開關電源課設報告

1、電氣與電子信息工程學院«電力電子裝置設計與制作課程設計報告名稱： 開關直流降壓電源（BUCK設計專業(yè) 名稱：電氣工程及其自動化班級： 14級專升本（1）班學號：0125姓名：指導 教 師：南光群、張智泉、葉天鳳課程設計時間：2015年11月30日一12月10日課程設計地點：K2-4 14和 K2- 306實驗室電力電子裝置設計與制課程設計成績評定表姓名學號0125專業(yè)班級14電氣工程及其自動化專升本 （1）班課程設計題目：開關直流 降壓電源（Buck）設計課程設計答辯記錄：1、開關元件的選擇要考慮那些因素答：1.開關管的耐壓值，2.電流的最大值，3與開關頻率有關2、TL494有幾種輸

2、出控制方式答：TL494有2中輸出控制方式，當輸出控制（13）引腳接地時，輸出控制方式為 單端模式，其輸出頻率等于RC的振蕩頻率；當輸出控制（13）引腳接參考電壓時， 輸出控制方式為推拉模式，輸出頻率等于 RC振蕩頻率的一半。成績評定及依據：1. 課程設計考勤情況（20% :2. 課程設計答辯情況（30% :3. 完成設計任務報告規(guī)范性（50% :最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）：指導教師簽字:«電力電子裝置設計與制作課程設計任務書20152016學年第一學期學生姓名： 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化 14級專升本1班指導教師：南光群、張智泉、葉天鳳 工作部門：電氣與電子

3、信息工程學院一、課程設計題目：開關直流降壓電源（BUCK設計二、課程設計內容根據題目選擇合適的輸入輸出電壓進行電路設計，在 Protel或OrCAD軟件 上進行原理圖繪制；滿足設計要求后，再進行硬件制作和調試。如實驗結果不滿 足要求，則修改設計，直到滿足要求為止。設計題目選：題目一：開關直流降壓電源（BUCK設計主要技術指標：1）輸入交流電壓220V （可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在14-18V之間。3）輸出直流電壓11V,輸出電壓紋波小于2%4）輸出電流1A。5）采用脈寬調制PWMfe路控制。三、進度安排序 號名稱時間1下發(fā)設計任務書，布置設計任務和設計要求、設計 時間安排。一天2掌握鋸

4、齒波產生電路、電壓反饋電路、控制電路的 工作原理一天3掌握穩(wěn)壓電源電路工作原理半天4繪出原理框圖以及各部分電路的詳細連接圖一天5學會借用電子線路CADE確繪制電路圖；一天6掌握焊接技術以及MOSFET二極管、三極管等器件 的檢測方法半天7掌握電路的安裝與調試一天8根據直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理設計電路圖一天9了解電子電路板的制作過程半天10學習電路原理圖及印制電路板圖的讀圖方法半天11掌握穩(wěn)壓開關電源的檢測與調試一天12書寫課程設計報告一天四、基本要求1、獨立設計原理圖各部分電路的設計；2、制作硬件實物，演示設計與調試的結果。3、寫出課程設計報告。內容包括電路圖、工作原理、實際測量波形、調 試

5、分析、測量精度、結論和體會。4、寫出設計報告：不少于3000字，統(tǒng)一復印封面并用A 4紙寫出報告 封面、課程設計任務書 摘要，關鍵詞（中英文） 方案選擇，方案論證系統(tǒng)功能及原理。（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）各模塊的功能，原理，器件選擇實驗結果以及分析設計小結附錄-參考文獻目錄目 錄 0摘 要 0Abstract 01 方案設計與論證 1.總體方案的設計與論證 1.開關管的選擇 1.模擬控制芯片的選擇 2.2 系統(tǒng)設計 2.系統(tǒng)總體組成框圖 2.電路原理圖 3.3 功能及器件的選擇 4.主電路元器件的選擇 4.電感的選擇 4.輸出濾波電容的選擇 5.MOSFE開關管的選擇5.二極管的選擇6.PW

6、M控制的設計7.鋸齒波的頻率的計算 7.4 仿真分析 7.仿真模型 7.仿真結果及分析 8.5 實物結果及分析 1.0.實物圖 1.0.實物結果及分析 1.0.6 設計小結 1.4.參考文獻 1.5.摘要本次電力電子裝置設計與制作，利用 BUCK型轉換器來實現14V-18V的開關 直流降壓電源的設計。使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號從而控制 MOS管的 開通與關斷。為了將MOS管G極和S極隔離，本設計采用了推挽式放大電路。另 外本設計還加入了反饋環(huán)節(jié)， 利用芯片自身的基準電壓與反饋信號進行比較來調 節(jié)輸出脈沖的占空比，進而調整主電路的輸出電壓維持在一個穩(wěn)定的電壓狀態(tài) , 采用模擬PI調節(jié)

7、器實現對電路的快速調節(jié)作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作；TL494采用RC振蕩電路來產生鋸齒波來作為驅動信號的載波，控制開關管的開關頻率。關鍵字 ： 降壓電源推挽式放大電路開關頻率AbstractThis Power electronic equipment design is used by BUCK to catchthe goalof16V-8VSwitchdc step-downpowersupplydesign.Use TL494ascontrol chipoutput pulsesignalto control the openingofMOS tube and shut off.In ord

8、er to make theMOS tubeGpole and Spole separate,thisdesignuses apush-pullamplifier circuit.In addition,thedesignalso joined the feedback link to make the circuit more accu rate and stable,PI analog regulator circuit for fast regulation of that system stability;TL494 RCoscillator circuit to generate a

9、 sawtooth wave as the carrier drive signal, control the switching frequency of theswitching tube.push-pull amplifier circuitKeyWord:step-down power supplySwitching frequency1 方案設計與論證總體方案的設計與論證方案一：采用低壓線性穩(wěn)壓管（LDO來設計電路。其優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定， 噪音小，所以外部電路比較簡單。 不足之處在于輸入和輸出電壓的差值不能太大， 效率較低，其負載電流相對較小。方案二：采用BUCK!壓電路。該電路是負

10、載電流大，效率高，發(fā)熱小。由 于是通過開關管的開通和關斷來實現能量的轉換， 所以紋波和噪音較大， 需要較 多額電容濾波。但考慮本次設計的需求，所以選擇該方案。綜上所述，故選擇BUCK!壓電路。開關管的選擇方案一：采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。IGBT的功率容量大，但是開關頻 率較低，同時在關斷時存在拖尾電流，需要加一個負電壓讓 IGBT可靠的關斷， 對驅動電路要求較高。方案二：采用電力MOSFET電力MOSFE是用柵極電壓來控制漏極電流，因 此所需驅動功率小、 驅動電路簡單； 又由于是靠多數載流子導電， 沒有少數載流 子導電所需的存儲時間， 是目前開關速度最高的電力電子器件， 而在本電路中

11、功 率不是很大。綜上所述，故選擇電力 MOSFE器件。模擬控制芯片的選擇方案一：采用UC3842莫擬控制芯片。UC3842是采用峰值電流模式控制的集 成PWMI制器，專們用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。驅動電路的結構為圖騰柱結構的跟隨電路，其輸出峰值電流可達1000m A可以直接驅動主電路的開關器件，但是在芯片欠壓保護后再次啟動的電壓為16V,在本設計中啟動電壓較高，故不選擇該芯片。方案二：采用TL494模擬控制芯片。TL494采用固定頻率的PWM波的控制方 式可以根據需要選擇輸出最大占空比和輸出的頻率， 同時也可以根據需要調節(jié)死 區(qū)時間的大小， 驅動輸出端也可以采用單端模式或者推

12、拉模式， 電路的啟動電壓 為7V,最大工作電壓為40V,具有較寬的工作電壓范圍?？紤]到實際情況所以在 本設計中采用 TL494。綜上所述，故選擇TL494作為模擬控制芯片。2 系統(tǒng)設計系統(tǒng)總體組成框圖系統(tǒng)總體組成框圖如圖2-1所示。該系統(tǒng)中由BUCK主電路、反饋采樣電路、 控制電路和驅動電路組成。從而構成了一個電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2-1系統(tǒng)總體框圖電路原理圖總體電路原理圖如圖2-2所示1圖2-2電路原理圖3功能及器件的選擇主電路元器件的選擇電感的選擇在進行電感的計算上，首先介紹一個關鍵參數r的說明，r稱為電流紋波率1 AC1 DC(3-1)上式中I為電流紋波，I DC為電感電流直流分量,I AC

13、為交流分量，I L為平均電它表示電感電流的交流分量與直流分量的幾何比例。因此，有IlL感電流。在工程中r的取值一般在0.30.5之間，并且它與特定工況、開關頻率、甚 至拓撲本身都無關。所以在實際設計中，它一般按取值。在大多數實際應用中，輸入電壓會在 Vinmin V|nmax之間的某一范圍內變化。 因此，還需要知道電流的交、直流分量及其峰值在輸入電壓變化時如何隨之變化。 最重要的是：需要知道在此變化范圍內，哪個特定輸入電壓值對應峰值電流最大 值。如前所述，峰值電流對于保證電感工作時不發(fā)生磁飽和是極其重要的。所以對于電感設計而言，“最惡劣”電壓定義為峰值電流達到最大值時所對應的輸入 電壓。該特定

14、電壓將用于電感設計或選擇。對于降壓變壓換器，總是優(yōu)先從 Vimax （即最小占空比）開始設計電感。在本設計中電壓的輸入范圍為：1418V,輸出電壓為11V,開關頻率為25KHz 輸出電流為1A所以對于buck電路而言，需要從Vimax（20V）開始設計電感。所 以最小占空比為：D 怡 110.61（3-2）Vin 18再由公式計算的L為:LD)(3-3)(10.61)429UH0.4 1A 25000一般實際的電感量為計算值的3倍左右，故所選的電感量為。磁芯選擇鐵氧 體磁環(huán)綠色噴涂環(huán)，導磁率為 15k nH，由公式：L Al * N 2（3-4）可以推出所需的匝數大約為N=10匝。輸出濾波電容

15、的選擇選擇輸出電容的經典法則是：額定紋波電流要等于或大于輸出電容最大有效值電流。通常，選擇的額定電壓比應用中要求的輸出電壓高出至少20%50%變換器的輸出電壓紋波也是一個需要考慮的問題。 輸出電容產生的輸出電壓紋波峰 值等于其等效串聯電阻與最大輸出電流峰峰值的乘積（忽略電容的等效串聯電 感）。Uo(1 D)T211 (1 0.78)18L Uo33 28 1.9 100.22(25 10 )3.1uF在本設計中輸出電壓紋波的要求是 2%輸出紋波電壓 UO=11*2%=所以由 公式：(3-5)考慮考實際中電容的標稱值所以選擇電解電容。MOSFE開關管的選擇選擇開關管的經驗法則是：額定電流至少等于

16、（最好至少兩倍于）上述計算 的最大開關管有效值電流，這是為了降低損耗，因其開關正向壓降額定電流增加 而大幅減小。對于降壓變換器，最高開關電壓為 Vinmax，通常，選擇的額定電壓要比最高 開關電壓高出至少20% （降額至80流右，即留出安全裕量）在本電路中最高輸入電壓為20V,考慮裕量，所以計算的開關管的耐壓值為100V。計算MOSFE導通損耗的簡單方程如下：2OND 1 RMS R dsW(3-6)公式中，Rds是MOSFE的導通電阻，IRms是開關管電流波形的有效值，等于Irms Io D (1；)(3-7)式中，Io是buck電路的負載電流，D是占空比。通過計算可以得到Irms 0.81

17、A，要得到較小的導通損耗則其 MOSFE的導通電阻就需要選擇很小。考慮到成本的問題，通過綜合折中考慮在本電路中采用IRF9Z24的P溝道MOSFET開關管。二極管的選擇對于降壓變換器，輸入電壓升高，占空比下降。因為平均電感電流 Il仍保持 在Io，所以平均二極管電流增加。這意味著降壓變換器在V inmax處的二極管電流 和損耗最大。因此，可用按照一般電感設計步驟(在 V inmax )計算的數值。選擇二極管的經驗法則是：額定電流至少等于(最好至少兩倍于)下述最大平均二極管電流，這是為了降低損耗，因其正向壓降隨額定電流增加而大幅減小， 對于降壓變換器，最大二極管電流為I O (1 Dmin )，

18、通過計算可以得I O 0.35A。通過以上的經驗法則和實際情況折中 0選擇二極管的最大額定電流為 1A的 二極管。而選擇額定電壓要比最大二極管電壓V inmax高出20%勺安全裕量，即選擇100V的最大耐壓值。二極管的選擇還得考慮其反向恢復時間， 反向恢復時間要小于開關管的開關時間。綜上考慮，選擇FR107二極管PWM空制的設計鋸齒波的頻率的計算在本電路中采用的控制芯片是 TL494 TL494是一種頻率固定的脈沖調制控制電路,集成了開關電源控制所需要的主要模塊。內部線性的鋸齒波振蕩器頻率由2個外部元件決定,Rr和CT。近似的振蕩頻率可以由下面公式決定:fosc1.1Rt*Ct(3-8)在本電

19、路中設定的頻率為出定時電容Ct 103PF 。25kHz，選取標稱電阻Rt47k ，則可以計算4仿真分析仿真模型仿真模型如圖4-1所示圖4-1仿真模型總體電路圖仿真結果及分析電路在最低輸入電壓14V和最高輸入電壓18V時的波形圖如圖4-2和4-3所示。圖4-2輸入電壓為14V時的波形圖通過仿真圖可以看出輸出電壓的紋波在技術指標的范圍內，達到了設定的值5實物結果及分析實物圖Buck電路實物圖如圖5-1所示圖5-1buck電路實物圖實物結果及分析實物測試波形圖如下圖所示：丄mi；. .HiL-L L L . LLt L二f f 1.11 f11TTTT:FlHI! :1i-111 i 1i i 1

20、 a i ii ci ii I 11J20.0jjsO Z-13.6V<1CH?JTele運行自動= 疇聲廳浪器黃閉' ! ' B r 1 ' p 1 F ! ' ! r ¥ p I ! T- r 1 ' F 1 B p 1 B F !- r 1 ' F 1 B F !': l ig至均141V 頻奉 亦 F l冉*劉叫|幅值 5W*占空比舟朋嘿P 憶4吊0|圖5-2輸入電壓為14V時的輸入電壓波形圖圖5-3輸入電壓為18V時的輸入電壓波形圖圖5-2和圖5-3分別為供電電源為14V和18V時的輸入電壓波形圖，波形圖 中的直

21、流電壓上的尖峰為開關管開通關斷時產生的。圖5-4輸入電壓為14V時的輸出電壓波形圖圖5-5輸入電壓為18V時的輸出電壓波形圖圖5-4和圖5-5均為輸出電壓11V時的波形圖，從圖中可以看出輸出電 壓的的紋波較小，滿足設計的要求。圖5-6輸入電壓為14V時開關管GS兩端的驅動波形圖圖5-6和圖5-7為開關管GS兩端的驅動形圖，從上圖中可以看出驅動在高 電平時出現了震蕩，分析原因可能是由于寄生電感的原因導致波形震蕩。圖5-8輸入電壓為14V時開關管DS兩端的電壓波形圖圖5-9輸入電壓為18V時開關管DS兩端的電壓波形圖Tek富行聯鮒真二7T瞬聲匱遊器天團.' ' ' r &#

22、39; 1 I ' 1 r ' ! B ' 1 1 I ' 1 " ' T 1 ' ' 1 ! ' " ' ' ! 1 B ' 1 F ' a 1 1 I 1 '« i a Bi . 一.，.200嗎1丸01（1呵価一和10_礎網；fi ii , 均>41總°b頻率JaieiHz j5加廠|o帽值 5W> 皆空比咼閃鴛hi曬卻圖5-10輸入電壓為14V時電感兩端的電壓波形圖圖5-11輸入電壓為18V時電感兩端的電壓波形圖實驗結果分析，通過以上的實驗波形圖可以看出，電感電流處于斷續(xù)狀態(tài)。6設計小結在本次課程設計中，獲得很多的收獲。一個電路的設計和電路中器件的選擇， 都需要通過理論的學習，才能設計出一個優(yōu)秀的電路。所以本次實驗讓我更進一 步的懂得了學習理論知識的重要性， 沒有理論的支撐，在實際的運用調試過程中 是很難前行的，很難找到關鍵的