根据BUCK变换器的电源设计.docx

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1、根据BUCK变换器的电源设计 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 2022100500521 刘连红 指导教师余翼 机电工程学院 2022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。我们要求这个开关电源

2、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 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

3、，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。 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 电路 图4-1 L

4、C 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

5、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4-2 buck变换器工作原理 3.芯片MC34063 M C34063包含了DC/

6、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、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

7、，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

8、联，静态电流0.125mA 。 5.mosfet 的选择 根据要求A I V V V V d ds gs 1,12,4。 在本次设计中选择IRF530N, A I V V V V d ds gs 17,100,4=。 6.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(min)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.

9、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。 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。 8.续

10、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。 元件清单 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工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

11、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，2022年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处

12、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 4.37V 10V 6.28V 6.22V 11V 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

13、 4.40V 4.38V 10V 6.18V 6.11V 11V 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，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

14、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

15、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。