開關(guān)電源課程設(shè)計--開關(guān)直流降壓電源（buck）

1、<p>　　電氣與電子信息工程學(xué)院</p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　設(shè) 計： 電力電子裝置設(shè)計與制作 </p><p>　　專業(yè)名稱：　電氣工程及其自動化　 </p><p>　　班 級： </p><p

2、>　　學(xué)　　號：　 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間： 2012/11/19～2012/11/30 </p><p>　　設(shè)計地點：

3、 </p><p>　　完成時間：2012年12月1日</p><p>　　開關(guān)直流降壓電源（BUCK）</p><p>　　摘要: 本次電力電子裝置設(shè)計與制作，利用BUCK型轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)16V-8V的開關(guān)直流降壓電源的設(shè)計。使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號從而控制MOS管的開通與關(guān)斷。為了將MOS管G極和S極隔離，本設(shè)計采用了推挽式放大電路。另外本設(shè)

4、計還加入了反饋環(huán)節(jié)，利用芯片自身的基準(zhǔn)電壓與反饋信號進行比較來調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，進而調(diào)整主電路的輸出電壓維持在一個穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：DC/DC；開關(guān)電源；Buck電路；TL494</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　This Power electronic equipme

5、nt design is used by BUCK to catch the goal of 16V-8VSwitch dc step-down power supply design. Use TL494 as control chip output pulse signal to control the opening of MOS tube and shut off. In order to make the MOS tube G

6、 pole and S pole separate, this design uses a push-pull amplifier circuit. In addition, the design also joined the feedback link to make the circuit more accurate and stable .</p><p>　　Key word: BUCK type co

7、nverter, Step-down power, TL494</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.概述及其方案選擇</p><p><b>　　1.1基本要求</b></p><p><b>　　1.2 方案設(shè)計</b></p>&

8、lt;p><b>　　系統(tǒng)功能及原理</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)總體框圖及電路原理圖</p><p><b>　　2.2基本電路</b></p><p><b>　　2.3主電路</b></p><p><b>　　2.4控制電路</b>

9、</p><p>　　3. 各模塊原理及器件選擇</p><p>　　3.1 電源管理芯片TL494</p><p>　　3.1.1 TL494 芯片主要特征</p><p>　　3.1.2 TL494 工作原理簡述</p><p>　　3.1.3 TL494脈沖控制</p><p>　　3.2

10、 Buck變換器</p><p>　　3.2.1 Buck變換器工作原理</p><p>　　3.2.2 Buck變換器的參數(shù)計算</p><p>　　3.2.3 TL494脈沖控制</p><p>　　3.3 MOSFET的選擇</p><p><b>　　3.4 輸出電路</b></p&

11、gt;<p>　　4． 實驗結(jié)果及其分析</p><p><b>　　4.1 實驗調(diào)試</b></p><p>　　4.1.1整體電路檢查</p><p>　　4.1.2 輸出電壓反饋回路的檢測</p><p>　　4.1.3 驅(qū)動電路的檢測</p><p><b>　　4

12、.2實驗結(jié)果</b></p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 概述及其方案選擇</p><p>　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率器件（MOSFET、三極管等）的導(dǎo)通和關(guān)斷時間來穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具

13、有轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點。開關(guān)電源與傳統(tǒng)線性電源相比有以下區(qū)別：</p><p>　　開關(guān)電源是直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖電流，將電能儲存到電感、電容元件中，利用電感、電容的特性將電能按預(yù)定的要求釋放出來來改變輸出電壓或電流的；線性電源沒有高頻脈沖和儲存元件，它利用元器件線性特性在負載變化時瞬間反饋控制輸入達到穩(wěn)定電壓和電流的。</p><p>　　開關(guān)電源可以降壓，也可以

14、升壓；線性電源只能降壓。</p><p>　　開關(guān)電源效率高；線性電源效率低。</p><p>　　線性電源控制速度快，波紋??；開關(guān)電源波紋大。</p><p><b>　　1.1基本要求</b></p><p>　　輸入直流10～12V，輸出6V；開關(guān)振蕩頻率23.4KHz。</p><p>&

15、lt;b>　　1.2方案設(shè)計</b></p><p>　　采用MOSFET作為功率轉(zhuǎn)換元件，MOSFET具有壓降小，輸入電阻高，動態(tài)特性好等特點?？刂品桨覆捎肨L494CJ脈沖寬度調(diào)制芯片，極大地簡化電路設(shè)計，而且該芯片是一種功能非常完善的PWM驅(qū)動電路芯片，適用于多數(shù)電路，性能穩(wěn)定，可靠性高，具有很大的現(xiàn)實意義。</p><p><b>　　2系統(tǒng)功能及原理&

16、lt;/b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體框圖及電路原理圖</p><p><b>　　2.2基本電路</b></p><p>　　開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如下圖2-3所示。</p><p>　　交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓

17、值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?       </p><p>　　控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路。控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。  </p>&l

18、t;p>　　圖2-3 開關(guān)電源的組成</p><p>　　開關(guān)電源中調(diào)整管工作在開關(guān)方式，只有導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電路，與基準(zhǔn)電壓進行比較并將二者的差值放大后送至脈沖調(diào)制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化。此脈沖信號作為開關(guān)管的輸入信號，使調(diào)整管導(dǎo)通和截止時間的比例也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平均值基本保持不變。</p>&

19、lt;p><b>　　2.3主電路</b></p><p>　　本次課程設(shè)計中采用降壓式開關(guān)電源（BUCK）。降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖2-4所示。當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時，二極管VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向Ｃ充電，這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感Ｌ感應(yīng)出左負右正的電壓，經(jīng)負載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感Ｌ中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路

20、輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路使用元件少，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。</p><p>　　圖2-4 降壓式開關(guān)電源</p><p><b>　　2.4控制電路</b></p><p>　　圖2-5 控制電路圖</p><p>　　芯片14腳輸出基準(zhǔn)電壓通過電阻分壓進入15號腳作來

21、與16號反饋信號進行比較的基值。從主電路輸出端引出的反饋信號即16號腳，與15號腳的基值進行比較，從面調(diào)節(jié)8號腳和11號腳輸出的脈沖信號的占空比，從而達到調(diào)節(jié)MOS管的開通與關(guān)斷的頻率與時間，最終實現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電壓值。本次設(shè)計選擇輸入12V，輸出6V。</p><p>　　3 各模塊原理及器件選擇</p><p>　　3.1 電源管理芯片TL494</p><

22、;p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。</p><p>　　3.1.1 TL494 芯片主要特征</p><p>　　·集成了全部的脈寬調(diào)制電路</p><p><b>

23、　　·內(nèi)置主從振蕩器</b></p><p><b>　　·內(nèi)置誤差放大器</b></p><p>　　·內(nèi)置5.0V參考基準(zhǔn)電壓源</p><p><b>　　·可調(diào)整死區(qū)時間</b></p><p>　　·內(nèi)置功率晶體管可提供最大50

24、0mA的驅(qū)動能力</p><p>　　·輸出可控制推拉電路或單端電路</p><p><b>　　·欠壓保護</b></p><p>　　3.1.2 TL494 工作原理簡述</p><p>　　TL494 是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電和一個電

25、容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率計算公式為：</p><p>　　輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1 和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。 </p><p>　　3.1.

26、3 TL494脈沖控制</p><p>　　控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。</p><

27、;p>　　脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)

28、在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下

29、，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494內(nèi)置一個5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的0</p><p>　　3.2 Buck變換器</p><p>　　3.2.1 Buck變換器工作原理</p><p>　　BUCK變換器又稱降壓變換器，它是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓。其基本

30、結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。</p><p><b>　　假定:</b></p><p>　　(l)開關(guān)晶體管、二極管均是理想元件，也就是可以快速地“導(dǎo)通”和“截止”，而且導(dǎo)通壓降為零，截止時漏電流為零;</p><p>　　(2)電感、電容是理想元件，電感工作在線性區(qū)未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零;</p><p&g

31、t;　　(3)輸出電壓中紋波電壓與輸出電壓比值小到允許忽略。</p><p>　　當(dāng)主開關(guān)Tr導(dǎo)通，如圖3-2所示， 流過電感線圈L，電流線性增加在負載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負。當(dāng)is >i。時，電容在充電狀態(tài)。這時二極管D承受反向電壓而截止。經(jīng)時間D1TS后，如圖3-3所示主開關(guān)Tr截止，由于電感L中的磁場將改變L兩端的電壓極性，以保持其電流不變。負載兩端電壓仍是上正下負。在&

32、lt;Io時，電容處在放電狀態(tài)，以維持Io、Vo不變。這時二極管D，承受正向偏壓為電流紅構(gòu)成通路，故稱D為續(xù)流二極管。由于變換器輸出電壓Vo小于電源電壓Vs，故稱它為降壓變換器。</p><p>　　其工作圖如下圖3-2和圖3-3所示</p><p>　　圖3-2Tr導(dǎo)通 圖3-3 Tr關(guān)斷</p><p>　　在一般的電路中是期

33、望BUCK電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的，在一個完整的開關(guān)周期中，BUCK變換器的工作分為兩段，其工作波形圖為:</p><p>　　圖3-4 BUCK電路在連續(xù)模式下的工作波形圖</p><p>　　3.2.2 Buck變換器的參數(shù)計算</p><p>　　在BUCK變換器電路中給定輸入電壓Vs的范圍、輸出電壓Vo、功率P輸出電流I。、紋波電壓的范圍△Vo，開關(guān)頻率

34、fs，就可以推出電路中L、C的參數(shù)值和所需要開關(guān)管和二極管的耐壓和耐流值，從而選定各自的型號。</p><p>　　從圖3-4中的iL波形圖可知，在開關(guān)管Tr導(dǎo)通期間(t0—t1)，電感電流上升量為 </p><p>　　在開關(guān)管關(guān)斷期間，電感電流的下降量為</p><p>　　由于穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量相等，即 所以由上述兩式可得:</

35、p><p>　　由上式整理得 </p><p>　　注意：D為占空比 </p><p>　　(l)儲能電感L的確定</p><p>　　由于產(chǎn)生脈沖的芯片相應(yīng)R＝4.7K歐姆，C＝103.則芯片產(chǎn)生的脈沖頻率為f=1.1/(RC).計算得f=23.4KHZ

36、.在電感充放電一個周期內(nèi)：</p><p><b>　　得 </b></p><p>　　開通時 </p><p><b>　　且</b></p><p>　　對于BUCK電路，開通時， t=D</p><p><b>　　

37、所以</b></p><p><b>　　故計算得出L</b></p><p>　　(2)濾波電容C的確定</p><p>　　流經(jīng)電容的電流是（ ），由于 對電容的充放電產(chǎn)生的紋波電壓 ，</p><p><b>　　代入數(shù)值得，</b></p><p>　　所

38、以電容選取103的瓷片電容。</p><p>　　輸出電容C2并非理想電容，可等效于串聯(lián)電阻（ESR）、串聯(lián)電感（ESL）與純電容C的串聯(lián)。對于低頻電路，ESL可以忽略。輸出紋波主要由ESR來決定。一般常用鋁電解電容的RC值近似為一個常數(shù)，為。利用典型ESR-容值關(guān)系，根據(jù)公式得： </p><p>　　選擇25V，2200uF的普通鋁電解電容。</p><p>　

39、　(3)續(xù)流二極管的確定</p><p>　　根據(jù)Buck變換器的工作原理，開關(guān)截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感儲能轉(zhuǎn)化為電能，二極管起到續(xù)流作用，二極管正向額定電流需大于負載電流，耐壓值大于輸入電壓，同時為了使截止到導(dǎo)通時間盡量短，選擇超快恢復(fù)二極管，根據(jù)本設(shè)計的要求，選擇正向電流不小于1A的超快恢復(fù)二極管。此處選擇FR107，最大恢復(fù)時間為500ns。</p><p>　　3.3 MOSF

40、ET的選擇 </p><p>　　實物圖 引腳圖 參數(shù)</p><p>　　切換時間電路測試 切換時間波形</p><p>　　開關(guān)管的峰值電流為： </p>&l

41、t;p>　　開關(guān)管的耐壓值為： </p><p><b>　　根據(jù)要求。</b></p><p>　　在本次設(shè)計中選擇IRF9Z34N型MOSFET。</p><p><b>　　3.4 輸出電路</b></p><p>　　輸出電路采用LC電路。</p><p

42、>　　當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當(dāng)開關(guān)管截止時，由于電感上的電流不能突變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負載，此時續(xù)流二極管導(dǎo)通，構(gòu)成閉合回路。電容起到濾波平滑輸出的作用。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，輸出電壓為6V,輸出電壓紋波小于2%，則輸出紋波電壓小于120mV。</p><p>　　4 實驗結(jié)果及其分析</p><p>&

43、lt;b>　　4.1實驗調(diào)試</b></p><p>　　在輸入端加12V的直流電壓，同時給TL494提供12V的直流電壓，輸入端與TL494共地，用示波器觀察TL494五號腳輸出波形，同時用示波器觀察電流采樣回路電壓。</p><p>　　4.1.1 整體電路檢查</p><p>　　在上述基礎(chǔ)上，用示波器觀察輸入端與TL494的5號引腳波形分別

44、如</p><p><b>　　下圖所示：</b></p><p>　　輸入端波形 TL494 5號引腳波形 </p><p>　　整體調(diào)試過程需反復(fù)多次嘗試，尤其是反饋電阻的調(diào)整，需要多調(diào)試幾次，這樣才能滿足設(shè)計要求，。</p><p>　　4.1

45、.2 輸出電壓反饋回路的檢測</p><p>　　檢測方法：用兩個獨立電源，一個電源（調(diào)到12V）用于給TL494供電產(chǎn)生驅(qū)動信號；另外一個電源（調(diào)到6V左右）加在輸出端；</p><p>　　反饋回路 輸出端口</p><p>　　用示波器觀察TL494的8號腳</p

46、><p>　　輸出波形，同時調(diào)節(jié)上圖中的R1（10K電位器），調(diào)節(jié)該電位器時，可先正旋轉(zhuǎn)，若長時間波形無變化，再反旋轉(zhuǎn)，當(dāng)看到某一瞬間波形突然消失時（可證明反饋回路有效），調(diào)節(jié)輸出端電源到6V，再微調(diào)電位器，直到在6V位置波形剛好出現(xiàn)，電源電壓再升一點波形消失的臨界狀態(tài)即可。</p><p>　　4.1.3 驅(qū)動電路的檢測</p><p>　　將TL494的地線和電源線

47、連接好后，外加12V直流電壓，用示波器觀察TL494的5號、8號引腳波形，觀察結(jié)果如下：</p><p>　　TL494 5號引腳鋸齒波 TL494 8號引腳方波</p><p>　　若無波形，則需對照原理圖檢測電路焊接是否有問題，主要有查看VCC，GND是否都各自連接到一起，芯片引腳是否焊接錯誤等。</

48、p><p><b>　　4.2實驗結(jié)果</b></p><p>　　通過以上調(diào)試操作進行電路調(diào)試后，完成對電路整體設(shè)計及實物設(shè)計的檢查校正，正常情況下輸入端輸入直流電壓12V后輸出端的輸出電壓應(yīng)為6V左右。完成電路調(diào)試后得到的輸入、輸出端的波形圖如下圖所示：</p><p>　　輸入端電壓波形

49、 輸出端電壓波形</p><p>　　由此可見，是屬于直流降壓型電源并且滿足輸出電壓比輸入電壓比為0~1之間即： ，其中0<D<1.</p><p><b>　　5設(shè)計小結(jié)</b></p><p>　　回顧此次電力電子裝置課程設(shè)計的兩個星期，我感慨很多。從理論到時踐，我遇到了很多困難，但是同時也學(xué)

50、到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實際問題的能力。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計，首先了解了開關(guān)電源的基本概念和它的組成部分，重點認識了PWM方式的開關(guān)電源的工作原理。通過對開關(guān)電源和線性電源的一個比較，確定了本次設(shè)計的方案。本次設(shè)計的降壓開關(guān)電源中，TL494和IRF9Z34N的是核心器件，本設(shè)計就是圍繞這兩個器件展開的。在方案選擇過程中，因為考慮到是

51、非隔離電源，使用集成PWM調(diào)制芯片簡化電路設(shè)計，在分析了UC3842，TL494等芯片的功能與參數(shù)后，選擇TL494作為控制方案，該芯片本身也有較強的驅(qū)動能力，可直接外接濾波電路與反饋電路來進行電源設(shè)計。在本方案中，通過直接外加輸入12V電壓進行驅(qū)動，而采樣電位器的運用方便、易調(diào)、易測，還可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。</p><p>　　對電路圖和參數(shù)的設(shè)計與校正，把理論的論證和實踐的參照相結(jié)合，進一步熟悉

52、了電路的原理和作用。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計，對模擬電子技術(shù)，電力電子技術(shù)和電子產(chǎn)品工藝等有了更深刻的認識，解決了很多實際性的問題。熟悉了一些電源芯片的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，并與Buck拓撲相結(jié)合，設(shè)計出符合要求的電路。在大量瀏覽課本、課外書籍與互聯(lián)網(wǎng)資料的過程中逐步積累知識和實踐能力，為今后的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。</p><p><b>　　參考文獻</b>&

53、lt;/p><p>　　[1]董國增, 《電氣CAD技術(shù)》北京:機械工業(yè)出版社, 2006</p><p>　　[2]王兆安,黃俊, 《電力電子技術(shù)》北京:機械工業(yè)出版社, 2000</p><p>　　[3]高頻開關(guān)電源實用新技術(shù), 劉勝利，機械工業(yè)出版社, 2006</p><p>　　[4]開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計和應(yīng)用，裴云慶，機械工業(yè)出版社,