开关电源课设报告.doc

电气与电子信息工程学院
《电力电子装置设计与制作》
课程设计报告
名 称： 开关直流降压电源（BUCK）设计
　　　专 业 名 称：　 　 电气工程及其自动化　
班 级： 14级专升本（1）班
　　　学　 　号：　　 201420210125
姓 名：
指 导 教 师： 南光群、张智泉、叶天凤
课程设计时间： 2015年11月30日—12月10日
课程设计地点： K2-414和K2-306实验室
电力电子装置设计与制课程设计成绩评定表
姓 名

学号
201420210125
专业班级
14电气工程及其自动化专升本（1）班
课程设计题目：开关直流降压电源(Buck)设计
课程设计答辩记录：
1、 开关元件的选择要考虑那些因素？
答：1.开关管的耐压值，2.电流的最大值，3与开关频率有关
2、 TL494有几种输出控制方式？
答：TL494有2中输出控制方式，当输出控制（13）引脚接地时，输出控制方式为单端模式，其输出频率等于RC的振荡频率；当输出控制（13）引脚接参考电压时，输出控制方式为推拉模式，输出频率等于RC振荡频率的一半。
成绩评定及依据：
1. 课程设计考勤情况（20%）：
2. 课程设计答辩情况（30%）：
3. 完成设计任务报告规范性（50%）：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）：

指导教师签字：
年 月 日
《电力电子装置设计与制作》
课程设计任务书
2015～2016学年第一学期
学生姓名： 专业班级：电气工程及其自动化14级专升本1班
指导教师： 南光群、张智泉、叶天凤 工作部门： 电气与电子信息工程学院
一、课程设计题目：
开关直流降压电源（BUCK）设计
二、课程设计内容
根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。
设计题目选：
题目一：开关直流降压电源（BUCK）设计
主要技术指标：
1）输入交流电压220V（可省略此环节）。
2）输入直流电压在14-18V之间。
3）输出直流电压11V，输出电压纹波小于2%。
4）输出电流1A。
5）采用脉宽调制PWM电路控制。
三、进度安排
序号
名 称
时 间
1
下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。
一 天
2
掌握锯齿波产生电路、电压反馈电路、控制电路的工作原理
一 天
3
掌握稳压电源电路工作原理
半 天
4
绘出原理框图以及各部分电路的详细连接图
一 天
5
学会借用电子线路CAD正确绘制电路图；
一 天
6
掌握焊接技术以及MOSFET、二极管、三极管等器件的检测方法
半 天
7
掌握电路的安装与调试
一 天
8
根据直流稳压电源电路的工作原理设计电路图
一 天
9
了解电子电路板的制作过程
半 天
10
学习电路原理图及印制电路板图的读图方法
半 天
11
掌握稳压开关电源的检测与调试
一 天
12
书写课程设计报告
一 天
四、基本要求
1、独立设计原理图各部分电路的设计；
2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。
3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。
4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。
封面、课程设计任务书
摘要，关键词（中英文）
方案选择，方案论证
系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）
各模块的功能，原理，器件选择
实验结果以及分析
设计小结
附录---参考文献
目 录
摘 要 1
Abstract 1
1 方案设计与论证 2
1.1 总体方案的设计与论证 2
1.2 开关管的选择 2
1.3 模拟控制芯片的选择 2
2 系统设计 3
2.1 系统总体组成框图 3
2.2 电路原理图 3
3 功能及器件的选择 4
3.1 主电路元器件的选择 4
3.1.1 电感的选择 4
3.1.2 输出滤波电容的选择 5
3.1.3 MOSFET开关管的选择 5
3.1.4 二极管的选择 6
3.2 PWM控制的设计 6
3.2.1 锯齿波的频率的计算 6
4 仿真分析 7
4.1仿真模型 7
4.2 仿真结果及分析 7
5 实物结果及分析 9
5.1 实物图 9
5.2 实物结果及分析 9
6 设计小结 13
参考文献 14

摘 要
本次电力电子装置设计与制作，利用BUCK型转换器来实现14V-18V的开关直流降压电源的设计。使用TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了推挽式放大电路。另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态,采用模拟PI调节器实现对电路的快速调节作用，使系统稳定工作；TL494采用RC振荡电路来产生锯齿波来作为驱动信号的载波，控制开关管的开关频率。
关键字： 降压电源 推挽式放大电路 开关频率
Abstract
This Power electronic equipment design is used by BUCK to catch the goal of 16V-8VSwitch dc step-down power supply design. Use TL494 as control chip output pulse signal to control the opening of MOS tube and shut off. In order to make the MOS tube G pole and S pole separate, this design uses a push-pull amplifier circuit. In addition, the design also joined the feedback link to make the circuit more accurate and stable,PI analog regulator circuit for fast regulation of that system stability;TL494 RC oscillator circuit to generate a sawtooth wave as the carrier drive signal, control the switching frequency of the switching tube.
KeyWord:step-down power supply push-pull amplifier circuit Switching frequency
1 方案设计与论证
1.1 总体方案的设计与论证
方案一：采用低压线性稳压管（LDO）来设计电路。其优点是输出波形稳定，噪音小，所以外部电路比较简单。不足之处在于输入和输出电压的差值不能太大，效率较低，其负载电流相对较小。
方案二：采用BUCK降压电路。该电路是负载电流大，效率高，发热小。由于是通过开关管的开通和关断来实现能量的转换，所以纹波和噪音较大，需要较多额电容滤波。但考虑本次设计的需求，所以选择该方案。
综上所述，故选择BUCK降压电路。
1.2 开关管的选择
方案一：采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）。IGBT的功率容量大，但是开关频率较低，同时在关断时存在拖尾电流，需要加一个负电压让IGBT可靠的关断，对驱动电路要求较高。
方案二：采用电力MOSFET。电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单；又由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，而在本电路中功率不是很大。
综上所述，故选择电力MOSFET器件。
1.3 模拟控制芯片的选择
方案一：采用UC3842模拟控制芯片。UC3842是采用峰值电流模式控制的集成PWM控制器，专们用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。驱动电路的结构为图腾柱结构的跟随电路，其输出峰值电流可达1000mA，可以直接驱动主电路的开关器件，但是在芯片欠压保护后再次启动的电压为16V，在本设计中启动电压较高，故不选择该芯片。
方案二：采用TL494模拟控制芯片。TL494采用固定频率的PWM波的控制方式可以根据需要选择输出最大占空比和输出的频率，同时也可以根据需要调节死区时间的大小，驱动输出端也可以采用单端模式或者推拉模式，电路的启动电压为7V，最大工作电压为40V，具有较宽的工作电压范围。考虑到实际情况所以在本设计中采用TL494。
综上所述，故选择TL494作为模拟控制芯片。
2 系统设计
2.1 系统总体组成框图
系统总体组成框图如图2-1所示。该系统中由BUCK主电路、反馈采样电路、控制电路和驱动电路组成。从而构成了一个电压闭环控制系统。
图2-1 系统总体框图
2.2 电路原理图
总体电路原理图如图2-2所示。
图2-2 电路原理图
3 功能及器件的选择
3.1 主电路元器件的选择
3.1.1 电感的选择
在进行电感的计算上，首先介绍一个关键参数的说明，称为电流纹波率。它表示电感电流的交流分量与直流分量的几何比例。因此，有
(3-1)
上式中为电流纹波，为电感电流直流分量，为交流分量，为平均电感电流。
在工程中的取值一般在之间，并且它与特定工况、开关频率、甚至拓扑本身都无关。所以在实际设计中，它一般按0.4取值。
在大多数实际应用中，输入电压会在之间的某一范围内变化。因此，还需要知道电流的交、直流分量及其峰值在输入电压变化时如何随之变化。最重要的是：需要知道在此变化范围内，哪个特定输入电压值对应峰值电流最大值。如前所述，峰值电流对于保证电感工作时不发生磁饱和是极其重要的。所以对于电感设计而言，“最恶劣”电压定义为峰值电流达到最大值时所对应的输入电压。该特定电压将用于电感设计或选择。
对于降压变压换器，总是优先从（即最小占空比）开始设计电感。
在本设计中电压的输入范围为：14~18V，输出电压为11V，开关频率为25KHz，输出电流为1A所以对于buck电路而言，需要从（20V）开始设计电感。所以最小占空比为：
(3-2)
再由公式计算的L为：
(3-3)
一般实际的电感量为计算值的3倍左右，故所选的电感量为1.29mH。磁芯选择铁氧体磁环绿色喷涂环，导磁率为15k nH，由公式：
(3-4)
可以推出所需的匝数大约为N=10匝。
3.1.2 输出滤波电容的选择
选择输出电容的经典法则是：额定纹波电流要等于或大于输出电容最大有效值电流。通常，选择的额定电压比应用中要求的输出电压高出至少20%~50%。变换器的输出电压纹波也是一个需要考虑的问题。输出电容产生的输出电压纹波峰值等于其等效串联电阻与最大输出电流峰峰值的乘积（忽略电容的等效串联电感）。
在本设计中输出电压纹波的要求是2%，输出纹波电压=11*2%=0.22V，所以由公式：
(3-5)
考虑考实际中电容的标称值所以选择4.7uF电解电容。
3.1.3 MOSFET开关管的选择
选择开关管的经验法则是：额定电流至少等于（最好至少两倍于）上述计算的最大开关管有效值电流，这是为了降低损耗，因其开关正向压降额定电流增加而大幅减小。
对于降压变换器，最高开关电压为，通常，选择的额定电压要比最高开关电压高出至少20%（降额至80%左右，即留出安全裕量）。
在本电路中最高输入电压为20V，考虑裕量，所以计算的开关管的耐压值为100V。
计算MOSFET导通损耗的简单方程如下：
(3-6)
公式中，是MOSFET的导通电阻，是开关管电流波形的有效值，等于
(3-7)
式中，是buck电路的负载电流，D是占空比。通过计算可以得到，要得到较小的导通损耗则其MOSFET的导通电阻就需要选择很小。考虑到成本的问题，通过综合折中考虑在本电路中采用IRF9Z24的P沟道MOSFET开关管。
3.1.4 二极管的选择
对于降压变换器，输入电压升高，占空比下降。因为平均电感电流仍保持在，所以平均二极管电流增加。这意味着降压变换器在处的二极管电流和损耗最大。因此，可用按照一般电感设计步骤（在）计算的数值。
选择二极管的经验法则是：额定电流至少等于（最好至少两倍于）下述最大平均二极管电流，这是为了降低损耗，因其正向压降随额定电流增加而大幅减小，
对于降压变换器，最大二极管电流为，通过计算可以得。
通过以上的经验法则和实际情况折中0选择二极管的最大额定电流为1A的二极管。
而选择额定电压要比最大二极管电压高出20%的安全裕量，即选择100V的最大耐压值。
二极管的选择还得考虑其反向恢复时间，反向恢复时间要小于开关管的开关时间。综上考虑，选择FR107二极管。
3.2 PWM控制的设计
3.2.1 锯齿波的频率的计算
在本电路中采用的控制芯片是TL494。TL494是一种频率固定的脉冲调制控制电路,集成了开关电源控制所需要的主要模块。内部线性的锯齿波振荡器频率由2个外部元件决定，和。近似的振荡频率可以由下面公式决定：
(3-8)
在本电路中设定的频率为，选取标称电阻，则可以计算出定时电容。
4 仿真分析
4.1仿真模型
仿真模型如图4-1所示。
图4-1 仿真模型总体电路图
4.2 仿真结果及分析
电路在最低输入电压14V和最高输入电压18V时的波形图如图4-2和4-3所示。
图4-2 输入电压为14V时的波形图
图4-3 输入电压为18V时的波形图
通过仿真图可以看出输出电压的纹波在技术指标的范围内，达到了设定的值。
5 实物结果及分析
5.1 实物图
Buck电路实物图如图5-1所示。
图5-1buck电路实物图
5.2 实物结果及分析
实物测试波形图如下图所示：
图5-2 输入电压为14V时的输入电压波形图
图5-3 输入电压为18V时的输入电压波形图
图5-2和图5-3分别为供电电源为14V和18V时的输入电压波形图，波形图中的直流电压上的尖峰为开关管开通关断时产生的。
图5-4 输入电压为14V时的输出电压波形图
图5-5 输入电压为18V时的输出电压波形图
图5-4和图5-5均为输出电压11V时的波形图，从图中可以看出输出电压的的纹波较小，满足设计的要求。
图5-6 输入电压为14V时开关管GS两端的驱动波形图
图5-7 输入电压为18V时开关管GS两端的驱动波形图
图5-6和图5-7为开关管GS两端的驱动形图，从上图中可以看出驱动在高电平时出现了震荡，分析原因可能是由于寄生电感的原因导致波形震荡。
图5-8 输入电压为14V时开关管DS两端的电压波形图
图5-9 输入电压为18V时开关管DS两端的电压波形图
图5-10 输入电压为14V时电感两端的电压波形图
图5-11 输入电压为18V时电感两端的电压波形图
实验结果分析，通过以上的实验波形图可以看出，电感电流处于断续状态。
6 设计小结
在本次课程设计中，获得很多的收获。一个电路的设计和电路中器件的选择，都需要通过理论的学习，才能设计出一个优秀的电路。所以本次实验让我更进一步的懂得了学习理论知识的重要性，没有理论的支撑，在实际的运用调试过程中是很难前行的，很难找到关键的问题所在。只有获得更丰富的理论知识，才能使得我们在实际的应用中找到核心的问题和提出更加优化的设计。 
回顾此次电力电子装置课程设计的一个星期，我感慨很多。从理论到时践，我们遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了我们解决实际问题的能力。一个电路的设计和电路中器件的选择，都需要通过理论的学习，才能设计出一个优秀的电路。所以本次实验让我更进一步的懂得了学习理论知识的重要性，没有理论的支撑，在实际的运用调试过程中是很难前行的，很难找到关键的问题所在。只有获得更丰富的理论知识，才能使得我们在实际的应用中找到核心的问题和提出更加优化的设计。 
在此次课程设计过程中，我们遇到的问题还是很多的。刚开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我们小组去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。然后在做设计的过程中我们学到了很多东西，也觉得知识掌握得不够牢固，以后还要努力。通过这次课设，也锻炼了我们将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。 
虽然现在的设计题目比较简单，但通过课程设计的学习工作，使我和组员接触了很多新的知识，也让我们对这门课有了更深的了解，培养了我们求真务实的态度。
参考文献
[1] 裴云庆，杨旭，王兆安. 开关稳压电源的设计和应用[M]. 北京：机械工业出版社，2010.
[2] Sanjaya Maniktala(美)著，王健强等译. 精通开关电源设计（第二版）[M]. 北京：人民邮电出版社，2015.
[3] 王兆安，刘进军. 电力电子技术（第五版）[M]. 北京：机械工业出版社，2009.