DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì)剖析

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程明稱電子技術(shù)題 目 DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì)系 部 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 2014年1月6日 目 錄摘 要1一 設(shè)計(jì)目的.1二 設(shè)計(jì)要求.1三 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介.1四 DC/DC變換器原理.2 4.1Booster型DC/DC變換器.2 4.2Buck型DC/DC變換器.3 4.3Buck. Booster型變換器4 4.4Cuk型變換器5 4.5pwm工作方式.5 4.6PFM工作方式.6 4.7PSM調(diào)制模式.6五 .外圍元器件的選擇.6 5.1電容的取值.7 5.2電感的取值.7 5.3運(yùn)放的選擇.8 5.4功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)8六方案分析.9七電路設(shè)計(jì).1

2、0 7.1復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)推免電路的實(shí)現(xiàn).10 7.2整體電路原理圖.10 7.3對(duì)電路各部分的定性說(shuō)明及定量計(jì)算.11 7.4直流穩(wěn)壓源.11八保護(hù)電路.12九.安裝調(diào)試.13十心得體會(huì).13十一.參考文獻(xiàn).13摘要本文設(shè)計(jì)了一款升壓式DCDC變換器，輸入電壓范圍為27V到55V，適用鋰離子電池供電的便攜式設(shè)備，可輸出高達(dá)18V的穩(wěn)定輸出電壓，負(fù)載電流最大達(dá)200mA。電路采用電壓控制型PWM方式調(diào)制，內(nèi)建頻率為1SMHz的振蕩器。采用同步整流技術(shù)提高系統(tǒng)效率。同時(shí)對(duì)升壓型變換器的模型建立進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了過(guò)溫關(guān)斷、欠壓鎖定等保護(hù)電路來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。此升壓式DCDC變換器的子模塊由帶隙基準(zhǔn)電壓

3、源、誤差放大器、PWM比較器、鉗位電路、振蕩器、系統(tǒng)補(bǔ)償電路等單元電路組成。一、設(shè)計(jì)目的根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的設(shè)計(jì)。進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)模擬電子技術(shù)知識(shí)的理解和對(duì)Protel軟件的應(yīng)用。學(xué)習(xí)DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的設(shè)計(jì)方法與小型電子線路系統(tǒng)的安裝調(diào)試方法。二、設(shè)計(jì)要求內(nèi)容要求：設(shè)計(jì)一個(gè)將110V升高到220V的DC-DC變換器。三開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介電源一般按習(xí)慣可以分為線性穩(wěn)壓電源(LDO)和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源就是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為DCDC穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品

4、。它通過(guò)用電子線路組成開(kāi)關(guān)式(方波)電路來(lái)達(dá)到對(duì)電能的轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)期管穩(wěn)壓電源時(shí)期(1950年代)i晶體管穩(wěn)壓電源時(shí)期(1960年代1970年代中期)、低性能穩(wěn)壓電源時(shí)期(1970年代1980年代末期)、高性能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)期(1990年代至今)。由于開(kāi)關(guān)電源功耗小、效率高(可高達(dá)7095)、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點(diǎn)，而線性電源效率低(一般低于50)，并且電壓轉(zhuǎn)換形式單一(只有降壓)等缺點(diǎn)，如今開(kāi)關(guān)電源已逐漸取代線性電

5、源。當(dāng)然線性電源因?yàn)槠涞驮肼暋⒓y波小的優(yōu)點(diǎn)，在一些電子測(cè)量?jī)x器、代線性電源ADDA和取樣保持電路中，線性電源仍然無(wú)法被開(kāi)關(guān)電源取代。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，其優(yōu)點(diǎn)是小型、輕量、效率高。它的這種優(yōu)點(diǎn)適應(yīng)電子設(shè)備的輕、薄、短、小與節(jié)能的要求，其應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。目前它已成為國(guó)際上開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選。驅(qū)動(dòng)集成電源市場(chǎng)蓬勃發(fā)展的主要原因有兩個(gè)：首先是在提高性能的基礎(chǔ)上，所有電子設(shè)備中使用的硅組件正不斷增加；其次是消費(fèi)性電子產(chǎn)品大量數(shù)字化的結(jié)果。四DCDC變換器原理分析開(kāi)關(guān)電源DCDC變換器是將一種直流電壓變換成另一種固定的或者可調(diào)的直流電壓，也稱為直流直流變換

6、器，它利用無(wú)源元件電感和電容的能量?jī)?chǔ)存特性，從輸入電壓獲得能量，暫時(shí)把能量以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電感中，或者以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電容之中，然后將其變換到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)DCDC變換便攜式電子產(chǎn)品通常需要多種電壓，但是這些產(chǎn)品只能由一組電池供電，因此所需要的各種直流電壓必須通過(guò)DCDC變換器供給。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關(guān)系，DCDC變換器可分為幾種類型，降壓型(Bulk)，升壓型(Boost)和升壓降壓型(Boost-Bulk)和反相型(Cul【)DCDC變換器。下面分別介紹這幾種變換器的工作原理。41 Boost型DCDC變換器下圖是Boost型DCDC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，SW是受控制電路決定的周期性導(dǎo)通的

7、開(kāi)關(guān)， L為升壓電感，D為續(xù)流二極管，C為濾波電容。+圖2I Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加載在儲(chǔ)能電感的兩端，能量被儲(chǔ)存在電感中而不傳遞給輸出端，根據(jù)電感方程，有：由此可以推出：設(shè)輸入電壓保持不變，則有：其中五岫為開(kāi)關(guān)SW導(dǎo)通前流過(guò)電感L的電流，由此可以看出，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后，電感上的電流線性上升，開(kāi)關(guān)上的電流也呈線性上升，在t=-t。時(shí)刻，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的狀態(tài)終止時(shí)，電感電流達(dá)到最大值：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感電壓反向，該電壓和電源電壓疊加后，通過(guò)二極管D和負(fù)載電容C加載到負(fù)載兩端，電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管傳遞給輸出端，同時(shí)直流源也給負(fù)載提供能量。則有：在t。時(shí)刻，流過(guò)電感L的電流為：當(dāng)t-

8、tl=to行時(shí)，流過(guò)電感的電流最小，其值為：將ILmin的表達(dá)式帶入ILm戤的表達(dá)式中，得：該式經(jīng)整理后可得：由上式可以看出，該電路的輸出電壓高于輸入電壓，所以將其稱為升壓型DCDC變換器。工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間ton或關(guān)斷時(shí)間ton都可以改變變換器的輸出電壓。4.2 Buck型DCDC變換器下圖為Buck型DCDC變換器結(jié)構(gòu)示意圖。SW是受控制電路決定的周期性導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)，L和C分別為電感和濾波電容，D為整流二極管。與前文中對(duì)Boost變換器的討論相類似，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流的凈增加量和凈減少量要相等，得到Buck型變換器輸入輸出關(guān)系：在電感電流連續(xù)的條件下：在電感電流不連續(xù)的條件下：其中，

9、其中D為開(kāi)關(guān)SW的導(dǎo)通占空比j D2為二極管的導(dǎo)通占空比。4.2 BuckBoost型變換器BuckBoost變換器是降壓升壓混合電路，其輸出電壓可以小于輸入電壓，也可以大于輸入電壓，且輸出電壓極性與輸入電壓相反。圖為Buck-Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。+在電感電流連續(xù)的條件下，得到： 在電感電流不連續(xù)的條件下，得到：其中D為開(kāi)關(guān)SW的導(dǎo)通占空比，D為二極管的導(dǎo)通占空比。由上式可知，當(dāng)D05時(shí)，BuckBoost電路是升壓電路：4.3Cuk型變換器Cuk變換器其實(shí)是由Boost和Buck兩種變換器組合而成。下圖所示是一個(gè)Cuk變換器。它可以拆分成上面兩種電路。Cuk型電路的最大優(yōu)點(diǎn)是工作在連續(xù)

10、工作模式下時(shí)，它的Boost部分提供一個(gè)非常平滑的輸入電流。Buck部分提供平滑的輸出電流。與前文討論類似，在電感電流連續(xù)的條件下，得到：在電感電流不連續(xù)的條件下，則有：由上式可知，當(dāng)D05時(shí)，Cuk電路是升壓電路。Buck-Boost電路和Cuk電路都是升降壓型混合電路，故有很多共同特性，不同之處是Cuk電路借助電容來(lái)傳輸能量，而B(niǎo)uck-Boost電路借助電感來(lái)傳輸能量。4.4 PWM工作方式PWM工作方式是指保持工作頻率恒定，通過(guò)改變功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間或者截止時(shí)間來(lái)改變占比的一種調(diào)制方式，是目前功率變換器中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。工作原理：首先對(duì)被控輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，得到反饋電壓，

11、將其加至運(yùn)放的反相輸入端，另一個(gè)精確的基準(zhǔn)參考電壓加至運(yùn)放的同相輸入端。反饋電壓與基準(zhǔn)電壓比較后輸出直流誤差電壓，加至PWM比較器的同相輸入端，另一個(gè)固定頻率的振蕩器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)加至比較器的反相輸入端，二者經(jīng)過(guò)PWM比較器，輸出一方波信號(hào)，此方波信號(hào)的占空比隨著誤差電壓變化而變化，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。PWM控制的實(shí)質(zhì)就是在輸入電壓，內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(即脈沖寬度)，保持脈沖的周期不變來(lái)達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的pJ。PWM反饋控制分為電壓控制和電流控制。4.5 PFM工作方式PFM是保持方波寬度不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管

12、的截止時(shí)間，通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。其特點(diǎn)是：輸出取樣值控制頻率控制器，占空比變化范圍大，效率高，功耗低，輸出電壓的可調(diào)范圍比PWM方式大。并且在負(fù)載變化范圍大的情況下，可得到較高的效率。但是，濾波電感為了能適應(yīng)較寬的頻段，其體積和重量必定也要增大。工作原理：取自輸出端的反饋電壓加在誤差放大器的反相輸入端，另一個(gè)精確的基準(zhǔn)電壓加在誤差放大器的同相輸入端，二者之間的壓差被放大后去控制可變頻率控制器?？勺冾l率控制器是一個(gè)壓控頻率變換器，提高輸入電壓就能提高輸出脈沖的頻率。輸出電壓的改變就是通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率得到調(diào)整的。PFM控制的實(shí)質(zhì)就是在輕負(fù)載的情況下，變換器只有比較稀的脈沖群，在脈沖群與

13、脈沖群之間個(gè)基本點(diǎn)功率管都關(guān)斷，電路空閑不工作，電感電流為零。在這個(gè)過(guò)程中，輸出電容為負(fù)載提供電流。當(dāng)輸出電容放電，使得電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，變換器重新工作，再產(chǎn)生一些脈沖群，使得輸出電容被充電。顯然，電路中與負(fù)載無(wú)關(guān)的損耗減小，隨著負(fù)載電流的減小，空閑時(shí)間增加。4.6、PSM調(diào)制模式PSM是通過(guò)改變有效工作頻率來(lái)改變輸出功率的控制方式。其開(kāi)關(guān)損耗與輸出功率成正比，效率幾乎與負(fù)載無(wú)關(guān)。工作原理：控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出的電壓值低于額定值，則這個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。否則開(kāi)關(guān)管截止。這樣就可以使得輸出電壓穩(wěn)定在額定值左右。PSM通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)是否導(dǎo)通來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率

14、。在達(dá)到穩(wěn)定后，開(kāi)關(guān)管的平均工作頻率，即有效頻率由負(fù)載決定。如果負(fù)載足夠大，開(kāi)關(guān)管將在每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，此時(shí)有效頻率達(dá)到最大工作頻率f=1T。在一般情況下，開(kāi)關(guān)管只在部分周期內(nèi)導(dǎo)通，此時(shí)有效頻率fc將小考慮到PWM調(diào)制方式控制電路簡(jiǎn)單，靈活，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，文中設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)制方式。五、外圍元器件的選擇在選擇外圍電路的器件參數(shù)時(shí)，需要考慮到以下幾個(gè)因素根據(jù)工作模式和電流能力選擇電感型號(hào)，包括最大飽和電流和電感值。電感應(yīng)選擇直流電阻較低，飽和電流較大的功率電感。當(dāng)流經(jīng)電感的電流較大時(shí)，由于磁芯的飽和將使實(shí)際電感值下降，所以應(yīng)選用飽和電流大于實(shí)際流過(guò)電感的峰值電流的電感。過(guò)小的電感量將會(huì)使電感電流

15、不連續(xù)造成電流輸出能力降低，輸出紋波較大。感值過(guò)大會(huì)造成瞬間響應(yīng)變差，并增加DCDC變換器的體積。電感值的選取應(yīng)當(dāng)以實(shí)際輸入輸出條件及對(duì)輸出紋波瞬態(tài)響應(yīng)等要求為依據(jù)。綜合考慮電源紋波、體積和成本，選擇電容容量適中、漏電電流小的電容。5.1電容的取值對(duì)于Boost拓?fù)?，輸入電壓最小時(shí)是其最惡劣的情況，因?yàn)檫@時(shí)占空比最大，制了電容取值。在每個(gè)周期T時(shí)間內(nèi)，在0rDT時(shí)，輸出電容與電感隔離，電容為負(fù)載提供能量：Q=IoDT=qAV 取乇典型值為150mA，頻率為15MHZ，D為85，要求y 2; 1.25A; 3W;TIP31NPN型大功率管的參數(shù)為：=5.0A; =40V; =40W,均能滿足設(shè)計(jì)

16、要求。、電阻阻值估算、用來(lái)減小復(fù)合管的船頭電流，太小會(huì)影響復(fù)合管的穩(wěn)定性，太大又會(huì)影響輸出功率，一般取幾百歐姆，在此取=330，為管輸入端的等效輸入電阻，其大小為：=+（1+）輸出管、的發(fā)射極和集電極所接電阻一般取=(0.050.1) 0.5;、的阻值大小要根據(jù)輸出級(jí)輸入信號(hào)的幅度和前級(jí)運(yùn)放的最大輸出電流來(lái)決定。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由決定，過(guò)小會(huì)使晶體管工作在乙類狀態(tài)，產(chǎn)生交越失真，過(guò)大會(huì)增大靜態(tài)功耗而使功率放大器的效率降低一般取=1.5mA,由=計(jì)算得=10k;取1 k，用來(lái)調(diào)整電路的對(duì)稱性。六、方案分析1、DC-DC升壓變換器的工作原理 DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是

17、否隔離來(lái)分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工作原理。圖1（a）是升壓式DC-DC變換器的主電路，它主要由功率開(kāi)關(guān)管VT、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是，當(dāng)控制信號(hào)Vi為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲(chǔ)存于電感L中，由于VT導(dǎo)通時(shí)其飽和壓降很小，所以二極管D反偏而截止，此時(shí)存儲(chǔ)在濾波電容C中的能量釋放給負(fù)載。當(dāng)控制信號(hào)Vi為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT截止，由于電感L

18、中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)將阻止電流的減小，感應(yīng)電勢(shì)的極性是左負(fù)右正，使二極管D導(dǎo)通，此時(shí)存儲(chǔ)在電感L中的能量經(jīng)二極管D對(duì)濾波電容C充電，同時(shí)提供給負(fù)載。七、電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)框圖：運(yùn)放ICOCL功放 In電路分析與計(jì)算：、復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路的實(shí)現(xiàn)電路圖如下圖所示：由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的對(duì)稱性，為了提高功放電路的性能，在實(shí)際電路中廣泛采用復(fù)合功率管。在圖中，、為同型的NPN大功率管，容易配對(duì)，可以輸出較大的電流；、采用異型的NPN和PNP小功率管，也容易配對(duì)。這樣既獲得良好的對(duì)稱性又獲得較大電流輸出。在實(shí)際電路中，、的發(fā)射極和集電極分別接上一個(gè)電阻，使、能有一個(gè)合適

19、的工作點(diǎn)。的作用是調(diào)整電路的整體對(duì)稱性，減小因管子性能而引起的不對(duì)稱性。、整體電路原理圖為：、對(duì)電路各部分的定性說(shuō)明及定量計(jì)算、直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)框圖：電路原理圖如下：圖中構(gòu)成單相橋式整流電路；組成電容濾波電路，這里需要大容量的電容，一般采用電解電容，為了確保安全及輸出電壓的穩(wěn)定性，選用容量為2200F的電解電容。LM317和LM337分別為三端可調(diào)正穩(wěn)壓和負(fù)穩(wěn)壓器，輸出范圍分別為1.2V37V和-1.2V-37V。整個(gè)電源的電壓輸出范圍為：015V和0-15V,能夠滿足音頻功放所需。八、保護(hù)電路電路上電啟動(dòng)時(shí)，為了避免電源電壓的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。需要一個(gè)欠壓鎖定電路，目的是在輸入電壓低于某個(gè)閾值電壓下，器件關(guān)斷隔離輸入輸出。設(shè)計(jì)思路：通過(guò)電阻分壓對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，比較采樣電壓和基準(zhǔn)電壓，若采樣電壓低于基準(zhǔn)電壓，輸出高電平，通過(guò)邏輯控制使芯片進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。采樣電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出低電平，使電路正常工作。設(shè)計(jì)原理圖如上面所示：屬，是，恐為分壓電阻，采樣電源電壓vin后，與基準(zhǔn)壓Vref進(jìn)行比較，輸入電壓正常時(shí)，A點(diǎn)電壓高于Vref，比較器輸出為低，將MNI管關(guān)斷，UVLO信號(hào)為高。電壓電壓開(kāi)始下降，到滿足臨界條件： A點(diǎn)電位下降到低于，使得比較器翻轉(zhuǎn)，UVLO輸出為