基于BUCK变换器的电源设计.doc

1、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

2、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 1 2 3 负责人任务 选题 方案设计 流程图 原理图 仿真 软件设计电路图 元件采购 元件检测 焊接装配 硬件设计调试 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

3、 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

4、。 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

5、 电 路图 4-1 LC 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

6、管 Q1 与直流输入电压 串联，通dcV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 。Q1 导通时 V1 点电压为onT，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，dcV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。LC 滤波器接于 V1 与 Vo 之间，它使输出点 Vo 成为幅值等于Tondc/的直流电压。V采样电阻 R1 和 R2 检测输出电压 Vo，并将其输入误差放大器，

7、与参考电压比较，被放大的误差 被输入到脉宽调制器中，因此，PWM 输出的脉冲宽ref eaV度与误差放大器的输出电压成比例， 。refOVR)21/(图 4-2 buck 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 ， RS 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

8、、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 4-2 MC34063 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 100100kHz 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

9、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 0.000004Ton， 要 求 40KHz 工 作 频 率 时 ，C=100pF。 功 率 MOSFET 栅 极 驱 动 电 阻 选 择 10 。 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

10、 过 流 保 护 功 能 。 采样 电 阻 设 在 6、 7 脚 之 间 ， R=U/Imax=0.3 ， 电 阻 最 大 热 功 耗=0.3W。 此 处 选 择 0.5W， 0.3 大 功 率 电 阻 。RI2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 。IVVddsgs,4在 本 次 设 计 中

11、 选 择 IRF530N, 。AIVddsgs 17,0,46.储 能 电 感 的 选 择电 感 电 流 的 斜 坡 为 ,如 图 2-2（ d） 所 示 ， 当 直 流 电 流 等 于 电 感 电)(12IdI流 斜 坡 峰 峰 值 一 半 时 ， 进 入 不 连 续 工 作 模 式 ， 则/)(12(min)IIo而 且 LTVLTdIonon/)(/01式 中 接 近 ， 所 以1Vdc onOdconOdcIIV2.0)()(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。 L36125)(5此处选用 470u

12、H，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 。F61085利用典型 ESR-容值关系，根据公式得： F105./06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

13、 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MC34063

14、 AIC 0.50IRF530N IR 2.00HER101 HY 0.10.3 功 率 电 阻 - 0.0210 电 阻 - 0.0130K 精 密 电 阻 - 0.3010K 精 密 电 阻 - 0.30100pF 电 容 - 0.011000uF 电 容 RUBYCON 0.5470uH 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 Lab Center Electronics 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

15、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

16、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 5-1 proteus 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9V 4.41V 4.37V10V 6.28V 6.22V11V 7.28V 7.18V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

17、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9V 4.40V 4.38V10V 6.18V 6.11V11V 7.25V 7.17V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=？P=37.75W =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

18、 ， 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

19、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

20、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

21、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 1、好（ ） 2、较好（ ） 3、一般（ ） 4、差（ ）报告撰写水平 1、好（ ） 2、较好（ ） 3、一般（ ） 4、差（ ）课程设计成绩指导教师（签名）年 月 日