DC-DC升压稳压变换器设计剖析(共16页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计报告课程明称电子技术题 目 DC-DC升压稳压变换器设计系 部 专 业 班 级 姓 名学 号 指导老师 2014年1月6日 目 录摘 要1一 设计目的.1二 设计要求.1三 开关电源简介.1四 DC/DC变换器原理.2 4.1Booster型DC/DC变换器.2 4.2Buck型DC/DC变换器.3 4.3Buck. Booster型变换器4 4.4Cuk型变换器5 4.5pwm工作方式.5 4.6PFM工作方式.6 4.7PSM调制模式.6五 .外围元器件的选择.6 5.1电容的取值.7 5.2电感的取值.7 5.3运放的选择.8 5.4功率输出级的设计8六

2、方案分析.9七电路设计.10 7.1复合管准互补推免电路的实现.10 7.2整体电路原理图.10 7.3对电路各部分的定性说明及定量计算.11 7.4直流稳压源.11八保护电路.12九.安装调试.13十心得体会.13十一.参考文献.13摘要本文设计了一款升压式DCDC变换器，输入电压范围为27V到55V，适用锂离子电池供电的便携式设备，可输出高达18V的稳定输出电压，负载电流最大达200mA。电路采用电压控制型PWM方式调制，内建频率为1SMHz的振荡器。采用同步整流技术提高系统效率。同时对升压型变换器的模型建立进行了研究，设计了过温关断、欠压锁定等保护电路来提高系统可靠性。此升压式DCDC变

3、换器的子模块由带隙基准电压源、误差放大器、PWM比较器、钳位电路、振荡器、系统补偿电路等单元电路组成。一、设计目的根据设计要求，完成DC-DC升压稳压变换器的设计。进一步加强对模拟电子技术知识的理解和对Protel软件的应用。学习DC-DC升压稳压变换器的设计方法与小型电子线路系统的安装调试方法。二、设计要求内容要求：设计一个将110V升高到220V的DC-DC变换器。三开关电源简介电源一般按习惯可以分为线性稳压电源(LDO)和开关稳压电源。开关电源就是利用现代电力电子技术与微电子技术，控制半导体功率开关器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它代表着稳压电源的发展方向，现己成为

4、DCDC稳压电源的主流产品。它通过用电子线路组成开关式(方波)电路来达到对电能的转换。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以上，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源的发展经历了几个时期管稳压电源时期(1950年代)i晶体管稳压电源时期(1960年代1970年代中期)、低性能稳压电源时期(1970年代1980年代末期)、高性能的开关稳压电源时期(1990年代至今)。由于开关电源功耗小、效率高(可高达7095)、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点，而线性电源效率低(一般低于50)，并且电压转换形式单一(只有降压)等缺点，如

5、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、纹波小的优点，在一些电子测量仪器、代线性电源ADDA和取样保持电路中，线性电源仍然无法被开关电源取代。开关稳压电源与线性稳压电源相比，其优点是小型、轻量、效率高。它的这种优点适应电子设备的轻、薄、短、小与节能的要求，其应用范围迅速扩大。目前它已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选。驱动集成电源市场蓬勃发展的主要原因有两个：首先是在提高性能的基础上，所有电子设备中使用的硅组件正不断增加；其次是消费性电子产品大量数字化的结果。四DCDC变换器原理分析开关电源DCDC变换器是将一种直流电压变换成另一种固定的或者可调的直

6、流电压，也称为直流直流变换器，它利用无源元件电感和电容的能量储存特性，从输入电压获得能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感中，或者以电场的形式存储在电容之中，然后将其变换到负载，实现DCDC变换便携式电子产品通常需要多种电压，但是这些产品只能由一组电池供电，因此所需要的各种直流电压必须通过DCDC变换器供给。根据输入电路与输出电路的关系，DCDC变换器可分为几种类型，降压型(Bulk)，升压型(Boost)和升压降压型(Boost-Bulk)和反相型(Cul【)DCDC变换器。下面分别介绍这几种变换器的工作原理。41 Boost型DCDC变换器下图是Boost型DCDC变换器拓扑结构，SW是受

7、控制电路决定的周期性导通的开关， L为升压电感，D为续流二极管，C为滤波电容。+图2I Boost变换器拓扑结构开关导通时，输入电压加载在储能电感的两端，能量被储存在电感中而不传递给输出端，根据电感方程，有：由此可以推出：设输入电压保持不变，则有：其中五岫为开关SW导通前流过电感L的电流，由此可以看出，开关导通后，电感上的电流线性上升，开关上的电流也呈线性上升，在t=-t。时刻，当开关导通的状态终止时，电感电流达到最大值：开关断开时，电感电压反向，该电压和电源电压叠加后，通过二极管D和负载电容C加载到负载两端，电感储存的能量通过二极管传递给输出端，同时直流源也给负载提供能量。则有：在t。时刻，

8、流过电感L的电流为：当t-tl=to行时，流过电感的电流最小，其值为：将ILmin的表达式带入ILm戤的表达式中，得：该式经整理后可得：由上式可以看出，该电路的输出电压高于输入电压，所以将其称为升压型DCDC变换器。工作过程中，开关的导通时间ton或关断时间ton都可以改变变换器的输出电压。4.2 Buck型DCDC变换器下图为Buck型DCDC变换器结构示意图。SW是受控制电路决定的周期性导通的开关，L和C分别为电感和滤波电容，D为整流二极管。与前文中对Boost变换器的讨论相类似，根据稳态时电感电流的净增加量和净减少量要相等，得到Buck型变换器输入输出关系：在电感电流连续的条件下：在电感

9、电流不连续的条件下：其中，其中D为开关SW的导通占空比j D2为二极管的导通占空比。4.2 BuckBoost型变换器BuckBoost变换器是降压升压混合电路，其输出电压可以小于输入电压，也可以大于输入电压，且输出电压极性与输入电压相反。图为Buck-Boost电路的拓扑结构。+在电感电流连续的条件下，得到： 在电感电流不连续的条件下，得到：其中D为开关SW的导通占空比，D为二极管的导通占空比。由上式可知，当D05时，BuckBoost电路是升压电路：4.3Cuk型变换器Cuk变换器其实是由Boost和Buck两种变换器组合而成。下图所示是一个Cuk变换器。它可以拆分成上面两种电路。Cuk型

10、电路的最大优点是工作在连续工作模式下时，它的Boost部分提供一个非常平滑的输入电流。Buck部分提供平滑的输出电流。与前文讨论类似，在电感电流连续的条件下，得到：在电感电流不连续的条件下，则有：由上式可知，当D05时，Cuk电路是升压电路。Buck-Boost电路和Cuk电路都是升降压型混合电路，故有很多共同特性，不同之处是Cuk电路借助电容来传输能量，而Buck-Boost电路借助电感来传输能量。4.4 PWM工作方式PWM工作方式是指保持工作频率恒定，通过改变功率开关管的导通时间或者截止时间来改变占比的一种调制方式，是目前功率变换器中应用最为广泛的一种控制方式。工作原理：首先对被控输出电

11、压进行检测，得到反馈电压，将其加至运放的反相输入端，另一个精确的基准参考电压加至运放的同相输入端。反馈电压与基准电压比较后输出直流误差电压，加至PWM比较器的同相输入端，另一个固定频率的振荡器产生锯齿波信号加至比较器的反相输入端，二者经过PWM比较器，输出一方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压变化而变化，实现脉宽调制。PWM控制的实质就是在输入电压，内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关管的导通时间(即脉冲宽度)，保持脉冲的周期不变来达到稳定输出电压的目的pJ。PWM反馈控制分为电压控制和电流控制。4.5 PFM工作方式PFM是保

12、持方波宽度不变，调节开关管的截止时间，通过改变脉冲频率来稳定输出电压。其特点是：输出取样值控制频率控制器，占空比变化范围大，效率高，功耗低，输出电压的可调范围比PWM方式大。并且在负载变化范围大的情况下，可得到较高的效率。但是，滤波电感为了能适应较宽的频段，其体积和重量必定也要增大。工作原理：取自输出端的反馈电压加在误差放大器的反相输入端，另一个精确的基准电压加在误差放大器的同相输入端，二者之间的压差被放大后去控制可变频率控制器。可变频率控制器是一个压控频率变换器，提高输入电压就能提高输出脉冲的频率。输出电压的改变就是通过调整开关频率得到调整的。PFM控制的实质就是在轻负载的情况下，变换器只有

13、比较稀的脉冲群，在脉冲群与脉冲群之间个基本点功率管都关断，电路空闲不工作，电感电流为零。在这个过程中，输出电容为负载提供电流。当输出电容放电，使得电压低于基准电压时，变换器重新工作，再产生一些脉冲群，使得输出电容被充电。显然，电路中与负载无关的损耗减小，随着负载电流的减小，空闲时间增加。4.6、PSM调制模式PSM是通过改变有效工作频率来改变输出功率的控制方式。其开关损耗与输出功率成正比，效率几乎与负载无关。工作原理：控制器对输出电压进行检测，如果在一个时钟周期内输出的电压值低于额定值，则这个周期内开关管导通。否则开关管截止。这样就可以使得输出电压稳定在额定值左右。PSM通过控制开关管在一个周

14、期内是否导通来调节输出功率。在达到稳定后，开关管的平均工作频率，即有效频率由负载决定。如果负载足够大，开关管将在每个周期内导通，此时有效频率达到最大工作频率f=1T。在一般情况下，开关管只在部分周期内导通，此时有效频率fc将小考虑到PWM调制方式控制电路简单，灵活，动态响应比较好，文中设计采用PWM调制方式。五、外围元器件的选择在选择外围电路的器件参数时，需要考虑到以下几个因素根据工作模式和电流能力选择电感型号，包括最大饱和电流和电感值。电感应选择直流电阻较低，饱和电流较大的功率电感。当流经电感的电流较大时，由于磁芯的饱和将使实际电感值下降，所以应选用饱和电流大于实际流过电感的峰值电流的电感。

15、过小的电感量将会使电感电流不连续造成电流输出能力降低，输出纹波较大。感值过大会造成瞬间响应变差，并增加DCDC变换器的体积。电感值的选取应当以实际输入输出条件及对输出纹波瞬态响应等要求为依据。综合考虑电源纹波、体积和成本，选择电容容量适中、漏电电流小的电容。5.1电容的取值对于Boost拓扑，输入电压最小时是其最恶劣的情况，因为这时占空比最大，制了电容取值。在每个周期T时间内，在0rDT时，输出电容与电感隔离，电容为负载提供能量：Q=IoDT=qAV 取乇典型值为150mA，频率为15MHZ，D为85，要求y 2; 1.25A; 3W;TIP31NPN型大功率管的参数为：=5.0A; =40V

16、; =40W,均能满足设计要求。、电阻阻值估算、用来减小复合管的船头电流，太小会影响复合管的稳定性，太大又会影响输出功率，一般取几百欧姆，在此取=330，为管输入端的等效输入电阻，其大小为：=+（1+）输出管、的发射极和集电极所接电阻一般取=(0.050.1) 0.5;、的阻值大小要根据输出级输入信号的幅度和前级运放的最大输出电流来决定。电路的静态工作点主要由决定，过小会使晶体管工作在乙类状态，产生交越失真，过大会增大静态功耗而使功率放大器的效率降低一般取=1.5mA,由=计算得=10k;取1 k，用来调整电路的对称性。六、方案分析1、DC-DC升压变换器的工作原理 DC-DC功率变换器的种类

17、很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。图1（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由功率开关管VT、储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD组成。电路的工作原理是，当控制信号Vi为高电平时，开关管VT导通，能量从输入电源流入，储存于电感L中，由于VT导通时其饱和压降很小，所以二极管D反偏而截止，此时存储在滤波电容C中的能量释放给负载。当控制信号Vi为低电平时，

18、开关管VT截止，由于电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D导通，此时存储在电感L中的能量经二极管D对滤波电容C充电，同时提供给负载。七、电路设计设计框图：运放ICOCL功放 In电路分析与计算：、复合管准互补推挽电路的实现电路图如下图所示：由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的对称性，为了提高功放电路的性能，在实际电路中广泛采用复合功率管。在图中，、为同型的NPN大功率管，容易配对，可以输出较大的电流；、采用异型的NPN和PNP小功率管，也容易配对。这样既获得良好的对称性又获得较大电流输出。在实际电路中，、的发射极和集电极分别接上

19、一个电阻，使、能有一个合适的工作点。的作用是调整电路的整体对称性，减小因管子性能而引起的不对称性。、整体电路原理图为：、对电路各部分的定性说明及定量计算、直流稳压电源设计框图：电路原理图如下：图中构成单相桥式整流电路；组成电容滤波电路，这里需要大容量的电容，一般采用电解电容，为了确保安全及输出电压的稳定性，选用容量为2200F的电解电容。LM317和LM337分别为三端可调正稳压和负稳压器，输出范围分别为1.2V37V和-1.2V-37V。整个电源的电压输出范围为：015V和0-15V,能够满足音频功放所需。八、保护电路电路上电启动时，为了避免电源电压的波动对系统稳定性造成影响。需要一个欠压锁

20、定电路，目的是在输入电压低于某个阈值电压下，器件关断隔离输入输出。设计思路：通过电阻分压对输入电压进行采样，比较采样电压和基准电压，若采样电压低于基准电压，输出高电平，通过逻辑控制使芯片进入欠压锁定状态。采样电压高于基准电压时，输出低电平，使电路正常工作。设计原理图如上面所示：属，是，恐为分压电阻，采样电源电压vin后，与基准压Vref进行比较，输入电压正常时，A点电压高于Vref，比较器输出为低，将MNI管关断，UVLO信号为高。电压电压开始下降，到满足临界条件： A点电位下降到低于，使得比较器翻转，UVLO输出为低。同时开启MNI管将玛短路。使A点电位更低。上升到满足临界值：UVLO信号再

21、次翻转。也就是说欠压锁定电路为输入电压设定了上升和下降的翻转阈值电压，一定的迟滞范围避免了临界值附近欠压锁定信号可能的反复翻转。所以欠压锁定信号的翻转阈值电压：九、安装与调试 按照设计好的电路原理图进行制板，完成后按顺序将所用元器件依次焊接到做好的PCB板上，焊接的过程中要尽量避免虚焊。整个电路焊接完成后进行测试。用万用表测得中点电位为30mV符合设计要求。其他各项指标参数需到实验室借助有关仪器进行测试。十、心得体会本次课程设计至此已经接近尾声，设计的时间虽然不是很长，但在整个设计过程中收获颇丰。整个课程设计过程中首先对模拟电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运

22、用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对模拟电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；以前的模电实验只是针对某一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。另外，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。 十一、参考文献1华成英，童诗白. 模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，2006.12网上相关资料。专心-专注-专业