DC-DC升壓開關(guān)電源設(shè)計

1、一、 設(shè)計要求本課程要求設(shè)計一個DC-DC升壓開關(guān)電源，輸入低壓直流信號，輸出為高壓直流信號。設(shè)計要求：1、輸入5V直流，輸出12V、100mA直流2、在額定負載情況下，紋波的峰-峰值<=30mV3、輸出尖峰電壓峰-峰值<=200mV4、100mA電壓下降<=30mV二、 設(shè)計方案1、 理論基礎(chǔ)The boost converter，是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以是輸出電壓比輸入電壓高。在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），等效電路如圖二，開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比

2、率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。當開關(guān)斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。如果這個通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。2、 實際方案本課題采用驅(qū)動式開關(guān)升壓方式，主要利用電容和電感的儲能特性實現(xiàn)。具

3、體可以分為以下幾個部分。第一個是振源，因為是開關(guān)電路，所以需要利用高頻的方波信號實現(xiàn)三極管的導(dǎo)通與截止。然后的主放大電路用來給負載端升壓，需要一個三極管和一個電感，利用電感的儲能實現(xiàn)直流信號的輸出。由于在開關(guān)閉合的瞬間，電感上會產(chǎn)生巨大的瞬時電壓，而且電感的充電與放電是交替進行的，所以輸出不可能是一個單純的直流信號，那么就需要一個濾波電路把交流信號濾除。之后為了穩(wěn)定輸出電壓，就需要一個負反饋調(diào)節(jié)電路來控制主放大電路的開關(guān)。三、 方框圖反饋調(diào)整電路四、 框內(nèi)電路設(shè)計1、 振蕩電路此部分電路是由一個555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，它的工作原理如下：555的閾值輸入THR和觸發(fā)輸入TRI相連，由電容的

4、端電壓Uc控制。暫態(tài)1：Uc小于555定時器的閾值電平Vref2，輸出OUT為高電平，放電管VT1截止。由于DIS端呈高阻狀態(tài)，電源通過電阻R1，R2向電容充電，Uc逐漸上升。當Uc上升到略大于閾值電平Vref1時，輸出OUT翻轉(zhuǎn)為低電平，暫態(tài)1結(jié)束。同時因為放電管VT1導(dǎo)通，電路又產(chǎn)生新的過渡過程。暫態(tài)2：電容通過電阻R2和放電管VT1放電，Uc逐漸下降。但只要Uc大于Vref2，定時器的輸出就保持不變，直到Uc略小于Vref2，輸出再次翻轉(zhuǎn)，OUT=1，暫態(tài)2結(jié)束，回路回到暫態(tài)1。如此周而復(fù)始循環(huán)，輸出頻率一定的矩形波信號。若CON端沒有外加控制電壓，則Vref1=2/3Vcc，Vref2

5、=1/3Vcc。2、 主電路主電路就是要完成從輸入到輸出的升壓過程，它主要由一個大功率三極管和一個上拉電感構(gòu)成，三極管主要用于配合輸入的方波進行開關(guān)轉(zhuǎn)換，電感的作用是將電能和磁場能相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換器件，當三極管開關(guān)管閉合后，電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存起來，當三極管斷開后電感將儲存的磁場能轉(zhuǎn)換為電場能，且這個能量在和輸入電源電壓疊加后通過二極管和電容的濾波后得到平滑的直流電壓提供給負載，由于這個電壓是輸入電源電壓和電感的磁碭能轉(zhuǎn)換為電能的疊加后形成的，所以輸出電壓高于輸入電壓，即升壓過程的完成。不過為了防止三極管截止時產(chǎn)生的過高的電壓燒壞元器件，所以我們在電感的兩端并聯(lián)一個電容用來吸收電壓，保

6、護元件。3、 濾波電路由于我們需要的輸出為直流信號，但是在借助電感進行充放電的時候混入了一些交流信號，所以需要濾波電路來幫助濾除這些交流信號。在主電路的輸出上先接一個二極管，這個二極管主要起隔離作用，當三極管截止時，二極管的正極電壓比負極電壓低，此時二極管反偏截止，使此電感的儲能過程不影響輸出端電容對 負載的正常供電。當三極管導(dǎo)通時，兩種疊加后的能量通過二極向負載供電，此時二極管正向?qū)?，要求其正向壓降越小越好，盡量使更多的能量供給到負載端。之后的濾波電路采用LC復(fù)式濾波電路，如果單獨使用電容或電感來濾波，可能效果不夠理想，所以同時使用兩個元件，利用他們對直流和交流呈現(xiàn)出的不同的電抗特性，選擇

7、合適的參數(shù)，就可以完成濾波。4、 電壓比較電路電壓比較電路使用集成芯片LM339，一個集成了4個電壓比較器。LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)

8、換到另一種狀態(tài)。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。我們將從滑動變阻器上采樣的電信號輸入到電壓比較器的同相端，反相端通過一個穩(wěn)壓管接固定電壓，通過計算電阻值可以將門限電壓控制在3V。5、 反饋調(diào)整電路這部分電路比較簡單，利用三極管的開關(guān)來實現(xiàn)。當電壓比較器的輸出端為高電平時，三極管導(dǎo)通，從555輸出的方波信號全部通過這個三極管接地，則主電路無信號輸入，可以使電壓降低。當電壓比較器的輸出端為低電平時，三極管截止，可使電壓

9、逐步升高，配合電壓比較器的采樣端，可以把電壓穩(wěn)定在一個固定值上。6、 負載輸出端負載輸出端用10k電阻并聯(lián)一個滑動變阻器，滑動變阻器用于采用實現(xiàn)穩(wěn)壓。但是這樣輸出電阻就很大，于是在兩端并聯(lián)一個內(nèi)負載1.2k，這樣可以有效提高輸出功率。五、 系統(tǒng)概述DC/DC升壓開關(guān)電源的原理如下所述：首先由555定時器產(chǎn)生一個固定頻率為1K5KHz的方波信號，這個信號用來控制主電路三極管的導(dǎo)通與截止。當三極管導(dǎo)通時，輸入的電流流入電感充電，而當三極管截止時，電感上產(chǎn)生巨大的瞬時電壓并開始放電，這兩股能量疊加后導(dǎo)致輸出電壓升高。由于輸出的電壓不僅僅是直流信號，所以通過一個二極管整去負信號，用LC濾波電路濾除交流

10、信號。為了達到要求的輸出電壓，我們用一個滑動變阻器來調(diào)節(jié)，最后要穩(wěn)定電壓在一個恒定值，所以將滑動變阻器的輸出接到電壓比較器的輸入，當輸入電壓低于門限電壓時，電壓比較器輸出低電平，反饋端的三極管截止，輸出電壓持續(xù)增高；當輸入電壓高于門限電壓時，電壓比較器輸出高電平，反饋端的三極管導(dǎo)通，輸出電壓降低，最終保持在一個穩(wěn)定值。六、 電路數(shù)據(jù)計算與推導(dǎo)555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的參數(shù)計算：從工作原理分析可知，電路狀態(tài)的改變是由電容充放電引起的。所以暫態(tài)1、暫態(tài)2的持續(xù)時間取決于電容電壓Uc的過渡過程。1、 高電平周期Tph以暫態(tài)2結(jié)束時間為計時起點。Uc的初值是Uc（0+）=vref2=1/3Vcc，

11、終值是Uc（正無窮）=Vcc，充電時間常數(shù)為t=（R1+R2）C1.所以，根據(jù)三要素法，在暫態(tài)1期間Uc的變化關(guān)系為：Uc（t）=Vcc-2/3Vcc*e-t/(R1+R2/C1當暫態(tài)1結(jié)束時有t=Tph，Uc（Tph）=Vref1=2/3Vcc，代入上式，得暫態(tài)1的持續(xù)時間為：Tph=(R1+R2C1ln2=0.7(R1+R2C1=7.7*10(-5s2、 低電平周期Tpl以暫態(tài)1的結(jié)束時間為計時起點。Uc的初值是：Uc（0+）=2/3Vcc，終值是Uc（正無窮）=0，放電時間常數(shù)為t=R2C1。所以在暫態(tài)2期間，Uc的變化關(guān)系為：Uc(t=2/3Vcc*e-t/(R2C1當暫態(tài)2結(jié)束時，t

12、=Tpl，Uc（Tpl）=vref2=1/3Vcc，代入上式，得暫態(tài)2的持續(xù)時間為：Tpl=R2C1ln2=0.7R2C2=7*10(-6s由此可以計算出輸出的方波信號的占空比為90%。七、 調(diào)試中的問題及解決方法1、 電壓不可調(diào)在第一次連接完電路后，接上電源，我便遇到了這個問題。我把萬用表接在負載輸出端，看到輸出電壓只有4V多，與目標要求的12V還差很遠，所以我調(diào)整滑動變阻器，但是電壓并沒有變。于是我判斷這是反饋線路的問題，我便仔細檢查了一遍反饋回路，最后發(fā)現(xiàn)電壓比較器的接地端接在了+5V，而應(yīng)該接+5V的引腳接在地上。2、 接入負載電壓大幅下降當我能調(diào)節(jié)滑動變阻器至12V時，把120歐的負

13、載接上，萬用表的讀數(shù)直接下降至5V，當我把負載斷開，又回到了12V。我一開始認為是電感或電容的問題，于是就換了幾次電感，但是雖然有些改變，但仍不是很明顯。后來我決定更改電阻的參數(shù)。把三極管的上拉電阻改小，然后又把幾個基極電阻改小，電壓一下子有了明顯提升，于是我又略微改了幾個參數(shù)，把電壓的降幅減小至1V以內(nèi)。3、 電壓持續(xù)緩慢衰減當我再次接上負載時，電壓并未衰減多少，但是它的值卻在不停改變，一直在減小。當減到某個值的時候就不再減了。我覺得可能是儲能元件有問題，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)，于是我把所有的電容和電感都換了一遍，可是都沒有解決這個問題。后來我懷疑是因為輸出功率不夠，帶不動負載，所以我把電壓源的輸出電壓調(diào)到6V，接入負載后，發(fā)現(xiàn)電壓能夠穩(wěn)住，而且沒有衰減多少。于是我決定再減小部分電阻的阻值，以減小分壓，留下更多的電壓分給負載，然后我就把555上的兩個電阻減小到1k和10k，這樣占空比的要