基于Buck变换器的开关电源设计【适合做课程设计】

1基于Buck变换器的开关电源设计摘要一个高可靠性的电源系统需要大功率宽电压输入范围的DC/DC变换，在充分考虑不同DC/DC变换器拓扑特点的基础上，选用Buck作为系统的电路拓扑。本文介绍了Buck电路的工作原理，对整个闭环结构进行设计与研究，并附以相关电路图表示。并选择符合规范的元器件，计算产品的成本。关键词Buck拓扑；DC/DC；开关电源；MC34063第一章概述开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件（MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换效率高，体积小，重量轻，控制精度高等优点。1.1基本要求输入直流9V-12V，输出5V，5W；开关振荡频率40KHz。1.2方案设计采用MOSFET作为功率转换元件，MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。控制方案采用集成电路MC34063单路PWM控制芯片，极大简化电路设计。第二章开关电源输入与控制部分设计2.1开关电源工作原理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，图2-1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。2图2-1开关电源原理框图2.2Buck调整器的基本工作方式Buck调整器的基本电路如图2-2所示，晶体管Q1与直流输入电压dcV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onT。Q1导通时V1点电压为dcV，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TTVondc/。LC滤波器接于V1与Vo之间，它使输出点Vo成为幅值等于TTVondc/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refV比较，被放大的误差eaV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，refOVRRRV)21/(2。3图2-2Buck典型拓扑及主要波形2.3电源管理芯片MC34063MC34063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2-3MC34063结构图42.3.1引脚功能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范围内变化；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，芯片将启动内部过流保护功能；8脚：驱动管Q2集电极引出端。2.3.2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RIW2=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，芯片内部集成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。2.3.3MOSFET的选择根据要求AIVVVVddsgs1,12,4。在本次设计中选择IRF530N,AIVVVVddsgs17,100,4。第三章开关电源输出电路设计输出电路采用LC电路。图3-1输出滤波电路模型5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%。3.1储能电感的选择电感电流的斜坡为)(12IIdI,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2/)(12(min)IIIo而且LTVVLTVdIononL/)(/01式中1V接近dcV，所以ononOdconOdcITVVdITVVL2.0)()(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。HL36511210255)512(56此处选用470uH，2A的功率电感。3.2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F61080~50。利用典型ESR-容值关系，根据公式得：FC100005.0/10506选择16V，1000uF的普通铝电解电容。3.3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6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。第四章电路图与产品工艺4.1整体电路图图4-1电路图4-2元器件清单表4-1元器件清单名称生产厂商价格MC34063AIC0.50IRF530NIR2.00HER101HY0.10.3Ω功率电阻-0.0210Ω电阻-0.0130K精密电阻-0.3010K精密电阻-0.30100pF电容-0.011000uF电容RUBYCON0.5470uH电感-1.00印刷电路板-1.00合计5.747第五章课程设计总结在方案选择过程中，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，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。在本方案中，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。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，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。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。参考文献[1]AbrahamI.Pressman等.开关电源设计.北京：电子工业出版社,2007[2]童诗白等.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社,2009[3]SanjayaManiktala.精通开关电源设计.北京：人民邮电出版社，2008