基于BUCK變換電路的恒流源設計

1、一設計要求1. 輸入電壓直流200V。2. 阻性負載，負載電阻在520范圍內變化。3. 輸出電流恒定于5A。4. 紋波電流（紋波電壓）低于1%。5. 控制電路可用數(shù)字電路（單片機為核心），也可用模擬電路（PWM發(fā)生芯片為核心，如SG3525）二、基于buck變換電路的穩(wěn)壓電源：1.關于buck變換器目前高頻高效的buck變換器的應用越來越廣泛。通常系統(tǒng)在滿輸出負載時，系統(tǒng)工作于ccm即連續(xù)電流模式。但是，當系統(tǒng)的輸出負載從滿載到輕載然后到空載變化的過程中，系統(tǒng)的工作模式也會發(fā)生相應的變化。對buck電路拓撲解釋如下： T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，當 時，T導通。 D

2、：續(xù)流二極管。 L和C組成LPF。（1） 其工作原理如下： 當 時，控制信號使得T導通，D截止，向L充磁,向C充電；當 時，T截止，D續(xù)流，U0靠C放電和L中電流下降維持。（2） 主要波形為：（3） 假設及參數(shù)計算 T，D均為理想器件，L較大，使得在一個周期內電流連續(xù)且無內阻，直流輸出電壓U0為恒定，整個電路無功耗，電路已達穩(wěn)態(tài)。當晶體管T導通工作模式：（0tt1=KT）二極管D導通工作模式：（t1tT）則由上式可得：如果假定buck電路為無損的： 即 開關周期T可表示為 可求得 的表達為 或 及因此，電容上電壓峰-峰脈動值為：得：或電流斷續(xù)時狀況： 求Av 根據(jù)伏秒平衡律： 求Dp 平均電流

3、為： 據(jù)此可得： 方案一：采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源，系統(tǒng)電路構成如圖。MC7805 為三端固定式集成穩(wěn)壓器，調節(jié)w R ，可以改變電流的大小，其輸出電流為： L OUT W q I = (U / R ) + I，式中q I 為MC7805 的靜態(tài)電流，小于10mA。當w R 較小即輸出電流較大時，可以忽略q I ，當負載電阻L R 變化時，MC7805 改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。優(yōu)點：該方案結構簡單，可靠性高缺點：無法實現(xiàn)數(shù)控。方案二：單片機控制電流源該方案恒流源電路由N溝道的MOSFET、高精度運算放大器、采樣電阻等組成，利用功率MOSFET 的恒流特性，再加上電流反饋電路

4、，使得該電路的精度很高。該電流源電路可以結合單片機構成數(shù)控電流源。介于單片機應用的廣泛性及智能性，便捷性，采用方案二。單片機為核心的控制電路：（1）本系統(tǒng)采用SPCE061A 單片機作為控制核心。SPCE061A 是16 位單片機，指令周期短，工作速率快，功耗低，具有豐富的片上資源，集成了可編程音頻處理電路，可以在線下載，易于調試。SPCE061A 單片機擁有獨立的時基發(fā)生器，無需占用定時器。系統(tǒng)設置了一個1024Hz 的時基中斷，為整個系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的運行節(jié)拍，保證了各個任務能有條不紊的工作。 （2）主程序設計： 系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括I/O 口，中斷系統(tǒng)，定時器/

5、計數(shù)器等工作狀態(tài)的設置，系統(tǒng)變量賦初值等工作；完成系統(tǒng)初始化后打開中斷。程序流程為：開始，系統(tǒng)初始化，開中斷，發(fā)出通斷信號控制MOSFET的通斷對于51單片機，若程序如下：#include <reg51.h>#define uchar unsigned charuchar period 250;uchar high 50;void timer0( ) interupt1 using1th0=-8333/256;tl0=-8333%256;if（+time=high)P1.0=0;else if(time=period)time=0; P1.0=1main( ）tmod=0x01;t

6、h0=-8333/256;tl0=-8333%256;ea=1;et=1;tr0=1;dowhile(1);對于凌陽單片機只需根據(jù)不同的型號選擇相應引腳及晶振對上述程序進行修改即可。功率MOSFET的輸入阻抗極高，因此，柵極需極小功率可驅動元件工作。驅動MOSFET的柵極相當于驅動一個容抗網(wǎng)絡。元器件電容，驅動阻抗都直接影響開關速度。一般驅動電路的設計就是圍繞著如何充分發(fā)揮功率MOSFET的優(yōu)點，并使電路簡單，快速且具有保護功能。功率MOSFET柵極驅動電路設計考慮到，柵極電荷特性，柵極正負電壓，柵極電阻與電源功率。左圖為理想柵極驅動電路的等效電路三、紋波電壓：1、紋波電壓的定義狹義上的紋波電

7、壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。我國工頻頻率是50Hz，所以紋波電壓以工頻50Hz或50Hz的整數(shù)倍計取。具體取50Hz還是50Hz的倍數(shù)，取決于整流電路的類型。對于半波整流，取50Hz；對于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；對于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；對于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。對于日本、美國等國家，使用60Hz工頻，計取方式只需把上述的50改為60即可。紋波電壓通常用有效值或峰值表示。2、紋波的害處：（1）、容易在用設備中產(chǎn)生不期望的諧波，而諧波會產(chǎn)生較多的危害； （2）、降低了電源的效率；（3）、較強的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生

8、，導致燒毀用設備。（4）、會干擾數(shù)字電路的邏輯關系，影響其正常工作； （5）、會帶來噪音干擾，使圖像設備、音響設備不能正常工作。3、抵制紋波電壓的方法，常見的有以下幾種：（1）、在成本、體積允許的情況下，盡可能采用全波或三相全波整流電路；（2）、加大濾波電路中電容容量，條件許可時使用效果更好的LC濾波電路；（3）、使用效果好的穩(wěn)壓電路，對紋波抑制要求很高的地方使用模擬穩(wěn)壓電源而不使用開關電源；（4）、合理布線。四恒流源框圖 五 心得體會 通過緊張的兩個星期的積極準備與不斷實驗，翻閱大量相關資料，終于完成了本學期的“基于buck電路恒流源”的設計任務。再設計中，遇到了不少困難與問題，但最終在同學

9、與老師的幫助下都一一化解?？梢哉f本次的課程設計，對自己來說，不僅是一次知識上的擴展，更是意志與信心上的一種鍛煉。在剛接到題目時，看到是基于buck電路的設計，認為比較簡單，掉以輕心。當開始著手準備是，卻發(fā)現(xiàn)事情并非如此。首先是題目要求不僅僅是設計一個簡單的buck電路，還有多種要求。什么是紋波？電感，電容等值怎么計算？然后到底選用單片機為核心的控制電路還是以模擬電路為核心的控制電路？種種問題擺在眼前。經(jīng)過翻閱資料，對紋波有了一定了解，也查到了相關的計算公式。另外剛剛學過的單片機c語言對這次的單片機編程也提供了大大幫助。但設計出的恒流源是否符合要求，方案是否可行，還需進一步的實驗與調試。本設計實現(xiàn)了利用單片機為核心的控制電路，提高了效率，但應有許多值得改進之處，比如：既然使用了單片機，那么就可以利用單片