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课题三：降压型（BUCK）DC-DC电路的设计与制作姓名：学号：得分：一、实验目的1).学习和了解DC-DC变换电路的特点；2).掌握降压型（BUCK）DC-DC电路的结构和工作原理；3).熟悉强、弱电电路的隔离应用；4).培养电子电路的设计能力和基本应用技能。二、课题任务1）设计参数要求：①DC-DC主电路输入电压VI=12V；②输出电压:VO=5V；③输出电流：IO=1A；④输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV，即纹波≤1%；⑤额定输出功率PO=5W。2）PWM驱动信号：①PWM驱动信号频率fS=20kHz；②PWM驱动信号占空比可调；3）驱动电路：驱动电路应为单端输入、双端浮地输出。5）撰写完整的实习报告。三、实验原理BUCK电路就是降压电路，开关S闭合的时候，VD二极管承受负压关断，电感充电，电流正向流动，电流值呈现指数上升趋势。开关S断开的时候，VD二极管起续流作用，电感开始放电，电流逐渐下降，通过负载和二极管回到电感另外一端，短暂供电。这样电压就能降低。实际使用的时候，S开关是通过MOSFE或者IGBT实现的，输出电压等于输入电压乘以PWM波的占空比。开关电源总的来分有隔离型和非隔离型电路。所谓非隔离型电路是根据电路形式的不同，可以分为降压型buck电路、升压Boost型电路、升降压Buck-Boost型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路、Zeta型电路。我们这里主要分析降压型DC-DC转换器的工作原理，Buck电路如图1所示。图中功率MOSFET为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件;开关截止时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。控制电路输出信号使开关管VT导通时，滤波电感L中的电流逐渐增加，因此贮能也逐渐增大，电容器C开始充电。忽略MOSFET的导通压降，MOSFET源极电压应为Uin。图1降压变换器原理图当施加输入直流电压Ui后，降压型电路需经过一段较短时间的暂态过程，才能进入到稳定工作状态。在稳态工作过程中，降压型电路存在着滤波电感电流连续模式(ContinuousCurrentMode，CCM)和电感电流断续模式(DiscontinuousCur-rentMode，DCM)两种工作模式。电感电流连续模式是指滤波电感L上的电流iL总是大于0，而电感电流断续模式是指在开关关断期间，有一段时间iL=0。下面就分别分析这两种工作模式。1．电感电流连续模式当电感电流连续时，Buck型电路在一个开关周期内经历两个开关状态，即开关导通t0~t1和开关关断tl~t2两个时间段，两种开关状态电路如图2所示（图中虚线表示该段电路在该时段没有电流流过）。图2Buck电路CCM模式下开关状态(a)S导通；(b)S断开在t0~t1时段，如图2(a)所示，在t=t0时刻，开关S受激励导通，输入电压Ui通过开关S加到二极管VD、输出滤波电感L和输出滤波电容C上，二极管VD因承受反向电压而截止。开关S保持导通到t1时刻，流过开关S的电流is等于滤波电感电流iL。在这段时间内，加在滤波电感L上的电压为Ui-Uo，由于UiUo，这个电压差使电感电流iL线性上升，于是有（式3-1）当t=t1，Δt1=t1-t0=ton时，iL从最小值iLmin线性上升到最大值iLmax，iL的增量为（式3-2）式中：D=ton/T，称为占空比；ton为开关S的导通时间。在t1-t2时段，如图2(b)所示，在t=t1时刻，开关S关断。由于在t0~t1时段滤波电感L储能，电感电流iL通过续流二极管VD继续流通。在这段时间内，加在滤波电感L两端的电压为-Uo，电感电流iL线性减小。当t=t2，Δt2=t2-t1=toff时，iL最大值iLmax线性减小到最小值iLmin，iL的减小量为直到t2时刻，开关S再次受激励导通，开始下一个开关周期。（式3-3）对应于一个开关周期T的两个时段t0~t1和t1~t2内，电路中主要电压和电流波形，如图3所示。图3Buck型CCM模式下相关波形图从图3可以看出，开关S导通期间，电感电流iL的增量ΔiL+等于开关S关断器件电感电流iL的减小量iL-，即ΔiL+=iL-。将式(3-2)、式(3-3)代入，得到Uo=DUi(式3-4)式(3-4)表明，Buck型电路输出电压与占空比D成正比，且占空比总小于1，因此输出电压总是小于输入电压，这也是其成为降压型变换电路的原因所在，改变占空比即可输出电压。忽略电路损耗，输入功率与输出功率相等，即Pi=Po(式3-5)，因此有UiIi=UoIo(式3-6)，结合式(3-4)，得到Ii=DIo(式3-7)四、控制电路方案选择（a）控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：其控制方式可采用以下3种：(1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，即脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)方式。(2)保持开关导通时间tun不变，改变开关周期T，即脉冲频率调制(PulseFre-quencyModulation，PFM)方式。(3)ton和T都可调，即混合调制方式。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。图4SG3525引脚图（b）除了使用上述的SG3525设计PWM信号发生电路外，还可以使用555定时器设计PWM信号发生电路。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，一般用双极性工艺制作的称为555，用互补金属氧化物工艺制作的称为7555。555定时器通过外接电阻电容可发出占空比与频率可调的PWM信号，555定时器的芯片管脚图如图5所示，其作为PWM信号发生电路时的电路结构图如图6所示。图5555定时器管脚图图6555定时器作为PWM信号发生电路综合方案a与方案b，由于555定时器成本更加低廉，体积更小，调节PWM信号占空比，更改PWM信号频率更为方便，因此可采用方案b作为本课题的PWM信号发生电路。五、驱动电路方案选择IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。对于方案1可以用EXB841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片10端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。六、仿真及试验根据上述分析，用protues搭建仿真电路如下，图7系统原理图PWM信号发生电路产生的20kHz的PWM信号如图8所示，图820kHzPWM信号驱动电路产生的双端驱动信号如图9所示，图9驱动电路产生的双端驱动信号BUCK电路的输入与输出信号波形如图10所示，其中，蓝色为输入信号，红色为输出信号，图10BUCK电路的输入输出信号对比BUCK电路的输入与输出信号具体值如图11所示，图11BUCK电路的输入输出信号具体值观察图11可知，所设计BUCK电路的输入为12V，输出为5V左右，基本满足课题要求。七、元器件清单表1元器件清单序号品名规格/型号数量备注1BJT三极管2N3903(NPN)3无2BJT三极管2N3905(PNP)1无3二极管无9无4电阻RJ265/0.25W1无5电阻RJ735/0.25W1无6电阻RJ100/0.25W2无7电阻RJ5/0.25W1无8滑动变阻器RJ900/0.25W1无9555定时器5551无10电容37nF1无11电容10nF1无12电容20μF2无13电容520μF1无14电力MOSFET2N67821无15电感73μH1无16焊锡无特定要求若干无17直流稳压源无特定要求1无18数字示波器无特定要求1无19接插件2P3无20焊接版10cm*5cm1无21排针无若干无