buck變換電路設(shè)計(jì)說明

./工程學(xué)院自動化學(xué)院電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報告題目：Buck變換電路的設(shè)計(jì)專業(yè)：自動化班級：自動化124學(xué)號：203120408姓名：猛指導(dǎo)教師：濤起迄日期：——2014.12.26設(shè)計(jì)地點(diǎn)：工程中心4-207目錄1引言2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)2.2設(shè)計(jì)容3設(shè)計(jì)方案選擇及論證3.1控制芯片的選擇3.2驅(qū)動芯片的選擇4總體電路設(shè)計(jì)5功能電路設(shè)計(jì)5.1主電路的設(shè)計(jì)5.2驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)5.3控制電路的設(shè)計(jì)5.4輔助電源的設(shè)計(jì)6電路仿真與調(diào)試7設(shè)計(jì)總結(jié)8參考文獻(xiàn)BUCK變換電路設(shè)計(jì)1引言本次電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作,利用Buck降壓斬波電路,使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號從而控制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)采用了集成的驅(qū)動芯片。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)電壓與反饋信號進(jìn)行比較來調(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穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路。2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一降壓斬波電路,采用BUCK電路。輸入直流電源：DC18~30V,輸出電壓為輸入電壓50%~100%可調(diào)：輸出額定電流2A,電流峰峰值不大于0.5A,輸出電壓紋波不大與5%。2.2設(shè)計(jì)容：主電路的設(shè)計(jì),器件的選型,電感和輸出電容的選擇；驅(qū)動電路、檢測電路和保護(hù)電路設(shè)計(jì)；輔助電源設(shè)計(jì),要求提供DC15V驅(qū)動電源和5V控制電源；控制電路的設(shè)計(jì),不同頻率、不同脈寬PWM波的實(shí)現(xiàn)。制作驅(qū)動和主電路；6利用提供的控制信號,完成BUCK電路的驅(qū)動和主電路和調(diào)試。3設(shè)計(jì)方案選擇及論證3.1控制芯片的選擇方案一：采用SG3525芯片。它是一款專用的PWM控制集成電路芯片,它采用恒頻調(diào)寬控制方案,部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。方案二：采用TL494芯片。它是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路,主要為開關(guān)電源電路而設(shè)計(jì),在開關(guān)電路中比較常見。綜合對芯片的熟悉程度以及考慮到本次設(shè)計(jì)是比較小的手工制作電路,所以選擇TL494最為合宜。3.2驅(qū)動方式的選擇由于老師提供的電力電子器件為IRF540,為MOS管。主電路中只有一個MOS管需要控制開關(guān)。方案一：采用光耦隔離加放大電路驅(qū)動,這是一種常用方法,優(yōu)點(diǎn)是電路比較成熟,但光耦次級需要隔離電源,由于光耦的速度不是很快,工作頻率不能太高,并可能降低電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度。方案二：IR2103是一個集成的半橋驅(qū)動芯片,能夠同時控制2個受控器件。它的脈沖質(zhì)量好,工作頻率高,體積較小。且電源與控制芯片同為15V,這樣不用額外設(shè)計(jì)輔助電源。它對3.3V,5V和15V的邏輯兼容,我們選擇的控制芯片TL494輸出的邏輯高電平為15V。4總體電路設(shè)計(jì)根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動電路及輔助電源電路,設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：控制電路驅(qū)動電路控制電路驅(qū)動電路輔助電源電源主電路原理框圖在結(jié)構(gòu)框圖中,控制電路是用來產(chǎn)生BUCK電路的控制信號,控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路,驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在MOS管控制端和公共端之間,可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制MOS的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路工作。5功能電路設(shè)計(jì)5.1主電路的設(shè)計(jì)電感計(jì)算：由于產(chǎn)生脈沖的芯片相應(yīng)R＝1K歐姆,C＝0.01μF.則芯片產(chǎn)生的脈沖頻率為f=1.1/<RC>.計(jì)算得f=110KHZ.在電感充放電一個周期：得開通時對于BUCK電路,開通時,D=Uo/Ui.T=1/fΔi=0.5A所以故計(jì)算得出電容計(jì)算：根據(jù)公式解得 本設(shè)計(jì)取L=0.2mH,C=2μF在主電路中添加了接口,用來輸入直流電壓,和方便數(shù)據(jù)測量。圖15.2驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)IR2103是一個集成的半橋驅(qū)動芯片,能夠同時控制2個受控器件。它的脈沖質(zhì)量好,工作頻率高,體積較小。且電源與控制芯片同為15V,這樣不用額外設(shè)計(jì)輔助電源。它對3.3V,5V和15V的邏輯兼容,可以同時驅(qū)動兩個MOS管,我們這里只需使用一個驅(qū)動口,再接入門極前串聯(lián)一個100Ω的電阻。根據(jù)器件手冊進(jìn)行接線:圖25.3控制電路的設(shè)計(jì)TL494控制芯片是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路置線性鋸齒波振蕩器振蕩頻率可通過外部的電阻RT和電容CT來進(jìn)行。其振蕩頻率為,R=1K歐姆,C＝0.01μF.計(jì)算得。芯片14腳輸出基準(zhǔn)電壓通過電阻分壓進(jìn)入15號腳作來與16號反饋信號進(jìn)行比較的基值。從主電路輸出端引出的反饋信號即16號腳,與15號腳的基值進(jìn)行比較,從面調(diào)節(jié)8號腳和11號腳輸出的脈沖信號的占空比,從而達(dá)到調(diào)節(jié)MOS管的開通與關(guān)斷的頻率與時間,最終實(shí)現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電壓值。圖35.4設(shè)計(jì)穩(wěn)壓直流電源15V和直流電壓100V由于只提供直流電壓DC:18~30V,而控制芯片TL494和驅(qū)動芯片IR2103需要15V的工作電壓。用三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成15V的電壓輸出。其中變壓器匝數(shù)比為220V/24V,電容C1=100uF并且耐壓50V,三端集成穩(wěn)壓器型號為7815。圖46電路仿真與調(diào)試電路仿真選擇MATLAB軟件,該軟件功能強(qiáng)大,具有專門的電力電子仿真模塊SimPowerSystem。根據(jù)之前計(jì)算結(jié)果L=2e-4H,C=2e-6F,工作頻率f=110kHz,所以T=9.1e-6S,占空比選擇D=50%。輸出波形：〔從上到下依次為PWM波形,受控器件波形,電感電流,負(fù)載電壓其中電感電流和負(fù)載電壓如下：經(jīng)過放大：由上圖可知符合設(shè)計(jì)任務(wù)：輸出額定電流2A,電流峰峰值不大于0.5A,輸出電壓紋波不大與5%。7實(shí)驗(yàn)總結(jié)回顧此次電力電子裝置課程設(shè)計(jì)的一個星期,我感慨很多。從理論到時踐,我們遇到了很多困難,但是同時也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識,更是學(xué)到了很多課外的東西,鍛煉了我們解決實(shí)際問題的能力。在此次課程設(shè)計(jì)過程中,我們遇到的問題還是很多的。剛開始拿到這個題目時,不知道如何下手,課本上涉及這部分的原理知識比較少,光靠自己所學(xué)的知識根本解決不了,于是我們小組去圖書館以及找了很多資料,學(xué)習(xí)了很多課本上沒有的東西,感覺特別充實(shí)。然后在做設(shè)計(jì)的過程中我們學(xué)到了很多東西,也覺得知識掌握得不夠牢固,以后還要努力。通過這次課設(shè),也鍛煉了我們將理論知識運(yùn)用到實(shí)際中的能力,受益良多。雖然現(xiàn)在的設(shè)計(jì)題目比較簡單,但通過課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工作,使我和組員接觸了很多新的知識,也讓我們對這門課有了更深的了解,培養(yǎng)了我們求真務(wù)實(shí)的態(tài)度。8參考文獻(xiàn)[1]王兆安,進(jìn)軍.電力電子技術(shù)〔第五版[M].:機(jī)械工業(yè).2009[2]