基于Buck變換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)【適合做課程設(shè)計(jì)】

1、基于Buck變換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要一個(gè)高可靠性的電源系統(tǒng)需要大功率寬電壓輸入范圍的DC/DC變換，在充分考慮不同DC/DC變換器拓?fù)涮攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，選用Buck作為系統(tǒng)的電路拓?fù)洹１疚慕榻B了Buck電路的工作原理，對(duì)整個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，并附以相關(guān)電路圖表示。并選擇符合規(guī)范的元器件，計(jì)算產(chǎn)品的成本。關(guān)鍵詞Buck拓?fù)?；DC/DC;開(kāi)關(guān)電源；MC34063第一章概述開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率器件（MOSFET三極管等）的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具有轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。1.1 基本要求輸入直流9V-12V,輸出5V,5Vf開(kāi)關(guān)振蕩頻率

2、40KHz1.2 方案設(shè)計(jì)采用MOSFE作為功率轉(zhuǎn)換元件，MOSFE具有壓降小，輸入電阻高，動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)。控制方案采用集成電路MC34063£&PWMI制芯片，極大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。第二章開(kāi)關(guān)電源輸入與控制部分設(shè)計(jì)2.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理開(kāi)關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)方式，只有導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，圖2-1為工作過(guò)程?；鶞?zhǔn)電壓為固定值，由于輸入波動(dòng)或負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓減小，采樣電壓將減小，經(jīng)過(guò)比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)誤差，提高占空比使輸出電壓增大。同理，當(dāng)由于輸入波動(dòng)或負(fù)載變化導(dǎo)致輸入電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。輸入調(diào)祭管

3、海波電路脩出圖2-1開(kāi)關(guān)電源原理框圖2.2 Buck調(diào)整器的基本工作方式Buck調(diào)整器的基本電路如圖2-2所示，晶體管Q1與直流輸入電壓Vdc串聯(lián)，通過(guò)Q1的開(kāi)通與關(guān)斷，在V1處產(chǎn)生方波電壓，采用恒頻占空比可調(diào)的方式(PWM在V1出產(chǎn)生方波電壓，Q1導(dǎo)通時(shí)間為工Q1導(dǎo)通時(shí)V1點(diǎn)電壓為Vdc,電流通過(guò)用接的電感L0流入輸出端，Q1關(guān)斷時(shí)，電感L0產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使V1點(diǎn)電壓迅速下降到0并變負(fù)，直至被D1鉗位于-0.8V。假設(shè)二極管導(dǎo)通壓降為0,則V1點(diǎn)電壓為矩形波，該方波電壓平均值為VdcTon/T0LC濾波器接于V1與Vo之間，它使輸出點(diǎn)Vo成為幅值等于Vdon/T的直流電壓。采樣電阻R1和R2

4、檢測(cè)輸出電壓Vo,并將其輸入誤差放大器，與參考電壓Vref比較,被放大的誤差Vea被輸入到脈寬調(diào)制器中，因此，PW喻出的脈沖寬度與誤差放大器的輸出電壓成比例，VoR2/(R1R2)V。圖2-2Buck典型拓?fù)浼爸饕ㄐ?.3 電源管理芯片MC34063MC34063&含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價(jià)格便宜。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC/DC變換器僅用少量的外部元器件。工作電壓比較寬100-美近1疔/基桂圖2-3MC34

5、063結(jié)構(gòu)圖I.yJdlU-2.3.1 引腳功能1腳：開(kāi)關(guān)管Q1集電極引出端；2腳：開(kāi)關(guān)管Q1發(fā)射極引出端；3腳：定時(shí)電容接線端；調(diào)節(jié)Ct可使工作頻率在100100kHz范圍內(nèi)變化；4腳：電源地；5腳：電壓比較器反相輸入端，同時(shí)也是輸出電壓取樣端；6腳：電源端；7腳：負(fù)載峰值電流(Ipk)取樣端；6,7腳之間電壓超過(guò)300mV時(shí)，芯片將啟動(dòng)內(nèi)部過(guò)流保護(hù)功能；8腳:驅(qū)動(dòng)管Q2集電極引出端。2.3.2 外圍電路參數(shù)設(shè)計(jì)定時(shí)電容的選取根據(jù)公式：O0.000004XTon,要求40KHz工作頻率時(shí)，C=100pF。功率MOSFE柵極驅(qū)動(dòng)電阻選擇10QO以盡量減小方波邊沿時(shí)間。過(guò)流保護(hù)采樣電阻：假設(shè)輸入

6、電流超過(guò)1A時(shí)，啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)功能。采樣電阻設(shè)在6、7腳之間，R=U/Imax=0.3Q,電阻最大熱功耗WI2R=0.3W。此處選擇0.5W,0.3Q大功率電阻。輸出采樣電阻設(shè)計(jì)：要求5V輸出，且損耗盡可能小，芯片內(nèi)部集成1.25V基準(zhǔn)電壓，輸出采用電阻分壓方案。分壓比為3:1。采用精密電阻10K與30K串聯(lián)，靜態(tài)電流0.125mA。2.3.3 MOSFET的選擇根據(jù)要求Vgs4V,Vds12V,"1A0在本次設(shè)計(jì)中選擇IRF530N,Vgs4V,Vds100V,Id17A0第三章開(kāi)關(guān)電源輸出電路設(shè)計(jì)輸出電路采用LC電路。圖3-1輸出濾波電路模型當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電能儲(chǔ)存在電感中，同

7、時(shí)也流向負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，由于電感上的電流不能突變，儲(chǔ)存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時(shí)續(xù)流二極管導(dǎo)通，構(gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。假設(shè)要求紋波電壓小于50mV直流輸出電流為規(guī)定電流的10%3.1 儲(chǔ)能電感的選擇電感電流的斜坡為dl(I2Ii)，如圖2-2(d)所示，當(dāng)直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時(shí)，進(jìn)入不連續(xù)工作模式，則lo(min)(l2Il)/2而且dlVJon/L(ViVo)Ton/L式中Vi接近Vdc,所以L(VdcVo)Ton(VdcVo)Tondl0.2Ion已知輸入電壓最大為12V,開(kāi)關(guān)頻率為40KHz,輸出電壓為5V,電流為1A。5(125)525106L

8、365H121此處選用470uH,2A的功率電感。3.2 濾波電容的選擇輸出電容C并非理想電容，可等效于串聯(lián)電阻(ESR、串聯(lián)電感(ESD與純電容C的串聯(lián)。對(duì)于低頻電路，ESL可以忽略。輸出紋波主要由ESR來(lái)決定。一般常用鋁電解電容的RC值近似為一個(gè)常數(shù)，為5080106F0利用典型ESR容值關(guān)系，根據(jù)公式得：C50106/0.051000F選才?16V,1000uF的普通鋁電解電容。3.3 續(xù)流二極管的選擇根據(jù)Buck變換器的工作原理，開(kāi)關(guān)截止時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為電能，二極管起到續(xù)流作用，二極管正向額定電流需大于負(fù)載電流，耐壓值大于輸入電5壓，同時(shí)為了使截止到導(dǎo)通時(shí)間盡量短，選

9、擇超快恢復(fù)二極管，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求,選擇正向電流不小于1A的超快恢復(fù)二極管。此處選擇HER101最短恢復(fù)時(shí)間為50ns第四章電路圖與產(chǎn)品工藝4.1整體電路圖圖4-1電路圖4-2元器件清單表4-1元器件清單名稱(chēng)生廣J商價(jià)格MC34063AIC0.50IRF530NIR2.00HER101HY0.10.3Q功率電阻-0.0210Q電阻-0.0130K精密電阻-0.3010K精密電阻-0.30100pF電容-0.011000UF電容RUBYCON0.5470UH電感-1.00印刷電路板-1.00合計(jì)5.74第五章課程設(shè)計(jì)總結(jié)在方案選擇過(guò)程中，因?yàn)榭紤]到是非隔離電源，使用集成PWMS制芯片簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，在分析了UC3842,SG3525等芯片的功能與參數(shù)后，選擇MC34063乍為控制方案，該芯片本身也有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可直接外接濾波電路與反饋電路來(lái)進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。在本方案中，通過(guò)外接場(chǎng)效應(yīng)管的方式極大增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力，該場(chǎng)效應(yīng)管最大電流可到達(dá)17A以上，設(shè)計(jì)中僅利用不到1A,如果更換濾波電路中的元器件，輸出功率可以得到數(shù)倍的提升。如果將采樣電阻改為電位器，還可以靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)模擬電子技術(shù)，電力電子技術(shù)和電子產(chǎn)品工藝等有了更深刻的認(rèn)識(shí)，解決了很多實(shí)際性的問(wèn)題。熟悉了一些電源芯片的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，并與Buck拓?fù)湎嘟Y(jié)合，設(shè)計(jì)出符合要求的電路。在大量瀏覽