基于Buck變換器的開關電源設計適合做課程設計

1、基于Buck變換器的開關電源設計摘要 一個高可靠性的電源系統(tǒng)需要大功率寬電壓輸入范圍的DC/DC變換，在充分考慮不同DC/DC變換器拓撲特點的基礎上，選用Buck作為系統(tǒng)的電路拓撲。本文介紹了Buck電路的工作原理，對整個閉環(huán)結構進行設計與研究，并附以相關電路圖表示。并選擇符合規(guī)范的元器件，計算產(chǎn)品的成本。關鍵詞 Buck拓撲；DC/DC；開關電源；MC34063第一章 概述開關電源是利用現(xiàn)代電子電力技術控制功率器件（MOSFET、三極管等）的導通和關斷時間來穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具有轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點。1.1基本要求輸入直流9V-12V，輸出5V，5W；開關振

2、蕩頻率40KHz。1.2方案設計采用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?？刂品桨覆捎眉呻娐稭C34063單路PWM控制芯片，極大簡化電路設計。第二章 開關電源輸入與控制部分設計2.1 開關電源工作原理開關電源是指調(diào)整管工作在開關方式，只有導通和截止兩個狀態(tài)，圖2-1為工作過程?；鶞孰妷簽楣潭ㄖ?，由于輸入波動或負載變化導致輸出電壓減小，采樣電壓將減小，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提高占空比使輸出電壓增大。同理，當由于輸入波動或負載變化導致輸入電壓增大時，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定。圖2-1 開關電

3、源原理框圖2.2 Buck調(diào)整器的基本工作方式Buck調(diào)整器的基本電路如圖2-2所示，晶體管Q1與直流輸入電壓串聯(lián)，通過Q1的開通與關斷，在V1處產(chǎn)生方波電壓，采用恒頻占空比可調(diào)的方式（PWM），在V1出產(chǎn)生方波電壓，Q1導通時間為。Q1導通時V1點電壓為，電流通過串接的電感L0流入輸出端，Q1關斷時，電感L0產(chǎn)生反電動勢，使V1點電壓迅速下降到0并變負，直至被D1鉗位于-0.8V。假設二極管導通壓降為0，則V1點電壓為矩形波，該方波電壓平均值為。LC濾波器接于V1與Vo之間，它使輸出點Vo成為幅值等于的直流電壓。采樣電阻R1和R2檢測輸出電壓Vo，并將其輸入誤差放大器，與參考電壓比較，被放大

4、的誤差被輸入到脈寬調(diào)制器中，因此，PWM輸出的脈沖寬度與誤差放大器的輸出電壓成比例，。圖2-2 Buck典型拓撲及主要波形2.3 電源管理芯片MC34063MC34063包含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價格便宜。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開關電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構成的DC/DC變換器僅用少量的外部元器件。工作電壓比較寬。圖2-3 MC34063結構圖2.3.1 引腳功能1腳：開關管Q1集電極引出端；2腳：開關管Q1發(fā)射極引出端；3腳：定時電容接線端；調(diào)節(jié)Ct

5、可使工作頻率在100100kHz范圍內(nèi)變化；4腳：電源地；5腳：電壓比較器反相輸入端，同時也是輸出電壓取樣端；6腳：電源端；7腳：負載峰值電流（Ipk）取樣端；6，7腳之間電壓超過300mV時，芯片將啟動內(nèi)部過流保護功能；8腳：驅(qū)動管Q2集電極引出端。2.3.2 外圍電路參數(shù)設計定時電容的選取根據(jù)公式：C0.000004×Ton，要求40KHz工作頻率時，C=100pF。功率MOSFET柵極驅(qū)動電阻選擇10。以盡量減小方波邊沿時間。過流保護采樣電阻：假設輸入電流超過1A時，啟動過流保護功能。采樣電阻設在6、7腳之間，R=U/Imax=0.3，電阻最大熱功耗=0.3W。此處選擇0.5W

6、，0.3大功率電阻。輸出采樣電阻設計：要求5V輸出，且損耗盡可能小，芯片內(nèi)部集成1.25V基準電壓，輸出采用電阻分壓方案。分壓比為3:1。采用精密電阻10K與30K串聯(lián)，靜態(tài)電流0.125mA。2.3.3 MOSFET的選擇根據(jù)要求。在本次設計中選擇IRF530N, 。第三章 開關電源輸出電路設計輸出電路采用LC電路。圖3-1 輸出濾波電路模型當開關管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當開關管截止時，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)流二極管導通，構成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。假設要求紋波電壓小于50mV。直流輸出電流為規(guī)定電流的10%。3.1

7、 儲能電感的選擇電感電流的斜坡為,如圖2-2（d）所示，當直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時，進入不連續(xù)工作模式，則而且式中接近，所以已知輸入電壓最大為12V，開關頻率為40KHz，輸出電壓為5V，電流為1A。此處選用470uH，2A的功率電感。3.2 濾波電容的選擇輸出電容C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-容值關系，根據(jù)公式得：選擇16V，1000uF的普通鋁電解電容。3.3 續(xù)流二極管的選擇根據(jù)Buck變換器的工作原理，開關

8、截止時，續(xù)流二極管導通，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通時間盡量短，選擇超快恢復二極管，根據(jù)本設計的要求，選擇正向電流不小于1A的超快恢復二極管。此處選擇HER101，最短恢復時間為50ns。第四章 電路圖與產(chǎn)品工藝4.1 整體電路圖圖4-1 電路圖4-2 元器件清單表4-1 元器件清單名稱生產(chǎn)廠商價格MC34063AIC0.50IRF530NIR2.00HER101HY0.10.3功率電阻-0.0210電阻-0.0130K精密電阻-0.3010K精密電阻-0.30100pF電容-0.011000uF電容RUBY

9、CON0.5470uH電感-1.00印刷電路板-1.00合計5.74第五章 課程設計總結在方案選擇過程中，因為考慮到是非隔離電源，使用集成PWM調(diào)制芯片簡化電路設計，在分析了UC3842，SG3525等芯片的功能與參數(shù)后，選擇MC34063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計。在本方案中，通過外接場效應管的方式極大增強了驅(qū)動能力，該場效應管最大電流可到達17A以上，設計中僅利用不到1A，如果更換濾波電路中的元器件，輸出功率可以得到數(shù)倍的提升。如果將采樣電阻改為電位器，還可以靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。通過本次課程設計，對模擬電子技術，電力電子技術和電子產(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構與應用，并與Buck拓撲相結合，設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