功能。
从而得到稳定的一个直流输出。
二、人员分工与时间安排表
设计题目
基于BUCK变换器的开关电源设计
队长:
队员:
人员分工与时间进度表
项目时间段
1
2
3
负责人
任务
√
选题
√
方案设计
√
软件设计
流程图
√
原理图
√
仿真
√
电路图
√
硬件设计
元件采购
√
元件检测
√
焊接装配
√
调试
√
产品测试
√
报告撰写
√
答辩
√
三总体方案设计与论证
3.1设计思路和流程
1.经过题目选定,确定使用基于BUCK变换器的电源设计。
2.在方案选择过程中,因为考虑到是非隔离电源,使用集成PWM调制芯片简化电路设计。
3.在分析了UC3842,SG3525等芯片的功能与参数后,选择MC34063作为控制方案,该芯片本身也有较强的驱动能力,可直接外接滤波电路与反馈电路来进行电源设计。
4.通过外接场效应管的方式极大增强了驱动能力,该场效应管最大电流可到达17A以上,设计中仅利用不到1A,如果更换滤波电路中的元器件,输出功率可以得到数倍的提升。
如果将采样电阻改为电位器,还可以灵活调节输出电压。
3.2开关电源总电路框图
图3-1开关电源总电路框图
四、开关电源原理图各部分说明及计算
4.1总原理图的介绍
开关电源是指调整管工作在开关方式,只有导通和截止两个状态,上图为工作过程。
基准电压为固定值,由于输入波动或负载变化导致输出电压减小,采样电压将减小,经过比较放大后,脉冲调制电路根据这个误差,提高占空比使输出电压增大。
同理,当由于输入波动或负载变化导致输入电压增大时,脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小,以此来控制输出电压的稳定。
4.2各部分的说明与计算
1.输出电路采用LC电路
图4-1LC电路图
当开关管饱和导通时,电能储存在电感中,同时也流向负载。
当开关管截止时,由于电感上的电流不能突变,储存于电感中的能量继续供给负载,此时续流二极管导通,构成闭合回路。
电容起到平滑输出的作用。
假设要求纹波电压小于50mV。
直流输出电流为规定电流的10%。
2.BUCK变换器的基本工作方式
Buck调整器的基本电路如下图所示,晶体管Q1与直流输入电压
串联,通过Q1的开通与关断,在V1处产生方波电压,采用恒频占空比可调的方式(PWM),在V1出产生方波电压,Q1导通时间为
。
Q1导通时V1点电压为
,电流通过串接的电感L0流入输出端,Q1关断时,电感L0产生反电动势,使V1点电压迅速下降到0并变负,直至被D1钳位于-0.8V。
假设二极管导通压降为0,则V1点电压为矩形波,该方波电压平均值为
。
LC滤波器接于V1与Vo之间,它使输出点Vo成为幅值等于
的直流电压。
采样电阻R1和R2检测输出电压Vo,并将其输入误差放大器,与参考电压
比较,被放大的误差
被输入到脉宽调制器中,因此,PWM输出的脉冲宽度与误差放大器的输出电压成比例,
。
图4-2buck变换器工作原理
3.芯片MC34063
MC34063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。
工作电压比较宽。
图4-2MC34063芯片
1脚:
开关管Q1集电极引出端;2脚:
开关管Q1发射极引出端;3脚:
定时电容接线端;调节Ct可使工作频率在100—100kHz围变化;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;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,芯片将启动部过流保护功能;8脚:
驱动管Q2集电极引出端。
4.外围电路参数设计
定时电容的选取根据公式:
C≈0.000004×Ton,要求40KHz工作频率时,C=100pF。
功率MOSFET栅极驱动电阻选择10Ω。
以尽量减小方波边沿时间。
过流保护采样电阻:
假设输入电流超过1A时,启动过流保护功能。
采样电阻设在6、7脚之间,R=U/Imax=0.3Ω,电阻最大热功耗
=0.3W。
此处选择0.5W,0.3Ω大功率电阻。
输出采样电阻设计:
要求5V输出,且损耗尽可能小,芯片部集成1.25V基准电压,输出采用电阻分压方案。
分压比为3:
1。
采用精密电阻10K与30K串联,静态电流0.125mA。
5.mosfet的选择
根据要求
。
在本次设计中选择IRF530N,
。
6.储能电感的选择
电感电流的斜坡为
如图2-2(d)所示,当直流电流等于电感电流斜坡峰峰值一半时,进入不连续工作模式,则
而且
式中
接近
,所以
已知输入电压最大为12V,开关频率为40KHz,输出电压为5V,电流为1A。
此处选用470uH,2A的功率电感。
7.滤波电容的选择
输出电容C并非理想电容,可等效于串联电阻(ESR)、串联电感(ESL)与纯电容C的串联。
对于低频电路,ESL可以忽略。
输出纹波主要由ESR来决定。
一般常用铝电解电容的RC值近似为一个常数,为
。
利用典型ESR-容值关系,根据公式得:
选择16V,1000uF的普通铝电解电容。
8.续流二极管的选择
根据Buck变换器的工作原理,开关截止时,续流二极管导通,电感储能转化为电能,二极管起到续流作用,二极管正向额定电流需大于负载电流,耐压值大于输入电压,同时为了使截止到导通时间尽量短,选择超快恢复二极管,根据本设计的要求,选择正向电流不小于1A的超快恢复二极管。
此处选择HER101,最短恢复时间为50ns。
元件清单
名称
生产厂商
价格
MC34063
AIC
0.50
IRF530N
IR
2.00
HER101
HY
0.1
0.3Ω功率电阻
-
0.02
10Ω电阻
-
0.01
30K精密电阻
-
0.30
10K精密电阻
-
0.30
100pF电容
-
0.01
1000uF电容
RUBYCON
0.5
470uH电感
-
1.00
印刷电路板
-
1.00
合计
5.74
表1-1元件清单
五电路仿真
5.1使用的仿真软件
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为风标电子技术)。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是英国著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
5.2仿真设计过程
图5-1proteus仿真图
根据设计电路,及元件的特性,将元件一一连接,初步测试。
测试后,根据情况进行调整,最后将电流表,电压表,接入电路中,完成调整测试。
5.3仿真结果
输入DC
空载输出电压
满负载输出电压
9V
4.41V
4.37V
10V
6.28V
6.22V
11V
7.28V
7.18V
表5-1仿真结果
连接完成过后,将电压表、电流表接入电路中,分别测试9V,10V,11V时的空载输出电压和满载输出电压,其结果如表
五、安装与调试
输入DC
空载输出电压
满负载输出电压
9V
4.40V
4.38V
10V
6.18V
6.11V
11V
7.25V
7.17V
表5-2测试结果
以及计算输入为第二个点的数值时,输入功率P=?
,开关电源的效率η=?
P=37.75Wη=61.7%
六设计实践的体会和总结
通过本次课程设计,对模拟电子技术,电力电子技术和电子产品工艺等有了更深刻的认识。
(1)解决了很多实际性的问题。
熟悉了一些电源芯片的结构与应用,并与Buck拓扑相结合,设计出符合要求的电路。
(2)在大量浏览课本、课外书籍与互联网资料的过程中逐步积累知识,为今后的设计提供了宝贵的经验。
课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
通过两个星期的课程设计,我对电子工艺的理论有了更深的了解。
其中包括稳压电源的工作原理、焊接普通元与电路元件的技巧等等。
这些知识不仅在课堂上有效,在日常生活中更是有着现实意义,也对自己的动手能力是个很大的锻炼。
在实习中,我锻炼了自己动手能力,提高了自己解决问题的能力。
通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力,提高了我分析问题和解决问题的能力,增强了独立工工作的能力。
在这次设计中,我也遇到了不少的问题,幸运的是,最终一一解决了遇到的问题。
在我遇到不懂的问题时,利用网上和图书馆的资源,搜索查找得到需要的信息及和同学之间相互讨论显得尤其重要了,设计过程,好比是我们人类成长的历程,常有一些不如意,但毕竟这是第一次做,难免会遇到各种各样的问题。
在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
通过查阅大量有关资料,并在他人中互相讨论,交流经验和自学。
若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处,虽然感觉理论上已经掌握,但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑,经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣,我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
这次的制作也让我们感受到,我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识,我们需要更多的时间来自主学习相关知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在此感同学细致、一丝不苟的帮助。
他们一直是我学习中的榜样;你们对我的帮助和支持,让我感受到同学的友谊。
与队友的合作更是一件快乐的事情,只有彼此都付出,彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。
团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。
而这次实习也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。
电子科技大学学院
新型电源设计
实践课程成绩评定表
学号
班级
题目难度
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
原理图设计
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
元件选择计算
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
仿真设计
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
PCB设计
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
安装水平
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
实物展示水平
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
作品测试结果
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
报告撰写水平
1、好()2、较好()3、一般()4、差()
课程设计成绩
指导教师(签名)
年月日