《DC-DC(B00ST)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》10000字（論文）

第第頁(yè)DC-DC(B00ST)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)【摘要】：本文論述了一款Boost開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)電源技術(shù)規(guī)格：輸入電壓為5V；輸出電壓為10V；最大輸出電流大于50mA；輸出等效阻抗小于2Ω。通過(guò)對(duì)技術(shù)指標(biāo)的分析研究，確定設(shè)計(jì)電路為的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以采用升壓型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)電路分析確定電路中各個(gè)元件的參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的DC-DC升壓型開(kāi)關(guān)電源。使用LTspiceXVII來(lái)對(duì)電路進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)現(xiàn)的可行性?！娟P(guān)鍵字】：開(kāi)關(guān)電源;BuckConverter;BoostConverter目錄TOC\o"1-3"\h\u15497第一章開(kāi)關(guān)電源大概述 197151.1.穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介 1297311.2.線性簡(jiǎn)介 1281541.3.開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介 1102661.4.開(kāi)關(guān)電源的性能指標(biāo) 223692第二章開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵問(wèn)題 3307062.1.高頻開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì) 3147652.2.開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的控制方式 3301792.2.1脈沖寬度調(diào)制方式 3177872.2.2脈沖頻率調(diào)制方式 4288542.2.3混合調(diào)制方式 4278872.3.開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定方法 5232252.3.1電壓反饋控制模式 554852.3.2電流反饋控制模式 65831第三章DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法 713533.1.電路結(jié)構(gòu)的確定 733933.1.1降壓型（Buck）電路 7146743.1.2升壓型（Boost）電路 9281303.2.DC-DC主電路的設(shè)計(jì) 12224893.2.1.電感的設(shè)計(jì) 12115733.2.2.濾波（平滑）電路設(shè)計(jì) 1413517第四章DC-DC（BOOST）開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與仿真 146914.1.開(kāi)關(guān)信號(hào)的選擇 14143084.2.主電路設(shè)計(jì) 1553314.3.儲(chǔ)能電感的選擇 16155994.4.濾波電容的選擇 16108964.5.開(kāi)關(guān)電源的仿真研究 1619824.5.1關(guān)于設(shè)計(jì)規(guī)格的仿真 17138754.5.2關(guān)于占空比研究的仿真 18287424.5.3關(guān)于改變開(kāi)關(guān)頻率及輸出負(fù)載參數(shù)研究的仿真 2027495第五章設(shè)計(jì)總結(jié) 22開(kāi)關(guān)電源大概述穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介穩(wěn)壓電源主要指的就它是一種同時(shí)能夠給穩(wěn)壓負(fù)載設(shè)備帶來(lái)穩(wěn)定的穩(wěn)壓交流電或者直流電的穩(wěn)壓電子電路設(shè)備。在負(fù)載電阻或電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬間波動(dòng)的時(shí)刻，穩(wěn)壓電源會(huì)對(duì)輸出電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，并最終使其保持穩(wěn)定。一般而言,穩(wěn)壓電源主要分類可以將其劃分分成為開(kāi)關(guān)線性穩(wěn)壓電源與線性開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源兩者,簡(jiǎn)稱線性電源和開(kāi)關(guān)電源。此處所講的線性穩(wěn)壓電源,是指調(diào)整二極管正常工作時(shí)的線性狀態(tài)下（是線性的）的直流穩(wěn)壓電源。但是在開(kāi)關(guān)電源中的情況就不一樣了，調(diào)整管（在開(kāi)關(guān)電源中，我們可以把調(diào)整管成為開(kāi)關(guān)管）是工作在開(kāi)啟或關(guān)斷兩種狀態(tài)下的：在開(kāi)啟階段——電阻很??；在關(guān)斷階段——電阻很大。顯而易見(jiàn)的是，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)的調(diào)節(jié)管明顯并不是屬于線性。在比較早期的時(shí)候，使用的一類直流穩(wěn)壓電源就是線性穩(wěn)壓電源。線性簡(jiǎn)介線性脈沖電源的工作電路原理主要是先將一個(gè)脈沖交流電信號(hào)通過(guò)一個(gè)脈沖變壓器輸出來(lái)控制降低脈沖電壓的電流幅值,再經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖整流降壓電路對(duì)其進(jìn)行降壓整流后,得到一個(gè)直流脈沖式的直流電,后經(jīng)過(guò)直流濾波處理即可直接得到一個(gè)同時(shí)帶有微小交流波紋脈沖電壓的直流脈沖電壓。為了達(dá)到能夠直接達(dá)到一個(gè)較高工作精度的直流電源輸出輸入電壓,必須通過(guò)一個(gè)小的穩(wěn)壓電流回路。線性穩(wěn)壓電源通常由四個(gè)主要的部分共同設(shè)計(jì)組成:線性電源整流變壓器、整流穩(wěn)壓電路、濾波穩(wěn)壓電路及穩(wěn)定有源電壓。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出紋波電壓小，穩(wěn)定度高，瞬態(tài)響應(yīng)快以及線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但與此同時(shí)也存在者效率低，功耗大，體積大，濾波效率低，且輸出電壓不能高于輸入電壓等一系列缺點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介開(kāi)關(guān)交換模式移動(dòng)電源,也被廣泛稱為開(kāi)關(guān)交換式移動(dòng)電源、開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器,它主要是一種高頻智能化的移動(dòng)電能電源轉(zhuǎn)換控制裝置,是移動(dòng)電源和電能供應(yīng)器中最重要的一種。開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)出輸入多半都不只是一個(gè)交流電源(就是例如一些城市無(wú)線電)或者說(shuō)只是一個(gè)直流電源,而它們的進(jìn)入輸出多半都是因?yàn)橐恍┬枰褂弥绷麟娫吹募矣迷O(shè)備,例如我們的一些個(gè)人家用電腦,開(kāi)關(guān)電源的功能就是在兩者之間進(jìn)行電流和電壓的轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)電源大體上是由主集成電路、控制器電路、自動(dòng)檢測(cè)器電路和輔助集成電源四個(gè)大部分共同構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源的性能指標(biāo)開(kāi)關(guān)電源主要性能指標(biāo)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面額定輸入電壓額定輸入電壓通常分為固定電壓和通用電壓兩種，是指正常工作的輸入電壓范圍。額定輸入電流額定輸入電流是指開(kāi)關(guān)電源滿載工作時(shí)的輸入電流。額定輸出電壓額定輸出電壓是開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)輸出電壓的標(biāo)稱值。額定輸出電流額定輸出電壓是開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)輸出電流的標(biāo)稱值電壓調(diào)整率（線路調(diào)整率）電壓調(diào)整率（線路調(diào)整率）一般是指當(dāng)其輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓改變量與額定輸出電壓的變化比率，一般可以采用百分比系數(shù)公式來(lái)進(jìn)行表示。電流調(diào)整率（負(fù)載調(diào)整率）電流調(diào)整率是一種技術(shù)泛指在額定輸入電壓時(shí)，由于輸出負(fù)載電流變化引起的輸出電壓改變量與額定輸出電壓的變化比率，一般通常采用百分比系數(shù)公式來(lái)進(jìn)行表示。輸出紋波（噪聲）電壓輸出紋波電壓是指開(kāi)關(guān)電源輸出端子間的電壓紋波，紋波頻率成分主要由輸入電網(wǎng)頻率和開(kāi)關(guān)頻率組成。電源效率開(kāi)關(guān)電源的工作效率是指輸出功率與輸入有功功率之間的比例，一般采用百分?jǐn)?shù)形式來(lái)表示。數(shù)值越大表明輸出電源的效率越高。功率因數(shù)（PF）開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)(FP)就是指輸出功率與輸入視在功率之間的比例。輸入視在功率=輸入電壓有效值×輸出電流有效值。開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵問(wèn)題高頻開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)通常從選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)始，然后進(jìn)行控制電路以及相關(guān)輔助電路的設(shè)計(jì)。然后對(duì)主電路元件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算與元件選擇。主電路元件包括：輸入濾波電容、儲(chǔ)能電感、輸入整流管、功率開(kāi)關(guān)管、輸出濾波電容等。最后我們將使用LTspiceXVII來(lái)對(duì)電路進(jìn)行仿真研究。開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的控制方式為了得到穩(wěn)定的輸出電壓或電流，DC-DC開(kāi)關(guān)電源需要具備能隨著輸入電源電壓或者負(fù)載變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比的技術(shù)；需要振蕩電路根據(jù)要求條件控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，從而使儲(chǔ)能元件的充放電達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。以下三種調(diào)制方式：脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制(PSM)是開(kāi)關(guān)電源中常用的控制方式。本設(shè)計(jì)中我們采用的是脈沖寬度調(diào)制方法。2.2.1脈沖寬度調(diào)制方式脈沖寬度調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱PWM，也可稱做脈寬調(diào)制。脈沖基極寬度差的調(diào)制設(shè)計(jì)方法這也是一種用于仿真電路控制的一種方式,根據(jù)調(diào)制脈沖管的寬度以及相應(yīng)控制負(fù)載的電壓變化實(shí)際情況即可來(lái)確定調(diào)制直流晶體管的脈沖基極或mos板基管晶體柵極的偏置,來(lái)直接可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制晶體管或mos板基管的柵極導(dǎo)通差和時(shí)間差的改變,從而直接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)入輸出的電壓改變。脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是維持PWM振蕩信號(hào)的頻率不變，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)和控制，從而改變占空比（調(diào)節(jié)脈沖寬度）。絕大多數(shù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路都是采用反饋閉環(huán)回路，環(huán)路由耦合電路、取樣電路等構(gòu)成的，進(jìn)而來(lái)控制PWM振蕩信號(hào)的脈沖寬度，經(jīng)歷一系列過(guò)程后，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓幅度的目標(biāo)。當(dāng)工作條件發(fā)生變化時(shí)，脈沖寬度調(diào)制方式能使開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓保持不變。該方式是一種非常有效的能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)。因占空比調(diào)節(jié)范圍很大，所以脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用比比皆是，同時(shí)與主系統(tǒng)的時(shí)鐘保持同步也是PWM的一個(gè)功效。在通信、測(cè)量、功率控制與變換等許多領(lǐng)域中PWM被廣泛應(yīng)用。脈寬調(diào)制（PWM）基本原理開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制的工作方式即是對(duì)開(kāi)關(guān)逆變控制電路中的開(kāi)關(guān)通信器件的中斷信號(hào)和開(kāi)關(guān)通信中斷調(diào)制電路信號(hào)進(jìn)行脈寬控制,使開(kāi)關(guān)信號(hào)的兩個(gè)輸出端發(fā)器能夠同時(shí)得到與正弦波或所有必需的正弦波相同頻率幅值的信號(hào)脈沖,用這些幅值脈沖來(lái)的信號(hào)可用來(lái)表示代表開(kāi)關(guān)信號(hào)的正弦波或所有必需的通斷信號(hào)。即在一個(gè)輸出脈沖波形的半個(gè)諧波周期內(nèi),它會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)等值脈沖,使各個(gè)等值脈沖之間的一個(gè)等值脈沖電壓轉(zhuǎn)化成一個(gè)正弦形的波形,所以此獲得的脈沖信號(hào)會(huì)比輸出均勻而平滑且比較低次的脈沖諧波輸出減少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率[3]。PWM有抗噪性能強(qiáng)、輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)?？偠灾?，PWM是一種值得被使用在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中的有效技術(shù)。2.2.2脈沖頻率調(diào)制方式脈沖頻率調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱PFM,也可稱為脈頻調(diào)制，調(diào)制信號(hào)的頻率隨輸入信號(hào)幅值而變化，它的空間占空比大小應(yīng)當(dāng)始終保持不變。其主要技術(shù)特點(diǎn)之一是那就是使PFM驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的振蕩占空比始終一直保持恒定,通過(guò)隨時(shí)改變驅(qū)動(dòng)振蕩器的恒定振蕩振動(dòng)頻率以及自動(dòng)調(diào)節(jié)送出輸入和穩(wěn)定的調(diào)節(jié)輸出輸入電壓來(lái)大幅值的達(dá)到目標(biāo)。一般的自激式直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的內(nèi)部集成電路多半都主要是通過(guò)采取這種穩(wěn)壓形式使用來(lái)對(duì)其進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)并且穩(wěn)定達(dá)到輸入輸出電壓的最大幅值。在便攜設(shè)備中脈頻調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源十分適合使用。在低頻率、低占空比的狀態(tài)下，脈頻調(diào)制極有可能大大降低脈頻控制開(kāi)關(guān)芯片在低靜態(tài)電壓工作時(shí)的電流。PFM也可被稱為方波FM。脈沖信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)制(pfm)調(diào)制方法的主要技術(shù)特點(diǎn)之一是那就是它不僅具有高速調(diào)頻的強(qiáng)大特性,具有較高的中繼數(shù)據(jù)載波傳輸和訊號(hào)信噪比,而且它能夠使得調(diào)制信號(hào)的初始脈沖頻率形態(tài)更加復(fù)雜便于中繼數(shù)據(jù)傳輸、重新進(jìn)行整形,從而既更加能夠大幅度地滿足放寬控制系統(tǒng)對(duì)非線性的容限控制要求,又更加能夠同時(shí)獲得良好的信號(hào)抵抗電磁干擾能力。PFM因其數(shù)據(jù)傳輸速度和通信性能上明顯地要優(yōu)于直接脈沖基帶光強(qiáng)編碼調(diào)制和間接脈沖基帶編碼光強(qiáng)調(diào)制,并且在各種光纖數(shù)據(jù)通訊中被普遍廣泛應(yīng)用。2.2.3混合調(diào)制方式混合調(diào)制方式是能對(duì)載波信號(hào)的幅度和相位同時(shí)進(jìn)行調(diào)制的一種調(diào)制方式，其中包含了PWM控制器和PFM控制器，可以說(shuō)它是脈沖寬度調(diào)制方式和脈沖頻率調(diào)制方式的綜合結(jié)果。其特點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)周期和脈沖寬度兩者都不是固定的，都可進(jìn)行調(diào)節(jié)?；旌闲烷_(kāi)關(guān)電源電路是經(jīng)過(guò)過(guò)調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比（脈沖寬度ton）和頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。這種不同類型的負(fù)載開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源控制模塊及其集成電路一般均為在處于重載時(shí)直接自動(dòng)工作于開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制輸出模式,在處于輕載或者是處于空載時(shí)則直接自動(dòng)工作于開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制輸出模式?；旌险{(diào)制方式包含了PWM調(diào)制和PFM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，既在任何負(fù)載情況下?lián)p耗小、效率高、靜態(tài)功耗小、電壓跟隨性好、電磁干擾小等。然而，因?yàn)榛旌险{(diào)制需要在PWM調(diào)制和PFM調(diào)制方式之間切換，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以它們的缺點(diǎn)主要是由于輸出信號(hào)的紋波比較大且所產(chǎn)生的噪聲比較多。開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定方法若要真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓或電流，DC-DC開(kāi)關(guān)電源必須經(jīng)由一定類型和形式的反饋來(lái)檢測(cè)電壓或電流，從而判斷電路此時(shí)的工作狀態(tài)并根據(jù)工作狀態(tài)順勢(shì)調(diào)節(jié)功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷。DC-DC開(kāi)關(guān)電源根據(jù)其對(duì)于該模型的反饋方式大致可以劃分為兩種類型:電壓反饋模式和電流反饋模式2.3.1電壓反饋控制模式在電壓控制模式之中的輸出電壓的大小是一個(gè)有舉足輕重地位的參數(shù)量。電壓型控制模式的原理圖如圖2-1所示。圖2-1電壓型控制模式原理圖電壓負(fù)載控制這種模式的具體工作控制原理主要的就是將基準(zhǔn)輸入電壓負(fù)載端的輸出電源電壓采到的一個(gè)基準(zhǔn)輸入電壓端的vref作為一個(gè)誤差電壓放大器的給出輸入,誤差電壓放大器的另外一個(gè)給出輸入電壓就是采到基準(zhǔn)輸入電壓端的vref,兩者相互進(jìn)行比較后發(fā)送到一個(gè)PWM后在控制器的一個(gè)輸入與固定端的鋸齒波輸出信號(hào)之間一并進(jìn)行信號(hào)處理,產(chǎn)生一個(gè)PWM輸出信號(hào)后可用于實(shí)現(xiàn)控制器與開(kāi)關(guān)二極管的導(dǎo)線接通和開(kāi)關(guān)閉合,進(jìn)而也就可以直接實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的對(duì)輸出輸入電壓的控制功能。電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)仍然是非常大的凸顯，存在控制思路簡(jiǎn)單、輸出阻抗低、電路結(jié)構(gòu)單一、調(diào)試容易且具有良好的抗噪聲裕量。但是因其采樣信息只有輸出電壓且只有一個(gè)反饋環(huán)路，電壓和反饋也會(huì)存在相位延遲,相應(yīng)的速度不足等缺點(diǎn),所以設(shè)計(jì)這種環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)往往太復(fù)雜,且還可能需要單獨(dú)地設(shè)計(jì)一個(gè)經(jīng)過(guò)電流的保護(hù)環(huán)路。2.3.2電流反饋控制模式在電流反饋控制模式中的輸出電壓和初級(jí)繞組電流是一個(gè)有舉足輕重地位的參數(shù)量。電流型控制模式的原理圖如圖2-2所示。圖2-2電流型控制模式原理圖電流強(qiáng)度控制電路模型的設(shè)計(jì)工作基本原理主要功能是將一個(gè)在輸入采樣穩(wěn)壓電阻上的誤差電壓電流傳遞反饋給一個(gè)電流比較器并使輸入和采樣電壓上的誤差電流放大器進(jìn)入輸出之間的并進(jìn)行電壓比較,將它們比較后的計(jì)算結(jié)果可以用于直接控制一個(gè)PWM的電流大小,進(jìn)而使得可以直接實(shí)現(xiàn)整個(gè)電壓穩(wěn)定和把整個(gè)電流強(qiáng)度控制在適當(dāng)?shù)碾娏鞣秶鷥?nèi)。電流控制模式屬于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)為采樣電壓送至誤差放大器的電壓反饋環(huán)，內(nèi)環(huán)為直接從電感上檢測(cè)到的電流反饋環(huán)[4]。相比傳統(tǒng)的電壓反饋控制模型,電流控制的調(diào)整功率更高,調(diào)節(jié)速度也更快,雖然在一定的程度上大大增加了控制電路的復(fù)雜性,但是電流模型并非必須需要單獨(dú)地設(shè)計(jì)和對(duì)電流進(jìn)行保護(hù)。但是,當(dāng)峰值電流反饋模型的占空比已經(jīng)超過(guò)50%,那么電流的內(nèi)環(huán)就會(huì)變得非常不穩(wěn)定,此時(shí)因?yàn)閿_動(dòng)而使信號(hào)所產(chǎn)生的誤差也會(huì)被逐步放大,以至于最終可能導(dǎo)致全部系統(tǒng)的失控。此時(shí)我們應(yīng)該再加入一下斜坡補(bǔ)償電路。DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法電路結(jié)構(gòu)的確定開(kāi)關(guān)電源種類繁多、結(jié)構(gòu)多樣，按照其功能不同可分為:升壓型(Boost)電路、降壓型(Buck)電路、升降壓型(BuckBoost)電路3.1.1降壓型（Buck）電路降壓型電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1降壓型電路的結(jié)構(gòu)[5]電路的工作過(guò)程為：當(dāng)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，VD等于直流輸入電壓Vi，此時(shí)二極管反向偏置，輸入電源通過(guò)電感L與電容C與負(fù)載電阻形成回路，為電感和負(fù)載電阻提供能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，二極管導(dǎo)通，電感中儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)二極管傳遞給負(fù)載電阻，電感電流逐漸減小。3.1.1.1電感電流連續(xù)工作模式電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形如圖3-2所示。圖3-2降壓型電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形[6]當(dāng)處于t0-t1階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持導(dǎo)通狀態(tài)，電感L兩端的電壓為（Vi-Vo），由于Vi＞Vo，所以電感電流不斷增長(zhǎng)，且二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)處于t1-t2階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，二極管導(dǎo)通，電感通過(guò)二極管續(xù)流，電感電流逐漸減小。一直持續(xù)到t2時(shí)刻開(kāi)關(guān)S再次回到導(dǎo)通狀態(tài)，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期才開(kāi)始。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零：(3-1)整理得：(3-2)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系可由下列式子表示：(3-3)由此可見(jiàn)，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓平均值Vo隨占空比線性改變，與其他電路參數(shù)無(wú)關(guān)。3.1.1.2電感電流斷續(xù)工作模式電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的波形如圖3-3所示圖3-3降壓型電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的波形[6]當(dāng)處于t0-t1階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持導(dǎo)通狀態(tài)，電感L兩端的電壓為（Vi-Vo），由于Vi＞Vo，所以電感電流不斷增長(zhǎng)，且二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)處于t1-t2階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，二極管導(dǎo)通，電感通過(guò)二極管續(xù)流，電感電流逐漸減小。當(dāng)處于t2-t3階段時(shí)，電感L的電流減小到零，二極管關(guān)斷，電感電流保持為零，電感兩端電壓為零。3.1.2升壓型（Boost）電路升壓型電路結(jié)構(gòu)如圖3-4所示：圖3-4升壓型電路的結(jié)構(gòu)[5]電路的工作過(guò)程是：當(dāng)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，輸入電源的電流流過(guò)電感L和開(kāi)關(guān)S，此時(shí)二極管反向偏置，輸入與輸出隔離，電感電流增大，負(fù)載電阻的電流由電容C提供。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，二極管導(dǎo)通，電感電流iL流過(guò)二極管和負(fù)載電阻構(gòu)成回路，輸入電源向負(fù)載電阻提供能量，電感電流逐漸減小。3.1.2.1電感電流連續(xù)工作模式電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形如圖3-5所示。圖3-5升壓型電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形[6]當(dāng)處于t0-t1階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持導(dǎo)通狀態(tài)，電感L兩端的電壓為Vi，且電感電流不斷增長(zhǎng)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)處于t1-t2階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，二極管導(dǎo)通，電感通過(guò)二極管向電容C放電，電感電流逐漸減小。一直持續(xù)到t2時(shí)刻開(kāi)關(guān)S再次回到導(dǎo)通狀態(tài)，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零：(3-4)整理得：(3-5)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系可由下列式子表示：(3-6)若要保持輸出電壓Vo不變，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，則需改變占空比D。3.1.2.2電感電流斷續(xù)工作模式電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的波形如圖3-6所示。圖3-6升壓型電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的波形[6]當(dāng)處于t0-t1階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持導(dǎo)通狀態(tài)，電感L兩端的電壓為Vi，且電感電流不斷增長(zhǎng)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)處于t1-t2階段時(shí)，開(kāi)關(guān)S保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，二極管導(dǎo)通，電感通過(guò)二極管向電容C放電，電感電流逐漸減小。當(dāng)處于t2-t3階段時(shí)，電感L的電流減小到零，二極管關(guān)斷，電感電流保持為零，電感兩端電壓為零。DC-DC主電路的設(shè)計(jì)DC-DC升壓型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是對(duì)儲(chǔ)能電感L和濾波電容C的計(jì)算和選擇。電感的設(shè)計(jì)在穩(wěn)定狀態(tài)下，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零(3-7)整理得(3-8)(3-9)假定電路沒(méi)有損耗，既Pi=Po，所以有(3-10)(3-11)電感方程為(3-12)當(dāng)電感電流臨界連續(xù)時(shí)，電感兩端的電壓VL和電流iL如圖3-7所示。由定義得，在臨界連續(xù)的條件下，當(dāng)斷開(kāi)間隔結(jié)束時(shí)電感電流iL下降為零。圖3-7臨界連續(xù)模式下電感電壓和電感電流波形[7]由電路原理圖和圖3-2-1中的電感電流波形可得(3-13)占空比定義為(3-14)將式（3-14）帶入式（3-13）整理可得，在臨界條件下電感電流最大值為(3-15)由式（3-9）和式（3-15）可得，在臨界條件下電感電流平均值為(3-16)由升壓型電路的原理圖可知，電感電流和輸入電流相等，既Id=IL。且由式（3-11）和式（3-16）可以得到，在電流臨界連續(xù)條件下，輸出電流平均值為(3-17)由歐姆定律可得，負(fù)載電流為(3-18)若占空比D一定，當(dāng)輸出電壓Vo不變時(shí)，如果復(fù)雜電流平均值低于IOB，則變換器將工作在電流斷續(xù)模式。所以，電感電流連續(xù)的臨界條件為(3-19)將式（3-17）與式（3-18）帶入式（3-19）得(3-20)整理得(3-21)式（3-21）既為推導(dǎo)出的升壓型開(kāi)關(guān)電源電路中儲(chǔ)能電感L的較為實(shí)用的計(jì)算公式。濾波（平滑）電路設(shè)計(jì)升壓型開(kāi)關(guān)電源達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，輸出電壓穩(wěn)定在我們所設(shè)計(jì)的恒定電壓VO上，此時(shí)的輸出電流為Io。在開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電阻R上所需要的全部電流Io都是由濾波電容C提供，此時(shí)濾波電容C上的電流等于穩(wěn)壓電源輸出電流Io。濾波電容C上的電壓變化量為輸出電壓的紋波電壓值△Vo。由紋波電壓公式有(3-22)整理得(3-23)將式（3-9）帶入式（3-23）得(3-24)式（3-21）既為推導(dǎo)出的升壓型開(kāi)關(guān)電源電路中濾波電容C容量的計(jì)算公式。從該公式可以看出，在電感電流連續(xù)模式下，濾波電容主要與開(kāi)關(guān)信號(hào)的工作開(kāi)關(guān)周期Ts成正比，既與工作開(kāi)關(guān)頻率成反比。因此，若要減小輸出濾波電容C的容量并降低輸出濾波電容體積和重量，其中一個(gè)有效方法即為提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。DC-DC（BOOST）開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與仿真本文通過(guò)學(xué)習(xí)開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)和原理,對(duì)升壓型DC-DC開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了電感以及濾波電路的研究與設(shè)計(jì)，要求最終設(shè)計(jì)出一款輸入電壓為5V，輸出電壓為10V，最大輸出電流大于50mA，輸出等效阻抗小于2Ω的DC-DC開(kāi)關(guān)電源。同時(shí)使用LTspiceXVII來(lái)對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行分析研究。開(kāi)關(guān)信號(hào)的選擇開(kāi)關(guān)信號(hào)選用自定義頻率的振蕩電源，由于濾波電容容量與工作開(kāi)關(guān)頻率成反比，為了降低輸出濾波電容體積和重量，我們應(yīng)選擇較小頻率的開(kāi)關(guān)信號(hào)。本文我們選擇工作頻率f=20kHz的開(kāi)關(guān)信號(hào)。主電路設(shè)計(jì)我們希望電路工作于電感電流連續(xù)工作模式，由第三章的式（3-9）和電路設(shè)計(jì)規(guī)格可知，該DC-DC升壓開(kāi)關(guān)電源的占空比為(4-1)化簡(jiǎn)并計(jì)算可知，該設(shè)計(jì)占空比D=0.5。由設(shè)計(jì)規(guī)格可得，輸出電流的最小值為50mA,輸出電壓為10V。由歐姆定律可得，該設(shè)計(jì)中我們?nèi)≥敵鲐?fù)載值為(4-2)為了防止晶體管燒壞，在振蕩電源和晶體管中間還需要添加一個(gè)限流電阻R2。假設(shè)晶體管的放大倍數(shù)β=100。BJT晶體管集電極電流Ic=Io=50mA。BJT晶體管放大倍數(shù)公式為(4-3)由此計(jì)算可得，則晶體管基極電流為(4-4)我們選擇了大小為5V的開(kāi)關(guān)信號(hào)，因此限流電阻R2的值由歐姆定律計(jì)算得(4-5)為了保證開(kāi)關(guān)電源電路工作于電感電流連續(xù)模式，盡可能降低儲(chǔ)能電感L的充電時(shí)間，在輸入電源和電感中間添加一個(gè)阻值R1=2Ω的限流電阻。該設(shè)計(jì)電路的原理圖如圖4-1所示圖4-1DC-DC升壓開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)原理圖儲(chǔ)能電感的選擇由式（4-1）和式（4-2）可知，在該設(shè)計(jì)中占空比為0.5，并選用200Ω的輸出負(fù)載。由第三章推算出的式(3-21)可得(4-6)從計(jì)算結(jié)果可得，為了保證開(kāi)關(guān)電路工作在電感電流連續(xù)模式，應(yīng)采用大于等于625μ的儲(chǔ)能電感。在該設(shè)計(jì)中我們選用L=625μH的電感。濾波電容的選擇在此次設(shè)計(jì)中，我們選擇了工作頻率f=20kHz的開(kāi)關(guān)信號(hào)，既開(kāi)關(guān)信號(hào)的工作周期為50μ。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格我們知道，該設(shè)計(jì)的輸入電壓為5V,輸出電壓為10V，輸出電流的最小值為50mA。此處我們?nèi)≥敵鲭妷旱募y波為1％。由第三章的式（3-24）可得(4-7)由此可得，符合設(shè)計(jì)規(guī)模的濾波電容的容量應(yīng)大于等于125μF。在該設(shè)計(jì)中我們選擇C=125μF的濾波電容。開(kāi)關(guān)電源的仿真研究本文使用LTspiceXVII來(lái)對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行分析研究。仿真目的:通過(guò)仿真測(cè)試的分析研究，訓(xùn)練學(xué)生使用所學(xué)專業(yè)知識(shí)的技能并使學(xué)生了解功率放大器的設(shè)計(jì)原理及功率放大電路實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。仿真的主要研究以下幾個(gè)內(nèi)容：當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，改變占空比對(duì)輸出電壓的影響當(dāng)占空比一定時(shí)，改變開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率及負(fù)載電阻是否還能得到符合設(shè)計(jì)規(guī)格的開(kāi)關(guān)電源，并證明實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格的電路參數(shù)不唯一。4.5.1關(guān)于設(shè)計(jì)規(guī)格的仿真首先我們先將計(jì)算得出的參數(shù)結(jié)合圖4-2的原理圖，搭建仿真電路并進(jìn)行測(cè)試分析。DC-DC升壓開(kāi)關(guān)電源電路的仿真原理圖如圖4-2所示。圖4-2DC-DC升壓開(kāi)關(guān)電源電路的仿真原理圖輸出電壓Vo的仿真結(jié)果如圖4-3所示圖4-3輸出電壓Vo仿真結(jié)果由仿真結(jié)果我們可以得出，該電路輸出電壓Vo=9.02V基本符合設(shè)計(jì)規(guī)格。儲(chǔ)能電感電流IL的仿真波形如圖4-4和圖4-5所示圖4-4儲(chǔ)能電感電流IL的仿真波形圖圖4-5儲(chǔ)能電感電流IL的仿真波形細(xì)節(jié)圖由仿真結(jié)果可得，該開(kāi)關(guān)電源電路在電感電流連續(xù)狀態(tài)下工作。4.5.2關(guān)于占空比研究的仿真完成基本設(shè)計(jì)要求后，我們現(xiàn)在開(kāi)始仿真并研究第一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，改變占空比對(duì)輸出電壓的影響。我們依然選擇工作頻率f為20kHz的開(kāi)關(guān)信號(hào)，但此時(shí)我們將占空比提升至0.6。由占空比定義(4-8)轉(zhuǎn)換并計(jì)算可得，晶體管導(dǎo)通時(shí)間ton為(4-9)由式（3-21）得，為保證電路工作在電感電流連續(xù)模式，儲(chǔ)能電感的選擇范圍為(4-10)此處我們選擇儲(chǔ)能電感L=480μF。由式(3-24)可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率不變，輸入輸出電壓不變，輸出負(fù)載不變（導(dǎo)致輸出電流不變）時(shí)。改變占空比對(duì)電容的容量沒(méi)有影響。所以此處我們依然選擇容量為C=125μH的濾波電容。電路原理圖以及仿真結(jié)果如圖4-6所示。圖4-6D=0.6時(shí)的電路仿真原理及仿真結(jié)果由仿真結(jié)果可得，輸出電壓Vo=10.95V，且電路在電感電流連續(xù)模式下工作。輸入電壓不變的情況下，提高占空比，輸出電壓相應(yīng)的提高了?，F(xiàn)在我們依然保持開(kāi)關(guān)信號(hào)工作頻率不變，我們?cè)僖淮螌⒄伎毡忍嵘?.8進(jìn)行仿真測(cè)試。根據(jù)式（4-8）計(jì)算可得，晶體管導(dǎo)通時(shí)間ton為(4-11)由式（3-21）得，為保證電路工作在電感電流連續(xù)模式，儲(chǔ)能電感的選擇范圍為(4-12)此處我們選擇儲(chǔ)能電感L=160μF。由式(3-24)可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率不變，輸入輸出電壓不變，輸出負(fù)載不變（導(dǎo)致輸出電流不變）時(shí)。改變占空比對(duì)電容的容量沒(méi)有影響。所以此處我們依然選擇容量為C=125μH的濾波電容。電路原理圖以及仿真結(jié)果如圖4-7與圖4-8所示。圖4-7D=0.8時(shí)的電路仿真原理及仿真結(jié)果圖4-8D=0.8時(shí)儲(chǔ)能電感電流IL的仿真波形細(xì)節(jié)圖由仿真結(jié)果可得，輸出電壓Vo=18.83V，且電路在電感電流連續(xù)模式下工作。輸入電壓不變的情況下，提高占空比，輸出電壓相應(yīng)的提高了。從仿真結(jié)果我們可以得出結(jié)論,當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，占空比與輸出電壓成正比。4.5.3關(guān)于改變開(kāi)關(guān)頻率及輸出負(fù)載參數(shù)研究的仿真解決了第一個(gè)問(wèn)題后，我們開(kāi)始仿真并研究第二個(gè)問(wèn)題：當(dāng)占空比一定時(shí)，改變開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率電路及其他參數(shù)是否還能得到符合設(shè)計(jì)規(guī)格的開(kāi)關(guān)電源，并證明實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格的電路參數(shù)不唯一。選擇工作頻率為30kHz的開(kāi)關(guān)信號(hào)，則開(kāi)關(guān)信號(hào)的周期TS≈33μs。保持輸出負(fù)載依然為RL=200Ω。根據(jù)式（4-8）計(jì)算可得