課程設計（論文）-DC-DC電壓變換器（5V升壓到24V）

1、 課程設計(論文)說明書題 目： DC-DC電壓變換器 5V升壓到24V 院 系： 信息與通信學院 專 業(yè)： 通信工程 學生姓名： 學 號： 指導教師： 職 稱： 高級工程師 2008年 1月 4 日摘 要摘要：本文從Boost變換器的根本知識，555集成電路和5V24V DCDC 電壓變換器的設計與制作、調(diào)試等幾個方面對電壓變換器進行了闡述。 本次的課程設計主要利用555時基電路組成的多諧振蕩器輸出一個方波去控制Boost電路的電子開關(guān)，從而控制輸出的電壓，到達升壓且穩(wěn)壓的目的。關(guān)鍵詞：Boost變換器；555定時器；占空比AbstractAbstract: In this paper th

2、e basic knowledge Boost Circuit, 555 integrated circuits and 5 V-24V DC-DC voltage converter design and production, debugging, and several other aspects of the voltage converter are described. The curriculum design of the main circuit-555 at the Multivibrator a square wave output Boost circuit to co

3、ntrol the electronic switches to control the output voltage, and to boost the purpose of regulator.Keyword:Boost converter；555 timer；duty cycle目 錄引言11 Boost變換器111 別名112 線路組成113 工作原理1131 假定 1132 工作過程 114 電路各點的波形215 主要概念和關(guān)系式32 555時基電路421 555芯片422 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器63 DC-DC電壓變換器的設計831 設計要求832 設計思路833 計算及取

4、值834 用Multisim2001的仿真電路 94 PCB電路板的制作 941 原理圖的設計942 PCB圖的生成1043 電路板制作115 電路板的調(diào)試與結(jié)果分析116 設計體會12謝辭13參考文獻 14附錄1 15附錄2 16摘 要摘要：本文從Boost變換器的根本知識，555集成電路和5V24V DCDC 電壓變換器的設計與制作、調(diào)試等幾個方面對電壓變換器進行了闡述。 本次的課程設計主要利用555時基電路組成的多諧振蕩器輸出一個方波去控制Boost電路的電子開關(guān)，從而控制輸出的電壓，到達升壓且穩(wěn)壓的目的。關(guān)鍵詞：Boost變換器；555定時器；占空比AbstractAbstract:

5、In this paper the basic knowledge Boost Circuit, 555 integrated circuits and 5 V-24V DC-DC voltage converter design and production, debugging, and several other aspects of the voltage converter are described. The curriculum design of the main circuit-555 at the Multivibrator a square wave output Boo

6、st circuit to control the electronic switches to control the output voltage, and to boost the purpose of regulator.Keyword:Boost converter；555 timer；duty cycle引言電源有如人體的心臟，是所有電設備的動力。但電源卻不像心臟那樣形式單一。一般電力如市電要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。轉(zhuǎn)換例子有：交流轉(zhuǎn)換成直流AC-DC，直流變交流(DC-AC)，高壓變成低壓，低壓變成高壓等等。按電力電子的習慣稱謂，ACDC稱為整流，DCAC稱為逆變，ACAC稱

7、為交流-交流直接變頻，DCDC稱為直流-直流變換。為到達轉(zhuǎn)換目的，手段是多樣的。本文主要從常用到的Boost直流變換電路的根本知識，NE555時基電路和5V升為24V直流電壓變換器的設計與制作、調(diào)試等幾個方面對DC-DC直流電壓變換器進行了闡述。1 Boost變換器1.1 別名 升壓變換器，并聯(lián)開關(guān)電路，三端開關(guān)型升壓穩(wěn)壓器。1.2 線路組成線路如圖1-1所示由開關(guān)S，電感L，電容C組成。完成把電壓Vin升壓到Vo的功能。 (a)Boost電路原理圖 (b)由晶體管和二極管組成的Boost電路圖1-1 Boost電路1.3 工作原理1.3.1 假定:為分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導公式過程，特作如下幾

8、點假定；(1)開關(guān)晶體管，二極管均是理想元件。也就是可以瞬間地“導通和“截止，而且“導通時壓降為零，“截止時漏電流為零。(2)電感，電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零。(3)輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值小到允許忽略。1.3.2 工作過程 當開關(guān)S在位置A時，相當于晶體管處于導通狀態(tài)，二極管反向偏置而截止，整個電路分成前后兩局部，如圖1-2(a)所示。電流流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加。電能以磁能形式儲在電感線圈L中。此時，電容C放電，R上流過電流Io，R兩端為輸出電壓Vo，輸出為上正下負。由于開關(guān)晶體管導通，二極管陽極接Vi

9、n負極，二極管承受反向電壓。所以電容不能通過開關(guān)管放電。當開關(guān)轉(zhuǎn)換到位置B時， 相當于晶體管處于截止狀態(tài)，二極管導通，構(gòu)成電路如圖1-2(b)。由于線圈L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持不變。這樣線圈L磁能轉(zhuǎn)化成的電壓VL與電源VS串聯(lián)，以高于Vo電壓向電容C，負載R供電。高于Vo時，電容有充電電流；等于Vo時，充電電流為零；當Vo有降低趨勢時，電容向負載R放電，維持Vo不變。 (a) (b)圖1-2 Boost變換器電路工作過程 由于VL+Vin向負載R供電時，Vo高于Vin，故稱它為升壓變壓器。工作中輸入電流Is=是連續(xù)的。但流經(jīng)二極管D1電流卻是脈動的。由于有C的存在，負載R上

10、仍有穩(wěn)定連續(xù)的負載電流Io。1.4 電路各點的波形 按在周期開始時是否從零開始，可分為連續(xù)工作狀態(tài)或不連續(xù)工作狀態(tài)兩種模式。本文只討論連續(xù)工作狀態(tài)。波形各如圖1-3所示。圖1-3 電感電流連續(xù) 在連續(xù)工作狀態(tài)，開關(guān)周期Ts最后的時刻電流Ia值，就是下一個Ts周期中電流的開始值。但是，如果電感量太小，電流線性下降快，即在電感中能量釋放完時，尚未到達晶體管重新導通的時刻，因而能量得不到及時的補充，這樣就出現(xiàn)了電流不連續(xù)的工作狀態(tài)。在要求相同功率輸出時，此時晶體管的最大瞬時電流比連續(xù)狀態(tài)下要大，同時輸出直流電壓的紋波也增加。在連續(xù)工作狀態(tài)下，輸入電流不是脈動的，紋波電流隨L增大而減小。1.5 主要概

11、念和關(guān)系式下面分析開關(guān)閉合和斷開的情況與輸出電壓的關(guān)系。在圖三中設開關(guān)動作周期為Ts，閉合時間為t1=D1Ts。斷開時間為t2-t1=D2Ts。 D1為接通時間占空比， D2為斷開時間占空比，它們各自小于1，連續(xù)狀態(tài)時D1+ D2=1。在輸入輸出電壓不變前提下，當開關(guān)S在A位時， 線性上升，其電感電流增量為:開關(guān)位在B時， 線性下降，其增量為:由于穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量絕對值相等，所以化簡得:電壓增益 由式(1-1)可知，電壓增益與不單與D1有關(guān)，而且與D2有關(guān)。由此，我們可以通過改變輸入方波的占空比來控制開關(guān)晶體管的通斷時間，從而改變電壓增益，以到達實際所需要的輸出電壓值。利用555定時器構(gòu)

12、成的多諧振蕩器可以方便地輸出方波。下面先來介紹一下555定時器。2 555時基電路2.1 555芯片555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路，利用它可以方便地構(gòu)成各種脈沖單元電路。它設計新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受廣闊電子專業(yè)設計人員和電子愛好者的青睞，人們將其戲稱為偉大的小IC。盡管世界各大半導體或器件公司，廠家都在生產(chǎn)各自型號的555/556時基電路，但其內(nèi)部電路大同小異，且都具有相同的引出功能端。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外部引腳排列如圖2-1所示。a555芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)b555外部引腳功能圖2-1 555芯片電路由電壓比擬器C1和C2，根本RS觸發(fā)器及集電極

13、開路的放電三極管TD組成。V11是比擬器C1的輸入端(也稱閾值端)，V12是比擬器C2的輸入端(也稱觸發(fā)端)。C1和C2的參考電壓(電壓比擬器的基準) VR1和VR2由VCC經(jīng)3個5K電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時，VR1=1/3VCC ，VR2=2/3 VCC。如果VCO外接固定電壓，那么VR1=VCO，VR2=1/2 VCO。是置零輸入端。只要在端上加上低電平，輸出端V0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使處于高電平。是放電三極管TD的集電極引出端，也稱為DISC。圖中的數(shù)碼18為器件引腳的編號。NE555的功能表如表2-1所示。當V11VR1，V12

14、VR2時，比擬器C1的輸出VC1=0，比擬器C2的輸出VC2=1，根本RS觸發(fā)器被置0，TD導通，同時輸出Vo為低電平。表2-1 NE555功能表當V11 VR2時 ，VC1=1，VC2=1，根本RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而TD和VO的狀態(tài)也維持不變。 當V11 VR1， V12 VR1， V12 VR2時 ， VC1=0， VC2=0，根本RS觸發(fā)器處于=1的狀態(tài)，VO為高電平，同時TD截止。2.2 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖2-2所示。圖2-2 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器在電路中，將555定時器的V11和VR2輸入端并在一起，接到RC電路中的

15、電容器C的上端；R由R1和R2兩個電阻組成，兩個電阻的中點接到放電三極管TD的放電端V0。比擬電壓由電源VCC經(jīng)3個電阻分壓形成。外接控制電壓輸入端未用，經(jīng)0.01uF電容下地，以防干擾。下面分析該電路的工作原理。當電路加電時，電容C上的電壓Vc=0，即V11 VR1，V12 VR2，VC1=1，VC2=0，根本觸發(fā)器被置1輸出Vo為高電平，電路工作在暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)， VCC經(jīng)R1，和R2對電容C充電，使Vc電壓上升。當V1上升到1/3 VCC V12/3VCC (V11 VR2)階段時，VC1=1，VC2=1，根本觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，輸出仍為高電平。當VC電壓上升剛超過2/3VCC時，V

16、11 VR1，V12 VR2，VC1=0，VC2=1，根本觸發(fā)器被置0，電路發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使輸出V0為低電平，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)，TD導通，電容C停止充電，反過來經(jīng)過電阻R2和放電管TD放電，使VC電壓下降。當Vc剛下降到1/3 VCC以下時，V11 VR1，V12 VR2，根本RS觸發(fā)器又被置1，輸出V0變?yōu)楦唠娖?，電路又回到暫穩(wěn)態(tài)。如此反復，產(chǎn)生矩形波。波形如圖2-3如示。圖2-3 多諧振蕩器工作波形圖振蕩周期T是多諧振蕩器電路的一個重要指標，由圖可知振蕩周期T=+ 式中， 是電容C充電過程經(jīng)歷的時間。由圖1-1和圖1-2可以看到，充電過程的時間常數(shù)T=(R1+R2)C，起始值Vc(

17、0+)= 1/3VCC，穩(wěn)態(tài)值VC()=VCC，轉(zhuǎn)折值VC()= 2/3VCC，所以有是電容放電過程經(jīng)歷的時間。放電過程的時間常數(shù)=C，初始值Vc(0+)=2/3VCC ，穩(wěn)態(tài)值VC()=0V，轉(zhuǎn)折值VC()= 1/3 VCC，所以有由式(1)和式(2)得到周期改變R1，R2的值，可以得到各種周期或頻率的矩形波。占空比q是多諧振蕩器的別一個主要技術(shù)參數(shù)，由占空比的定義得到3 DC-DC電壓變換器的設計3.1 設計要求利用NE555芯片設計一個直流升壓電路，要求輸入直流電壓5V，輸出直流電壓24V。3.2 設計思路 設計電路圖如圖3-1所示：圖3-1 設計電路圖 該電路由NE555芯片構(gòu)成的多諧

18、振蕩器和Boost電路以及可調(diào)節(jié)輸出電壓的后級電路組成。NE555芯片與電阻R1，R2和電容C1構(gòu)成多諧振蕩器，由NE555芯片的三管腳輸出一個方波，以此方波控制Boost電路中開關(guān)晶體管Q1的通斷狀態(tài)其中R3是保護電阻，防止從三管腳輸出的電流過大而燒壞Q1，改變方波的占空比可以控制Boost電路的電壓增益，以到達將直流低電壓5V升至直流高電壓24V的設計要求。后級可調(diào)節(jié)輸出電壓的電路由電阻R5、滑線變阻器RP、穩(wěn)壓管VS和開關(guān)晶體管Q2組成，主要起穩(wěn)壓作用。當輸出電壓超出設計的要求時，穩(wěn)壓管VS兩端的電壓過大，穩(wěn)壓管被擊穿而使晶體管Q2導通電阻R4是防止Q2導通時把電源短路，這時NE555芯

19、片的置位端4管腳置位，輸出端3管腳輸出低電平，輸出電壓下降，從而起到穩(wěn)壓的作用。調(diào)節(jié)RP可改變穩(wěn)壓管VS兩端電壓，使輸出電壓值不會超出預定的范圍。3.3 計算及取值 比擬圖三和圖六可以得到：=，=，= 。結(jié)合上式再由公式2-2和公式2-3可得：由公式1-1和公式3-1可得出電壓增益與R1和R2的關(guān)系因為設計要求Vin=5V，Vo=24V，那么即： R2取一個定值電阻，為了方便計算，可取R2=1K，由公式3-4可計算得到R1=2.8 K?？紤]到實際電阻的阻值和標稱值有誤差，在實際中可以用一個滑線變阻器調(diào)節(jié)范圍為010 K來代替R1，這樣便起到調(diào)節(jié)占空比的作用。3.4 用Multisim2001的

20、仿真電路仿真電路如圖3-2所示：圖3-2 Multisim2001仿真電路圖4 PCB電路板的制作4.1 原理圖的設計原理圖的設計與PCB圖的生成，主要通過Protel 99se軟件編輯。原理圖的設計流程：設置原理圖設計環(huán)境放置元件原理圖布線檢查調(diào)整原理圖生成網(wǎng)絡表格。設置原理圖設計環(huán)境：運行Protel 99se，執(zhí)行File|New命令新建一個設計管理數(shù)據(jù)庫文件Mydesign。ddb，然后單擊主菜單的File|New命令，選擇Schematic Document圖標，單擊OK按鈕進入原理圖編輯窗口。放置元件：在電路中放置元件之前，必須加載元件庫文件。執(zhí)行主菜單的Design|ADD Re

21、move Library命令或單擊左側(cè)設計管理器的Add|Remove按鈕，在出現(xiàn)的對話框中的“搜尋下拉列表框中選擇庫文件所在路徑。在Selected Files列表框中選擇Miscellaneous Devices元件庫，單擊Add按鈕加載庫文件。執(zhí)行Place|Part命令，輸入元件名字，即可將元件放置到電路圖上。原理圖布線：元件的連接比擬簡單，只需單擊源引腳和目的引腳就可以完成元件的連接。檢查調(diào)整原理圖：雙擊元件可修改元件的參數(shù)。調(diào)整元件時，移動和旋轉(zhuǎn)元件，Multisim 2001仍可以保持它們的連接。連線可以任意拖動和微調(diào)。生成網(wǎng)絡表格：網(wǎng)絡表格(SPICE netlist)是電路原

22、理圖設計(Sch)與印制電路板設計(PCB)之間的一座橋梁， SPICE netlist可從電路原理圖中獲得。執(zhí)行Design|Create Netlist命令，在Ooutput Format下拉框中選擇Sheet Symbol|Port Connections和Active project選項。單擊OK生成SPICE netlist。其原理圖見附錄1。4.2 PCB圖的生成PCB制作流程：插入原理圖網(wǎng)絡表格生成PCB手動調(diào)整元件位置布線打印輸出。插入原理圖網(wǎng)絡表格生成PCB:執(zhí)行File|New命令，選擇PCB Document建立一個新的PCB文件，進入電路板圖編輯環(huán)境。采用系統(tǒng)默認參數(shù)。

23、執(zhí)行Design|Netlist命令，單擊Browse按鈕，選擇與原理圖對應的SPICE netlist文件，單擊Execute按鈕，加載元件。手動調(diào)整元件位置：加載元件后，此時元件堆在一起，尚未布局。由于這次的元件不多，所以不采用自動布局，使用手動布局。布局的首要原那么是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，把有連線關(guān)系的器件放在一起，注意元件間距離不要太近，而且元件間的連線盡量少交叉。布線：元件位置調(diào)整好了以后，布線可以先采用局部自動布線，再手動布線。為了使得電路板的線路比擬好看，可以將自動布線中太多折點的線用手動布直。打印輸出：將完成的PCB保存，用特定的油紙打印輸出。PCB圖見附

24、錄2。4.3 電路板制作選擇適宜尺寸的銅板，先將銅板的外表用沙紙打磨干凈，將打印輸出的PCB油紙用熨斗熨上去。注意要等冷卻后再將油紙撕下，太早撕下會使PCB印到銅板上的效果不好，油墨會掉，在腐蝕時會把線腐蝕斷。在銅板上印好PCB油墨后，用三氯化鐵溶液腐蝕銅板，溶液的溫度可適當加高，容易腐蝕。將腐蝕好的銅板鉆好孔，把油墨用沙紙擦掉，按照PCB圖放上元件，然后焊接。在電子制作過程中，焊接工作是挺重要的。它不但要求將元件固定在電路板上，而且要求焊點必須牢固、圓滑。焊接結(jié)束后必須檢查有無漏焊、虛焊以及由于焊錫流淌造成的元件短路。5 電路板的調(diào)試與結(jié)果分析按電路圖從輸入端輸入直流電壓5V，在輸出端接入不同的負載電阻，測得輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流數(shù)據(jù)如表5-1：表5-1 測試數(shù)據(jù)記錄負載/ K輸入電壓/V輸出電壓/V輸入電流/mA輸出電流/mA505100514051505分析表2的數(shù)據(jù)，可計算出該電路的效率，如表5-2：表5-2 電路效率計算分析負載/ K輸入功率/mW輸出功率/mW效率/%500%1007