開關(guān)電源課設(shè)報(bào)告

1、電氣與電子信息工程學(xué)院«電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)報(bào)告名稱： 開關(guān)直流降壓電源（BUCK設(shè)計(jì)專業(yè) 名稱：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)： 14級(jí)專升本（1）班學(xué)號(hào)：0125姓名：指導(dǎo) 教 師：南光群、張智泉、葉天鳳課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2015年11月30日一12月10日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：K2-4 14和 K2- 306實(shí)驗(yàn)室電力電子裝置設(shè)計(jì)與制課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓名學(xué)號(hào)0125專業(yè)班級(jí)14電氣工程及其自動(dòng)化專升本 （1）班課程設(shè)計(jì)題目：開關(guān)直流 降壓電源（Buck）設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)答辯記錄：1、開關(guān)元件的選擇要考慮那些因素答：1.開關(guān)管的耐壓值，2.電流的最大值，3與開關(guān)頻率有關(guān)2、TL494有幾種輸

2、出控制方式答：TL494有2中輸出控制方式，當(dāng)輸出控制（13）引腳接地時(shí)，輸出控制方式為 單端模式，其輸出頻率等于RC的振蕩頻率；當(dāng)輸出控制（13）引腳接參考電壓時(shí)， 輸出控制方式為推拉模式，輸出頻率等于 RC振蕩頻率的一半。成績(jī)?cè)u(píng)定及依據(jù)：1. 課程設(shè)計(jì)考勤情況（20% :2. 課程設(shè)計(jì)答辯情況（30% :3. 完成設(shè)計(jì)任務(wù)報(bào)告規(guī)范性（50% :最終評(píng)定成績(jī)（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）：指導(dǎo)教師簽字:«電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20152016學(xué)年第一學(xué)期學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化 14級(jí)專升本1班指導(dǎo)教師：南光群、張智泉、葉天鳳 工作部門：電氣與電子

3、信息工程學(xué)院一、課程設(shè)計(jì)題目：開關(guān)直流降壓電源（BUCK設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)題目選擇合適的輸入輸出電壓進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在 Protel或OrCAD軟件 上進(jìn)行原理圖繪制；滿足設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行硬件制作和調(diào)試。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不滿 足要求，則修改設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。設(shè)計(jì)題目選：題目一：開關(guān)直流降壓電源（BUCK設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：1）輸入交流電壓220V （可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在14-18V之間。3）輸出直流電壓11V,輸出電壓紋波小于2%4）輸出電流1A。5）采用脈寬調(diào)制PWMfe路控制。三、進(jìn)度安排序 號(hào)名稱時(shí)間1下發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)書，布置設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì) 時(shí)間安排。一天2掌握鋸

4、齒波產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、控制電路的 工作原理一天3掌握穩(wěn)壓電源電路工作原理半天4繪出原理框圖以及各部分電路的詳細(xì)連接圖一天5學(xué)會(huì)借用電子線路CADE確繪制電路圖；一天6掌握焊接技術(shù)以及MOSFET二極管、三極管等器件 的檢測(cè)方法半天7掌握電路的安裝與調(diào)試一天8根據(jù)直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理設(shè)計(jì)電路圖一天9了解電子電路板的制作過(guò)程半天10學(xué)習(xí)電路原理圖及印制電路板圖的讀圖方法半天11掌握穩(wěn)壓開關(guān)電源的檢測(cè)與調(diào)試一天12書寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告一天四、基本要求1、獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖各部分電路的設(shè)計(jì)；2、制作硬件實(shí)物，演示設(shè)計(jì)與調(diào)試的結(jié)果。3、寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。內(nèi)容包括電路圖、工作原理、實(shí)際測(cè)量波形、調(diào) 試

5、分析、測(cè)量精度、結(jié)論和體會(huì)。4、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告：不少于3000字，統(tǒng)一復(fù)印封面并用A 4紙寫出報(bào)告 封面、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 摘要，關(guān)鍵詞（中英文） 方案選擇，方案論證系統(tǒng)功能及原理。（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）各模塊的功能，原理，器件選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析設(shè)計(jì)小結(jié)附錄-參考文獻(xiàn)目錄目 錄 0摘 要 0Abstract 01 方案設(shè)計(jì)與論證 1.總體方案的設(shè)計(jì)與論證 1.開關(guān)管的選擇 1.模擬控制芯片的選擇 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.系統(tǒng)總體組成框圖 2.電路原理圖 3.3 功能及器件的選擇 4.主電路元器件的選擇 4.電感的選擇 4.輸出濾波電容的選擇 5.MOSFE開關(guān)管的選擇5.二極管的選擇6.PW

6、M控制的設(shè)計(jì)7.鋸齒波的頻率的計(jì)算 7.4 仿真分析 7.仿真模型 7.仿真結(jié)果及分析 8.5 實(shí)物結(jié)果及分析 1.0.實(shí)物圖 1.0.實(shí)物結(jié)果及分析 1.0.6 設(shè)計(jì)小結(jié) 1.4.參考文獻(xiàn) 1.5.摘要本次電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作，利用 BUCK型轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)14V-18V的開關(guān) 直流降壓電源的設(shè)計(jì)。使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號(hào)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(jì)采用了推挽式放大電路。另 外本設(shè)計(jì)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(hào)進(jìn)行比較來(lái)調(diào) 節(jié)輸出脈沖的占空比，進(jìn)而調(diào)整主電路的輸出電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定的電壓狀態(tài) , 采用模擬PI調(diào)節(jié)

7、器實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的快速調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作；TL494采用RC振蕩電路來(lái)產(chǎn)生鋸齒波來(lái)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的載波，控制開關(guān)管的開關(guān)頻率。關(guān)鍵字 ： 降壓電源推挽式放大電路開關(guān)頻率AbstractThis Power electronic equipment design is used by BUCK to catchthe goalof16V-8VSwitchdc step-downpowersupplydesign.Use TL494ascontrol chipoutput pulsesignalto control the openingofMOS tube and shut off.In ord

8、er to make theMOS tubeGpole and Spole separate,thisdesignuses apush-pullamplifier circuit.In addition,thedesignalso joined the feedback link to make the circuit more accu rate and stable,PI analog regulator circuit for fast regulation of that system stability;TL494 RCoscillator circuit to generate a

9、 sawtooth wave as the carrier drive signal, control the switching frequency of theswitching tube.push-pull amplifier circuitKeyWord:step-down power supplySwitching frequency1 方案設(shè)計(jì)與論證總體方案的設(shè)計(jì)與論證方案一：采用低壓線性穩(wěn)壓管（LDO來(lái)設(shè)計(jì)電路。其優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩(wěn)定， 噪音小，所以外部電路比較簡(jiǎn)單。 不足之處在于輸入和輸出電壓的差值不能太大， 效率較低，其負(fù)載電流相對(duì)較小。方案二：采用BUCK!壓電路。該電路是負(fù)

10、載電流大，效率高，發(fā)熱小。由 于是通過(guò)開關(guān)管的開通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換， 所以紋波和噪音較大， 需要較 多額電容濾波。但考慮本次設(shè)計(jì)的需求，所以選擇該方案。綜上所述，故選擇BUCK!壓電路。開關(guān)管的選擇方案一：采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。IGBT的功率容量大，但是開關(guān)頻 率較低，同時(shí)在關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流，需要加一個(gè)負(fù)電壓讓 IGBT可靠的關(guān)斷， 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較高。方案二：采用電力MOSFET電力MOSFE是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，因 此所需驅(qū)動(dòng)功率小、 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單； 又由于是靠多數(shù)載流子導(dǎo)電， 沒有少數(shù)載流 子導(dǎo)電所需的存儲(chǔ)時(shí)間， 是目前開關(guān)速度最高的電力電子器件， 而在本電路中

11、功 率不是很大。綜上所述，故選擇電力 MOSFE器件。模擬控制芯片的選擇方案一：采用UC3842莫擬控制芯片。UC3842是采用峰值電流模式控制的集 成PWMI制器，專們用于構(gòu)成正激型和反激型等開關(guān)電源的控制電路。驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)為圖騰柱結(jié)構(gòu)的跟隨電路，其輸出峰值電流可達(dá)1000m A可以直接驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)器件，但是在芯片欠壓保護(hù)后再次啟動(dòng)的電壓為16V,在本設(shè)計(jì)中啟動(dòng)電壓較高，故不選擇該芯片。方案二：采用TL494模擬控制芯片。TL494采用固定頻率的PWM波的控制方 式可以根據(jù)需要選擇輸出最大占空比和輸出的頻率， 同時(shí)也可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)死 區(qū)時(shí)間的大小， 驅(qū)動(dòng)輸出端也可以采用單端模式或者推

12、拉模式， 電路的啟動(dòng)電壓 為7V,最大工作電壓為40V,具有較寬的工作電壓范圍。考慮到實(shí)際情況所以在 本設(shè)計(jì)中采用 TL494。綜上所述，故選擇TL494作為模擬控制芯片。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體組成框圖系統(tǒng)總體組成框圖如圖2-1所示。該系統(tǒng)中由BUCK主電路、反饋采樣電路、 控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。從而構(gòu)成了一個(gè)電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2-1系統(tǒng)總體框圖電路原理圖總體電路原理圖如圖2-2所示1圖2-2電路原理圖3功能及器件的選擇主電路元器件的選擇電感的選擇在進(jìn)行電感的計(jì)算上，首先介紹一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)r的說(shuō)明，r稱為電流紋波率1 AC1 DC(3-1)上式中I為電流紋波，I DC為電感電流直流分量,I AC

13、為交流分量，I L為平均電它表示電感電流的交流分量與直流分量的幾何比例。因此，有IlL感電流。在工程中r的取值一般在0.30.5之間，并且它與特定工況、開關(guān)頻率、甚 至拓?fù)浔旧矶紵o(wú)關(guān)。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，它一般按取值。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，輸入電壓會(huì)在 Vinmin V|nmax之間的某一范圍內(nèi)變化。 因此，還需要知道電流的交、直流分量及其峰值在輸入電壓變化時(shí)如何隨之變化。 最重要的是：需要知道在此變化范圍內(nèi)，哪個(gè)特定輸入電壓值對(duì)應(yīng)峰值電流最大 值。如前所述，峰值電流對(duì)于保證電感工作時(shí)不發(fā)生磁飽和是極其重要的。所以對(duì)于電感設(shè)計(jì)而言，“最惡劣”電壓定義為峰值電流達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入 電壓。該特定

14、電壓將用于電感設(shè)計(jì)或選擇。對(duì)于降壓變壓換器，總是優(yōu)先從 Vimax （即最小占空比）開始設(shè)計(jì)電感。在本設(shè)計(jì)中電壓的輸入范圍為：1418V,輸出電壓為11V,開關(guān)頻率為25KHz 輸出電流為1A所以對(duì)于buck電路而言，需要從Vimax（20V）開始設(shè)計(jì)電感。所 以最小占空比為：D 怡 110.61（3-2）Vin 18再由公式計(jì)算的L為:LD)(3-3)(10.61)429UH0.4 1A 25000一般實(shí)際的電感量為計(jì)算值的3倍左右，故所選的電感量為。磁芯選擇鐵氧 體磁環(huán)綠色噴涂環(huán)，導(dǎo)磁率為 15k nH，由公式：L Al * N 2（3-4）可以推出所需的匝數(shù)大約為N=10匝。輸出濾波電容

15、的選擇選擇輸出電容的經(jīng)典法則是：額定紋波電流要等于或大于輸出電容最大有效值電流。通常，選擇的額定電壓比應(yīng)用中要求的輸出電壓高出至少20%50%變換器的輸出電壓紋波也是一個(gè)需要考慮的問題。 輸出電容產(chǎn)生的輸出電壓紋波峰 值等于其等效串聯(lián)電阻與最大輸出電流峰峰值的乘積（忽略電容的等效串聯(lián)電 感）。Uo(1 D)T211 (1 0.78)18L Uo33 28 1.9 100.22(25 10 )3.1uF在本設(shè)計(jì)中輸出電壓紋波的要求是 2%輸出紋波電壓 UO=11*2%=所以由 公式：(3-5)考慮考實(shí)際中電容的標(biāo)稱值所以選擇電解電容。MOSFE開關(guān)管的選擇選擇開關(guān)管的經(jīng)驗(yàn)法則是：額定電流至少等于

16、（最好至少兩倍于）上述計(jì)算 的最大開關(guān)管有效值電流，這是為了降低損耗，因其開關(guān)正向壓降額定電流增加 而大幅減小。對(duì)于降壓變換器，最高開關(guān)電壓為 Vinmax，通常，選擇的額定電壓要比最高 開關(guān)電壓高出至少20% （降額至80流右，即留出安全裕量）在本電路中最高輸入電壓為20V,考慮裕量，所以計(jì)算的開關(guān)管的耐壓值為100V。計(jì)算MOSFE導(dǎo)通損耗的簡(jiǎn)單方程如下：2OND 1 RMS R dsW(3-6)公式中，Rds是MOSFE的導(dǎo)通電阻，IRms是開關(guān)管電流波形的有效值，等于Irms Io D (1；)(3-7)式中，Io是buck電路的負(fù)載電流，D是占空比。通過(guò)計(jì)算可以得到Irms 0.81

17、A，要得到較小的導(dǎo)通損耗則其 MOSFE的導(dǎo)通電阻就需要選擇很小?？紤]到成本的問題，通過(guò)綜合折中考慮在本電路中采用IRF9Z24的P溝道MOSFET開關(guān)管。二極管的選擇對(duì)于降壓變換器，輸入電壓升高，占空比下降。因?yàn)槠骄姼须娏?Il仍保持 在Io，所以平均二極管電流增加。這意味著降壓變換器在V inmax處的二極管電流 和損耗最大。因此，可用按照一般電感設(shè)計(jì)步驟(在 V inmax )計(jì)算的數(shù)值。選擇二極管的經(jīng)驗(yàn)法則是：額定電流至少等于(最好至少兩倍于)下述最大平均二極管電流，這是為了降低損耗，因其正向壓降隨額定電流增加而大幅減小， 對(duì)于降壓變換器，最大二極管電流為I O (1 Dmin )，

18、通過(guò)計(jì)算可以得I O 0.35A。通過(guò)以上的經(jīng)驗(yàn)法則和實(shí)際情況折中 0選擇二極管的最大額定電流為 1A的 二極管。而選擇額定電壓要比最大二極管電壓V inmax高出20%勺安全裕量，即選擇100V的最大耐壓值。二極管的選擇還得考慮其反向恢復(fù)時(shí)間， 反向恢復(fù)時(shí)間要小于開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間。綜上考慮，選擇FR107二極管PWM空制的設(shè)計(jì)鋸齒波的頻率的計(jì)算在本電路中采用的控制芯片是 TL494 TL494是一種頻率固定的脈沖調(diào)制控制電路,集成了開關(guān)電源控制所需要的主要模塊。內(nèi)部線性的鋸齒波振蕩器頻率由2個(gè)外部元件決定,Rr和CT。近似的振蕩頻率可以由下面公式?jīng)Q定:fosc1.1Rt*Ct(3-8)在本電

19、路中設(shè)定的頻率為出定時(shí)電容Ct 103PF 。25kHz，選取標(biāo)稱電阻Rt47k ，則可以計(jì)算4仿真分析仿真模型仿真模型如圖4-1所示圖4-1仿真模型總體電路圖仿真結(jié)果及分析電路在最低輸入電壓14V和最高輸入電壓18V時(shí)的波形圖如圖4-2和4-3所示。圖4-2輸入電壓為14V時(shí)的波形圖通過(guò)仿真圖可以看出輸出電壓的紋波在技術(shù)指標(biāo)的范圍內(nèi)，達(dá)到了設(shè)定的值5實(shí)物結(jié)果及分析實(shí)物圖Buck電路實(shí)物圖如圖5-1所示圖5-1buck電路實(shí)物圖實(shí)物結(jié)果及分析實(shí)物測(cè)試波形圖如下圖所示：丄mi；. .HiL-L L L . LLt L二f f 1.11 f11TTTT:FlHI! :1i-111 i 1i i 1

20、 a i ii ci ii I 11J20.0jjsO Z-13.6V<1CH?JTele運(yùn)行自動(dòng)= 疇聲廳浪器黃閉' ! ' B r 1 ' p 1 F ! ' ! r ¥ p I ! T- r 1 ' F 1 B p 1 B F !- r 1 ' F 1 B F !': l ig至均141V 頻奉 亦 F l冉*劉叫|幅值 5W*占空比舟朋嘿P 憶4吊0|圖5-2輸入電壓為14V時(shí)的輸入電壓波形圖圖5-3輸入電壓為18V時(shí)的輸入電壓波形圖圖5-2和圖5-3分別為供電電源為14V和18V時(shí)的輸入電壓波形圖，波形圖 中的直

21、流電壓上的尖峰為開關(guān)管開通關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的。圖5-4輸入電壓為14V時(shí)的輸出電壓波形圖圖5-5輸入電壓為18V時(shí)的輸出電壓波形圖圖5-4和圖5-5均為輸出電壓11V時(shí)的波形圖，從圖中可以看出輸出電 壓的的紋波較小，滿足設(shè)計(jì)的要求。圖5-6輸入電壓為14V時(shí)開關(guān)管GS兩端的驅(qū)動(dòng)波形圖圖5-6和圖5-7為開關(guān)管GS兩端的驅(qū)動(dòng)形圖，從上圖中可以看出驅(qū)動(dòng)在高 電平時(shí)出現(xiàn)了震蕩，分析原因可能是由于寄生電感的原因?qū)е虏ㄐ握鹗?。圖5-8輸入電壓為14V時(shí)開關(guān)管DS兩端的電壓波形圖圖5-9輸入電壓為18V時(shí)開關(guān)管DS兩端的電壓波形圖Tek富行聯(lián)鮒真二7T瞬聲匱遊器天團(tuán).' ' ' r &#

22、39; 1 I ' 1 r ' ! B ' 1 1 I ' 1 " ' T 1 ' ' 1 ! ' " ' ' ! 1 B ' 1 F ' a 1 1 I 1 '« i a Bi . 一.，.200嗎1丸01（1呵価一和10_礎(chǔ)網(wǎng)；fi ii , 均>41總°b頻率JaieiHz j5加廠|o帽值 5W> 皆空比咼閃鴛hi曬卻圖5-10輸入電壓為14V時(shí)電感兩端的電壓波形圖圖5-11輸入電壓為18V時(shí)電感兩端的電壓波形圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)波形圖可以看出，電感電流處于斷續(xù)狀態(tài)。6設(shè)計(jì)小結(jié)在本次課程設(shè)計(jì)中，獲得很多的收獲。一個(gè)電路的設(shè)計(jì)和電路中器件的選擇， 都需要通過(guò)理論的學(xué)習(xí)，才能設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)秀的電路。所以本次實(shí)驗(yàn)讓我更進(jìn)一 步的懂得了學(xué)習(xí)理論知識(shí)的重要性， 沒有理論的支撐，在實(shí)際的運(yùn)用調(diào)試過(guò)程中 是很難前行的，很難找到關(guān)鍵的