基于BUCK变换器的电源设计

电子科技大学中山学院新型电源设计实践报告设计名称基于BUCK变换器的开关电源设计学院机电学院班级14级电气A班学号姓名2014100500521刘连红指导教师余翼机电工程学院2017年12月27日一、设计要求与内容开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，它安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。比如在电力系统中的应用、在通信领域中的应用、在蓄电池充电中的应用、在风能\太阳能发电中的应用。这次我们要求设计一个9-12V的情况下，通过一个开关电源得到一个稳定的5V/1A的直流输出。我们要求这个开关电源有整流的功能，同时通过反馈控制，有稳压，调压，降压的功能。从而得到稳定的一个直流输出。二、人员分工与时间安排表设计题目基于BUCK变换器的开关电源设计队长：队员：人员分工与时间进度表项目时间段123负责人任务√选题√方案设计√软件设计流程图√原理图√仿真√电路图√硬件设计元件采购√元件检测√焊接装配√调试√产品测试√报告撰写√答辩√三总体方案设计与论证3.1设计思路和流程1.经过题目选定，确定使用基于BUCK变换器的电源设计。2.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。3.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。4.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。3.2开关电源总电路框图图3-1开关电源总电路框图四、开关电源原理图各部分说明及计算4.1总原理图的介绍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，上图为工作过程。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。4.2各部分的说明与计算1.输出电路采用LC电路图4-1LC电路图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%。2.BUCK变换器的基本工作方式Buck调整器的基本电路如下图所示，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。图4-2buck变换器工作原理3.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4-2MC34063芯片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。4.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。5.mosfet的选择根据要求AIVVVVddsgs1,12,4。在本次设计中选择IRF530N,AIVVVVddsgs17,100,4。6.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。7.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。8.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。元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5.74表1-1元件清单五电路仿真5.1使用的仿真软件Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是英国著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。5.2仿真设计过程图5-1proteus仿真图根据设计电路，及元件的特性，将元件一一连接，初步测试。测试后，根据情况进行调整，最后将电流表，电压表，接入电路中，完成调整测试。5.3仿真结果输入DC空载输出电压满负载输出电压9V4.41V4.37V10V6.28V6.22V11V7.28V7.18V表5-1仿真结果连接完成过后，将电压表、电流表接入电路中，分别测试9V,10V,11V时的空载输出电压和满载输出电压，其结果如表五、安装与调试输入DC空载输出电压满负载输出电压9V4.40V4.38V10V6.18V6.11V11V7.25V7.17V表5-2测试结果以及计算输入为第二个点的数值时，输入功率P=？，开关电源的效率η=？P=37.75Wη=61.7％六设计实践的体会和总结通过本次课程设计，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。（1）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。（2）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。课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过两个星期的课程设计，我对电子工艺的理论有了更深的了解。其中包括稳压电源的工作原理、焊接普通元与电路元件的技巧等等。这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。在实习中，我锻炼了自己动手能力，提高了自己解决问题的能力。通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，增强了独立工工作的能力。在这次设计中，我也遇到了不少的问题，幸运的是，最终一一解决了遇到的问题。在我遇到不懂的问题时，利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息及和同学之间相互讨论显得尤其重要了，设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过查阅大量有关资料,并在他人中互相讨论，交流经验和自学。若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。这次的制作也让我们感受到，我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在此感谢同学细致、一丝不苟的帮助。他们一直是我学习中的榜样；谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。与队友的合作更是一件快乐的事情,只有彼此都付出,彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。电子科技大学中山学院新型电源设计实践课程成绩评定表姓名学号班级题目难度1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）原理图设计1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）元件选择计算1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）仿真设计1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）PCB设计1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）安装水平1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）实物展示水平1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）作品测试结果