1、本 科 毕 业 设 计（2012 届）题 目 DC/DC 升压电源模块的设计系 电子工程专 业班 级学 号学生姓名指导教师完成日期诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文 DC/DC 升压电源模块的设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）： 年 月 日杭州电子科技大学本科毕业设计摘 要DC/DC 变换器是将一种直流电压变换为另一种所需的直流电压(固定或可调)。这种技术被广泛应用于计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业中，变换器还需要符合上述领域的安全标准。本文重点讲述了
2、DC-DC 升压型变换器的工作原理，描述了 DC-DC 变换器的控制方法，同时，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理，分析比较了它们各自的优缺点。本文设计了一款采用峰值电流控制型脉宽调制芯片 UC3842 设计的 Boost 升压型 DC-DC 变换电路，外接元器件少，控制灵活方便，输出电压稳定可调。在系统的硬件部分设计中，有三个部分组成，主要涉及到 Boost 拓扑结构电路、脉宽调制控制驱动电路、反馈闭环电路。在设计、制作、调试完整机之后，本系统基本能够达到预期的要求：1.在输入电压 15V-20V 范围内输出电压在 32-55V；2.最大输出电流达到 1A；3.DC/D
3、C 变换器的效率70%。 关键词：升压型 DC/DC 变换器；电流控制；电压控制；脉宽调制杭州电子科技大学本科毕业设计ABSTRACTDC-DC converter is one DC voltage is transformed into another DC voltage required (fixed or adjustable). This technology is widely used in computers, office automation equipment, industrial instrumentation, military, aerospace and ot
4、her fields related to national economy sectors, the converter also need to meet safety standards in these areas. This paper focuses on the working principle of step-up DC-DC converter. Describes the DC-DC converter control method. At the same time, expounds the pulse width modulation of voltage cont
5、rol mode and the basic principle of current control model, and analyses their advantages and disadvantages.This paper designs a using current peak control mode pulse width modulation UC3842 chip design Boost booster type DC-DC transform circuit，less External components, control is flexible and conve
6、nient, the output voltage stability can be adjusted.There are three parts of hardware in the system design, mainly related to the Boost topology circuit, PWM control circuit, feedback loop circuit.In the design, production and testing after the system achieves the desired requirements: 1.The input v
7、oltage range of 15V-20V Output voltage 32-55V; 2.The maximum output current of 1A; 3.DC-DC Converter efficiency 70%.Keywords: Step-up DC/DC converter; current control; voltage control; Pulse width modulation杭州电子科技大学本科毕业设计目 录1 绪论 11.1 设计目的及意义 .11.2 开关电源的发展综述 .21.3 本文主要工作与结构安排 .42 概述 52.1 DC/DC 开关电源概述
8、 .52.2 DC/DC 开关电源设计思路 .52.3 研发方向和技术关键 .62.4 主要技术指标 .63 总体设计 73.1 系统整体方案 .73.1.1 Boost 斩波结构部分 .73.1.2 脉冲调制驱动部分 83.2 系统性能指标 104 硬件设计 .114.1 Boost 主拓扑电路设计 114.2 控制芯片及外围电路 125 系统的制 作与调试 .165.1 系统电路的布局和布线 165.2 电路板的制作 165.3 系统组装 175.4 硬件电路的调试 175.4.1 Boost 电路调试 175.4.2 脉宽调制电路调试 .205.5 系统测试误差分析 225.6 系统性能
9、测试 226 结论 .24致 谢 .25参考文献 26附 录 .27杭州电子科技大学本科毕业设计11 绪论在如今的生活中，形形色色的电子设备越来越多，与人们的工作、生活的关系也日益密切。而电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力，因此电源系统的稳定性对于整个系统具有决定性的意义，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障 60%来自电源。因此，电源越来越受到人们的重视，人们对电源的要求也越来越高。经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。1.1 设计目的及意义现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区
10、，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。传统的稳压电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗较大，电源率较低。相对的，DC-DC 开关电源就可以适应现当代的电子设备对电源的要求，达成电子设备对电源的发展需求。其功耗小，效率可高达 70%-95%。散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的 30%） 、效率高（线性电源只有 40%） ，自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，又提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提
11、高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时音比率，维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪 90 年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大效益，从而得到迅速推广。分布式电源的发展及与 IT 技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术。DC-D
12、C 开关电源技术是分布式开关电源的关键技术，被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达 80%-90%，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC-DC 开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，而 DC-DC 开关电源的设计也更具挑战性。DC-DC 开关电源的核心部分 DC-DC 转换器是将固定的直流电压变换成可变的杭州电子科技大学本科毕业设计2直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 Ts不变，改变 ton（通用） ，二是频率调制方式，ton 不变，改变 T
13、s（易产生干扰） 。其具体的电路由以下几类 1： （1）Buck 电路降压斩波器，其输出平均电压 U0 小于输入电压 UI，极性相同。 （2）Boost 电路升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于输入电压 UI，极性相同。 （3）Buck-Boost 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 UI，极性相反，电感传输。 （4）Cuk 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 UI,极性相反，电容传输。本次的毕业设计,目的在于巩固电路、模拟电子技术和学习有关开关电源的基础知识,并能够学以致用,同时拥有分析、解决问题和动手的能力,以及一定的基于模拟电子技
14、术的研究设计能力。从另一方面来说，DC-DC 开关电源的技术追求也日趋高涨和发展趋势亦渐广泛，而且派生出发很多特殊的应用领域研制和开发的难度变得更大了，这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了。再者说，DC-DC 开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。1.2 开关电源的发展综述开关的电源的发展可分为以下几个时期：（1）电子管稳压电源时期（1950 年代） 。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。（2）晶体管稳压电源时期（1960 年代1970 年代中期） 。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。
15、（3）低性能稳压电源时期（1970 年代1980 年代末期） 。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在 20KHZ 以下，工作效率 60%左右。随着压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率 MOSFET 的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达 100HZ 以上，并且可并联大电流输出。（4）高性能的开关稳压电源时期（1990 年代-现在） 。随着新型功率器件和脉宽调制（PWM）电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠的混合集成 DC-DC 开关电源 2。国内开
16、关电源技术的发展基本上起源于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初。当时在高等院校和一些科研院所停留在试验和教学阶段。20 世纪 80 年代中期开关电源产品开始推广和应用。它的特点是采用 20KHZ 脉宽调制（PWM）技术，效率可达 65%-70%。目前，DC-DC 开关电源的功率密度可达到 7.3W/cm3(每立方英寸杭州电子科技大学本科毕业设计3120W)。当今的软开关技术在 DC-DC 开关电源中的应用使得 DC-DC 开关电源发生了质的飞跃。国外自 20 世纪 90 年代以来，开关电源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求又对开关电源提出了更新更高的挑战。如果从一个开尖电源的输
17、入和输出端口观察，可以发现输入的要求变得更严了，不符合 IEC1000-3-2 标准的产品将陆续被淘汰。也正是这样的外界条件推动了开关电源的有源功率因数校正技术和低压大电流高功率 DC-DC 变换技术成为了当今电力电子领域的研究课题。如今美国 VICOR 开关电源公司设计制造的多种 ECI 软开关 DC-DC 变换器，效率为：80%-90%。日本 Nemic Iambda 公司最新推出的采用软开关技术的高频 RM 系列开关电源模块，采用同步整流器，使整个 DC-DC 开关电源电路的效率提高到 90%3。由于开关电源功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优
18、点，而线性电源效率低，并且电压转换形式单一（只有降压）等缺点。如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代。随着技术的进步，开关电源将沿着以下几个方面发展：（1）小型化、轻量化和高频化。（2）高效率和高可靠性。（3）低噪声和良好的动态响应。（4）低电压、大电流、高功率。并且，DC-DC 开关电源也将朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展：1.专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，达到最佳的效率。对于小型便
19、携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积、减小待机功能，提供低输出电压、高输出电流以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。2.高频率：随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也随之减小，功率密度也得到大幅度提升，动态响应得到改善，小功率 DC-DC 转换器的开关频率将上升到 MHz。但随着开关频率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰（EMI）等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通（ZVS） 、零电流关断（ZCS）的软开关技将成为开关电源产品未来的主流。3.高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数
20、十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿命。杭州电子科技大学本科毕业设计4追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。4.低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。5.抗电磁干扰：当开关电源在高频下工作时，噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗电磁干扰的规范或标准，如美国的 F
21、CC，德国的VDE 等，研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要 4。1.3 本文主要工作与结构安排本课题主要工作是 DC-DC 升压电源模块电路的设计，主要完成以下工作。1. 对 DC-DC 升压电源模块的工作原理和系统性能进行了较为深入的研究。2. 对两种控制方式（电流型和电压型）进行了比较分析。3. 对整体电路系统进行设计。4. 绘制 PCB 版图。5. 进行焊接调试。本论文的结构安排依据工作进度，主要是做了以下安排：第一章为总体绪论；先说明了本次论文的计设目的及意义，而后介绍了开关电源的发展及发展趋势，最后对本文总体构造进行了说明。第二章概述了本次设计的 DC-DC 升压电源模块，设计
22、思路，研发方向和技术关键以及主要技术指标。第三章介绍了系统整体方案以及系统的性能指标。第四章详细描述了 DC-DC 升压电源模块的构成，工作原理；并重点分析了Boost 主拓扑电路设计与控制电路中的各参数设置，并详细介绍了其中用到的主要元器件，如 UC3842，主要有引脚功能、适用范围，基本工作原理等。第五章详细描述了系统的制作与调试，误差分析以及系统的性能测试。最后总结了本文的设计工作。杭州电子科技大学本科毕业设计52 概述2.1 DC/DC开关电源概述DC/DC 电压模块系统一般由主拓扑电路部分、开关管驱动部分和反馈闭环三部分构成。主拓扑电路部分：主要包括功率开关管、储能电感、续流二极管以
23、及滤波电容；开关管驱动部分：主要包括脉宽调制专用芯片以及必要的增强驱动功率开关管能力的电路；反馈闭环部分：主要包括采样输出电压以及误差放大电路5。图 2-1 所示的就是最基本的 DC/DC 开关电源系统。DC/DC 变换电路输 入输出 反馈开关管驱动电路图2-1 最基本的DC/DC开关电源系统2.2 DC/DC开关电源设计思路本文课题在于对 Boost 电路构成的 DC-DC 开关电源进行设计。在设计过程中主要任务有以下几个方面：1）熟悉掌握 DC/DC 变换器的基本组成和 DC/DC 变换器的工作原理。2）对整个系统分模块进行理论分析，其中包括 Boost 变换主电路模块、脉宽调制驱动模块、
24、反馈闭环模块。3）根据要求对电路进行设计和元器件的选型，并且掌握每个元器件所起的作用，特别是电感磁性元件、UC3842 所组成的脉宽控制电路。4）在进行电路布线时一定要注意元器件的布局、信号干扰、模拟电路与数字电路之间的相互影响等问题，在很大程度上决定着你的调试时间长短，最终结果正确与否。5）进行电路的调试，在这一环节一定要仔细分析问题的所在，比如是模拟电路还是数字电路问题、控制还是反馈问题等。只有正确查找出问题才能对症下杭州电子科技大学本科毕业设计6药，可大大缩短调试时间。6）系统的功能性测试及其电路的优化，其主要有 DC/DC 的转换效率、输出电流等电源主要参数。通过这一过程让整个系统达到
25、更好的效果。2.3 研发方向和技术关键 6现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳管工作在开关状态。传统的稳压压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗大，电源效率较低。相对的，DC-DC 开关电源就可以适应现当代的电子设备对电源的要求，达成电子设备对电源的发展需要。其功耗小，效率可高达 70%-95%。散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的
26、30%） 、效率高（线性电源只有 40%） ，自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，又提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。随着电子技术的飞速发展,集成电路工作电压越来越低,工作速度越来越高,输出电流能力越来越大，要求其供电电路小体积、低电压、高效率、大电流输出,这一趋势对供电电路的设计提出了严峻的挑战。目前，设计优秀的 DC/DC 电源转换器有高达 95%以上的转换效率。较高的系统效率不仅可以延长电池使用周期,也可以进一步减小设备体积。经分析不难发现
27、，DC/DC 电源的系统效率一方面受限于电源系统本身的耗能元件，如电源内阻、滤波器阻抗、连接导线及接触电阻等；另一方面与 DC/DC 电源转换器的工作状态和电源参数也有很大关系，合理地配置这些设计参数可以改善系统效率。电源内阻的耗能会使电源本身的效率降低，同时也影响到 DC/DC 电源转换器的输入电压，因而也影响 DC-DC 电源转换器的转换效率。在极端情况下，DC/DC 电源转换器会进入非正常状态，严重时系统将完全停止工作，即使能正常工作也会严重损失系统效率。所以在设计中合理选择电源电压、减小电源内阻、正确选择 DC/DC 电源转换器的工作点可以有效地改善DC/DC 电源的系统效率。DC/D
28、C 电源电源系统的优化设计关键在于正确分析电子设备各部分之间（尤其是电源和 DC/DC 电源转换器之间）的相互作用，找出影响电源系统效率的主要因素。2.4 主要技术指标1、在输入电压 15V-20V 范围内输出电压在 32-55V 之间；2、最大输出电流达到 1A；3、转换效率70%；杭州电子科技大学本科毕业设计73 总体设计3.1 系统整体方案 7本次设计将做一个 DC/DC 升压电源模块，通过 UC3842 控制电路的控制来实现系统输出电压。在系统的硬件部分设计中，主要涉及到 Boost 拓扑结构电路、脉宽调制控制驱动电路、反馈闭环电路。系统结构框图如图 3-1 所示。UC3842振荡电路
29、和补偿电路功率开关管 S电流取样Rs 反馈Vcc输出 Vo整流滤波储能电感 L输入 Vi图 3-1 系统结构框图3.1.1 Boost 斩波结构部分开关变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关器件和储能器件的不同配置。开关变换器的拓扑结构分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件“变压器”来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流） 。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素选定的。DC/DC 拓扑的种类繁多，对于大多数电源产品的设计者来说，挑选合适的拓扑结构
30、是一项非常艰巨的任务。图 3-2 为本系统 Boost 拓扑电路图，开关的开通和关断受外部 PWM 信号控制，电感 L 将交替地存储和释放能量，而电容 C 可将输出电压保持平稳，通过改变PWM 控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。电路结构较为简单，拥有开关电源固有的特性损耗较小，效率较高的特点 8。杭州电子科技大学本科毕业设计8GDSI1RF540N9mHL6nductor 70%根据测试结果，转换效率介于 73%-79%之间，最高可达 79.3%输出电流最大达到 1A根据测试结果，输出电流到达 1A 时，输出电压下降明显最后分析下影响最大输出电流的原因：1、测试中发现取样电阻 Rs
31、的大小对于输出功率有较大的影响，减小取样电阻 Rs 的阻值可以改善输出功率，提高输出电流，但由于元器件的紧缺，使用的 Rs 取样电阻实际值只有 0.22 欧姆，未达到系统要求的小于 0.1 欧姆的标准；2、可以加粗系统的布线；3、开关频率对MOS 管的损耗有很大影响，频率越高，损耗越大，MOS 管发热也就越严重，从而影响输出功率；4、开关管和续流二极管允许通过的最大电流的限制；5、磁芯选择不当也会影响输出电流的大小，若磁芯选择不当当其流过一定强度电流时，使得磁芯达到饱和。6 结论开关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，高频开关电源中，DC-DC 变换是其核心。随着半导体
32、技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地杭州电子科技大学本科毕业设计25要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是开关电源研究的一个重要方向，这需要研究 DC-DC 变换器的拓扑结构，新的材料，高性能的电子元器件等。本系统采用峰值电流控制型脉宽调制芯片 UC3842 的 Boost 升压型 DC-DC 变换电路，外接元器件少，控制灵活方便，输出电压稳定可调。UC3842 的峰值电流控制对开关管进行过电流保护非常方便，而输出负载过电流保护功能则通过继电器来实现。整个电路调试容易，工作稳定，可靠性高，效率达
33、70以上，制作成本也很低。另外，可根据具体的电路指标要求，对电路灵活控制、变动，设计出其他的应用电路。通过本次系统的设计，我学到了很多以前没有接触过的知识和方法，深刻体会到以下几点：（1）一定要要把基础理论知识弄清楚，因为很多复杂的电路，其本质都是由基本的电路构成。所以，在进行理论设计之前，最好把以前学过的数电、模电、高频、通信等知识再温习一遍。（2）要学会分析问题和解决问题，因为理论和实践有时会存在很大的差距，所以当出现问题时，一定要正确的分析问题所在地。可以向老师和有经验的同学请教，他们独到的见解有时让自己恍然大悟。（3）正确掌握实验仪器的使用，对系统的调试是非常有帮助的。其主要的仪器有单片机仿真器、烧录器、数字示波器等。在设计这款电源，大致了解了开关电源的设计步骤及方法，并积累了一定的设计经验。通过对功率器件及 UC3842 芯片的学习、研究，对功率 MOSFET 的结构特性有了一定程度的了解，对今后的工作也有很大的帮助。当然，由于水平和经验的限制本次设计有不足之处还应在以后的学习研究中不断的进取。致 谢
