基于Buck变换器的开关电源设计.docx

《基于Buck变换器的开关电源设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Buck变换器的开关电源设计.docx（8页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、基于Buck变换器的开关电源设计 基于Buck变换器的开关电源设计 摘要一个高可靠性的电源系统需要大功率宽电压输入范围的DC/DC变换，在充分考虑不同DC/DC变换器拓扑特点的基础上，选用Buck作为系统的电路拓扑。本文介绍了Buck电路的工作原理，对整个闭环结构进行设计与研究，并附以相关电路图表示。并选择符合规范的元器件，计算产品的成本。 关键词Buck拓扑；DC/DC；开关电源；MC34063 第一章概述 开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件（MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换效率高，体积小，重量轻，控制精度高等优点。 1.1基本要求 输入

2、直流9V-12V，输出5V，5W； 开关振荡频率40KHz。 1.2方案设计 采用MOSFET作为功率转换元件，MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。控制方案采用集成电路MC34063单路PWM控制芯片，极大简化电路设计。 第二章开关电源输入与控制部分设计 2.1 开关电源工作原理 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，图2-1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

3、电压减小，以此来控制输出电压的稳定。 图2-1 开关电源原理框图 2.2 Buck 调整器的基本工作方式 Buck 调整器的基本电路如图2-2所示，晶体管Q1与直流输入电压dc V 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on T 。Q1导通时V1点电压为dc V ，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T T V on dc /。LC 滤波器接于V1与

4、Vo 之间，它使输出点Vo 成为幅值等于T T V on dc /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ref V 比较， 被放大的误差ea V 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，ref O V R R R V =+?)21/(2。 图2-2 Buck典型拓扑及主要波形 2.3 电源管理芯片MC34063 MC34063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

5、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2-3 MC34063结构图 2.3.1 引脚功能 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。 2.3.2 外围电路参数设计 定时电容的选取根据公式：C 0.000004Ton，要

6、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R I W 2=0.3W 。此处选择0.5W ，0.3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 。 2.3.3 MOSFET 的选择 根据要求A I V V V V d ds gs 1,12,4。 在本次设计

7、中选择IRF530N, A I V V V V d ds gs 17,100,4=。 第三章 开关电源输出电路设计 输出电路采用LC 电路。 图3-1 输出滤波电路模型 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%。 3.1 储能电感的选择 电感电流的斜坡为)(12I I dI -=,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(m

8、in)I I I o -= 而且 L T V V L T V dI on on L /)(/01-= 式中1V 接近dc V ，所以 on on O dc on O dc I T V V dI T V V L 2.0)()(-= -= 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 。 H L 3651 1210255)512(56 =?-=- 此处选用470uH ，2A 的功率电感。 3.2 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

9、决定。 一般常用铝电解电容的RC 值近似为一个常数，为F ?-6108050。 利用典型ESR-容值关系，根据公式得： F C 100005.0/10506=?=- 选择16V ，1000uF 的普通铝电解电容。 3.3 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。第四章电路图与产品工艺 4.1 整体电路图 图4

10、-1 电路图 4-2 元器件清单 表4-1 元器件清单 第五章课程设计总结 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，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。在本方案中，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。 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，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。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。 参考文献 1 Abraham I.Pressman等. 开关电源设计.北京：电子工业出版社,2022 2 童诗白等.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社,2022 3 Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计.北京：人民邮电出版社，2022