課程設(shè)計(jì)（論文）_DC_DC電壓變換器（5V升壓到24V）

1、 課程設(shè)計(jì)(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(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 高級(jí)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(shí)，555集成電路和5V24V DCDC 電壓變換器的設(shè)計(jì)與制作、調(diào)試等幾個(gè)方面對(duì)電壓變換器進(jìn)行了闡述。 本次的課程設(shè)計(jì)主要利用555時(shí)基電路組成的多諧振蕩器輸出一個(gè)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(dá)升壓且穩(wěn)壓的目的。關(guān)鍵詞：Boost變換器；555定時(shí)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(diǎn)的波形215 主要概念和關(guān)系式32 555時(shí)基電路421 555芯片422 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器63 DC-DC電壓變換器的設(shè)計(jì)831 設(shè)計(jì)要求832 設(shè)計(jì)思路833 計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)體會(huì)12謝辭13參考文獻(xiàn) 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(shí)，555集成電路和5V24V DCDC 電壓變換器的設(shè)計(jì)與制作、調(diào)試等幾個(gè)方面對(duì)電壓變換器進(jìn)行了闡述。 本次的課程設(shè)計(jì)主要利用555時(shí)基電路組成的多諧振蕩器輸出一個(gè)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(dá)升壓且穩(wěn)壓的目的。關(guān)鍵詞：Boost變換器；555定時(shí)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(shè)備的動(dòng)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(xí)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(dá)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(shí)，NE555時(shí)基電路和5V升為24V直流電壓變換器的設(shè)計(jì)與制作、調(diào)試等幾個(gè)方面對(duì)DC-DC直流電壓變換器進(jìn)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(dǎo)公式過程，特作如下幾

8、點(diǎn)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(dǎo)通和“截止，而且“導(dǎo)通時(shí)壓降為零，“截止時(shí)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(dāng)開關(guān)S在位置A時(shí)，相當(dāng)于晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管反向偏置而截止，整個(gè)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(chǔ)在電感線圈L中。此時(shí)，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(fù)。由于開關(guān)晶體管導(dǎo)通，二極管陽極接Vi

9、n負(fù)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(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換到位置B時(shí)， 相當(dāng)于晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，二極管導(dǎo)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(fù)載R供電。高于Vo時(shí)，電容有充電電流；等于Vo時(shí)，充電電流為零；當(dāng)Vo有降低趨勢(shì)時(shí)，電容向負(fù)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(fù)載R供電時(shí)，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(dòng)的。由于有C的存在，負(fù)載R上

10、仍有穩(wěn)定連續(xù)的負(fù)載電流Io。1.4 電路各點(diǎn)的波形 按在周期開始時(shí)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(shí)刻電流Ia值，就是下一個(gè)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(shí)，尚未到達(dá)晶體管重新導(dǎo)通的時(shí)刻，因而能量得不到及時(shí)的補(bǔ)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(shí)，此時(shí)晶體管的最大瞬時(shí)電流比連續(xù)狀態(tài)下要大，同時(shí)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(dòng)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(shè)開關(guān)動(dòng)作周期為Ts，閉合時(shí)間為t1=D1Ts。斷開時(shí)間為t2-t1=D2Ts。 D1為接通時(shí)間占空比， D2為斷開時(shí)間占空比，它們各自小于1，連續(xù)狀態(tài)時(shí)D1+ D2=1。在輸入輸出電壓不變前提下，當(dāng)開關(guān)S在A位時(shí)， 線性上升，其電感電流增量為:開關(guān)位在B時(shí)， 線性下降，其增量為:由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個(gè)電流變化量絕對(duì)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(shí)間，從而改變電壓增益，以到達(dá)實(shí)際所需要的輸出電壓值。利用555定時(shí)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(shí)器。2 555時(shí)基電路2.1 555芯片555時(shí)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(shè)計(jì)新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受廣闊電子專業(yè)設(shè)計(jì)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(dǎo)體或器件公司，廠家都在生產(chǎn)各自型號(hào)的555/556時(shí)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(zhǔn)) VR1和VR2由VCC經(jīng)3個(gè)5K電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時(shí)，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(shí)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(hào)。NE555的功能表如表2-1所示。當(dāng)V11VR1，V12

14、VR2時(shí)，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(dǎo)通，同時(shí)輸出Vo為低電平。表2-1 NE555功能表當(dāng)V11 VR2時(shí) ，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(dāng)V11 VR1， V12 VR1， V12 VR2時(shí) ， 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(shí)TD截止。2.2 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器用555定時(shí)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(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器在電路中，將555定時(shí)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(gè)電阻組成，兩個(gè)電阻的中點(diǎn)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(gè)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(dāng)電路加電時(shí)，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(duì)電容C充電，使Vc電壓上升。當(dāng)V1上升到1/3 VCC V12/3VCC (V11 VR2)階段時(shí)，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(dāng)VC電壓上升剛超過2/3VCC時(shí)，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(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)，TD導(dǎo)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(dāng)Vc剛下降到1/3 VCC以下時(shí)，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(fù)，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(gè)重要指標(biāo)，由圖可知振蕩周期T=+ 式中， 是電容C充電過程經(jīng)歷的時(shí)間。由圖1-1和圖1-2可以看到，充電過程的時(shí)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(shí)間。放電過程的時(shí)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(gè)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(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)要求利用NE555芯片設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)電路圖如圖3-1所示：圖3-1 設(shè)計(jì)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(jí)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(gè)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(hù)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(dá)將直流低電壓5V升至直流高電壓24V的設(shè)計(jì)要求。后級(jí)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(dāng)輸出電壓超出設(shè)計(jì)的要求時(shí)，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(dǎo)通電阻R4是防止Q2導(dǎo)通時(shí)把電源短路，這時(shí)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(huì)超出預(yù)定的范圍。3.3 計(jì)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?yàn)樵O(shè)計(jì)要求Vin=5V，Vo=24V，那么即： R2取一個(gè)定值電阻，為了方便計(jì)算，可取R2=1K，由公式3-4可計(jì)算得到R1=2.8 K?？紤]到實(shí)際電阻的阻值和標(biāo)稱值有誤差，在實(shí)際中可以用一個(gè)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(shè)計(jì)原理圖的設(shè)計(jì)與PCB圖的生成，主要通過Protel 99se軟件編輯。原理圖的設(shè)計(jì)流程：設(shè)置原理圖設(shè)計(jì)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(luò)表格。設(shè)置原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境：運(yùn)行Protel 99se，執(zhí)行File|New命令新建一個(gè)設(shè)計(jì)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(biāo)，單擊OK按鈕進(jìn)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(shè)計(jì)管理器的Add|Remove按鈕，在出現(xiàn)的對(duì)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(shí)，移動(dòng)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(dòng)和微調(diào)。生成網(wǎng)絡(luò)表格：網(wǎng)絡(luò)表格(SPICE netlist)是電路原

22、理圖設(shè)計(jì)(Sch)與印制電路板設(shè)計(jì)(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(xiàng)。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(luò)表格生成PCB手動(dòng)調(diào)整元件位置布線打印輸出。插入原理圖網(wǎng)絡(luò)表格生成PCB:執(zhí)行File|New命令，選擇PCB Document建立一個(gè)新的PCB文件，進(jìn)入電路板圖編輯環(huán)境。采用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。

23、執(zhí)行Design|Netlist命令，單擊Browse按鈕，選擇與原理圖對(duì)應(yīng)的SPICE netlist文件，單擊Execute按鈕，加載元件。手動(dòng)調(diào)整元件位置：加載元件后，此時(shí)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(dòng)布局，使用手動(dòng)布局。布局的首要原那么是保證布線的布通率，移動(dòng)器件時(shí)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(dòng)布線，再手動(dòng)布線。為了使得電路板的線路比擬好看，可以將自動(dòng)布線中太多折點(diǎn)的線用手動(dòng)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(huì)使PCB印到銅板上的效果不好，油墨會(huì)掉，在腐蝕時(shí)會(huì)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(dāng)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(diǎn)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(fù)載電阻，測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)記錄負(fù)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(jì)算出該電路的效率，如表5-2：表5-2 電路效率計(jì)算分析負(fù)載/ K輸入功率/mW輸出功率/mW效率/%500%1007