直流变换器优秀课程设计.docx

目录
第一章．设计概要
1.1 技术参数
1.2 设计要求
第二章 ．电路基础概述
第三章 . 电力总体设计方案
第三章 .电力总体设计方案
3.1 电路总设计思绪
3.2电路设计总框图
第四章 BUCK 主电路设计
4.1 Buck变换器主电路原理图
4.2 Buck变换器电路工作原理图
4.3 主电路保护（过电压保护）
4.4 Buck变换器工作模态分析
4.5 主电路参数分析
第五章 控制电路
5.1 控制带你撸设计方案选择
5.2 SG3525控制芯片介绍
5.3 SG3525各引脚具体功效
5.4 SG3525内部结构及工作特征
5.5 SG3525组成控制电路单元电路图
第六章 驱动电路原理和设计
6.1 驱动电路方案设计和选择
6.2 驱动电路工作分析
第七章 附录
第八章 设计心得

第一章．设计概要
1.1 技术参数：
输入直流电压 Vin=25V，输出电压 Vo=10V，输出电流 Io=0.5A，最 大输出纹波电压 50mV，工作频率 f=30kHz。
1.2 设计要求：
（1） 设计主电路，提议主电路为：采取 BUCK 变换器，大电容 滤波，主功率管用 MOSFET； （2） 选择主电路全部图列元件，并给出清单；
（3） 设计 MOSFET 驱动电路及控制电路；
（4） 绘制装置总体电路原理图，绘制： MOSFET 驱动电压、 BUCK 电路中各元件电压、电流和输出电压波形（波形 汇总绘制，注意对应关系）；
（5） 编制设计说明书、设计小结。
第二章．电路基础概述
直流斩波电路（DC Chopper）功效是将直流电变为另一固定电压或 可调 电压直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直 流斩波电路通常是指直接将直流电变为另一直流电情况，输入和输 出不之间不隔离。直流斩波电路种类较多，包含 6 种基础斩波电路： 降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。Buck 电路作为一个最基础 DC/ DC 拓 扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于多种电源产品 中。依据对输出电压平均值进行调制方法不一样，斩波电路能够分为 脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方法，Buck 电路研究 对电子产品发展有着关键意义。 MOSFET 特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要 驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于 GTR，但 其电流容量小，耐压低，通常只适适用于功率不超出 10kW 电力电子 装置。 功率 MOSFET 种类：按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道。按栅极 电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电 沟道，增强型；对于 N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时 才存在导电沟道，功率 MOSFET 关键是 N 沟道增强型。
第三章.电力总体设计方案
3.1 电路总设计思绪
Buck 变换器电路可分为三个部分电路块。分别为主电路模块，控制电路模块 和驱动电路模块。 主电路模块， 由 MOSFET 开通和关断时间占空比来决定输出电压 u。 大小。 控制电路模块，可用 SG3525 来控制 MOSFET 开通和关断。 驱动电路模块，用来驱动 MOSFET。
3.2 电路设计总框图
电力电子器件在实际应用中，通常是有控制电路，驱动电路，保护电路和以 电力电子器件为关键主电路组成一个系统。有信息电子电路组成控制电路按 照系统工作要求形成控制信号，经过驱动电路去控制主电路中电力电子器件 导通或关断，来完成整个系统功效。所以，一个完整降压斩波电路也应该 包含主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致谢步骤。 依据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路， 设计出降压斩波电路结构框图以下图所表示。

第四章 BUCK 主电路设计
4.1 Buck 变换器主电路原理图
降压斩波电路原理图和工作波形图 3.1 所表示。该电路使用一个 全控型器件 V，图中为 MOSFET。为在 MOSFET 关断时给负载中电 感电流提供通道，设置了续流二极管 VD。斩波电路关键用于电子路 供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

4.2 Buck 变换器电路工作原理图
直流降压斩波电路使用一个全控型电压驱动器件 MOSFET，用控 制电路和驱动电路来控制 MOSFET 导通或关断。当 t=0 时 MOSFET 管被激励导通，电源 U 向负载供电，负载电压为 Uo=U,负 载电流 io 按指数曲线上升；当 t=t1 时控制 MOSFET 关断负载电流经 二极管 VD 续流负载电压 Uo 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 为了使负载电流连续且脉动小通常使串联电感 L 较大。电路工作时 波形图图 4.2 所表示。

4.3 主电路保护（过电压保护）
此次设计电路要求输出电压为 12V，所以当输出电压设定时，一旦 出现过电压，为了保护电路和期间，应立即将电路断开，及关断MOSFET 脉冲，使电路停止工作。认为芯片 SG3525 引脚 10 端为外部关断 信号输入端，所以能够利用 SG3525 这个特点进行过电压保护。当 引脚 10 端输入电压等于或超出 8V 时，芯片将立即锁死，输出脉冲 将立即断开。所以能够从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通 过比较器输入 10 端实现电压保护。，从而 过电压保护电路图以下所表示：

4.4 Buck 变换器工作模态分析
在分析 Buck 变换器之前，做出以下假设：
① 开关管 V、二极管 VD 均为理想器件；
② 电感、电容均为理想元件；
③电感电流连续；
④ 当电路进入稳态工作时，能够认为输出电压为常数。
当输入脉冲为高电平，即在 ton时段内，V 导通，此时二极管 VD 反偏 截止，以下图 4.3.1 所表示。经过电感 L 电流随时间不停增大，电源 U 向负载 R 提供功率，同时对电容 C 充电。在电感 L 上将产生极性为 左正右负感应电动势，储存磁场能量。 假设储能电感 L 足够大，其时间常数远大于开关周期，流过储能电 感电流 IL可近似认为是线性，并设开关 MOS 管 V 及续流二极管全部 含有理想开关特征，它们正向降压全部能够忽略

式中起始值 ILv是 V 导通前流过 L 电流。当 t=ton时，V 导通 L 中 电流达成最大值 当输入脉冲为低电平，即在 toff时段内，V 截止，电路相当于 V 断开， 以下图 4.3.2 所表示。此时，由电感 L 中电流将减小，为了阻止电流 I0减小，在其上将产生极性为左负右正感应电动势，这时二极管 VD 正偏导通，为电感电流提供通路。电感将释放磁能，首先继续 给负载 R 供电，其次对电容 C 充电，把一部分磁能转化为电容中 电场能。当电感电流下降到某一较小数值时，电容 C 开始对负载 放电，以维持负载所需电流。当电路工作于稳态时，负载电流在一 个周期内初值和终值为相等(下面插入图片4.3.2)

式中起始值 ILP为 V 截止前流过电流。t=toff时，V 截止，L 中电 流下降到最小值
当电路工作在稳态时，联络上式解得：

由以上分析可得，负载电压平均值为:

上式中， ton为 V 处于导通状态时间，toff为 Q 处于断开状态时间； T 为开关周期，即 T=ton +toff；D 为导通占空比，即 D=ton/T；V1 为电 源电压。由该公式可知，负载电压平均值 V2 大小由导通占空比 和电源电压决定。在电源电压不变情况下，其大小可由调整占空比 来改变，且伴随占空比增大而增大，伴随占空比减小而减小 因为占空比 0<D<1，即 V2<V1，输出电压小于输入电压，所以将该电 路称为降压斩波电路。 负载电流平均值为： IO= R V2 上式中，R 为负载电阻。若负载中 L 值较小，则在 Q 关断后，可 能会出现负载电流断续情况。为了确保电流连续，要求串接电感 L 值足够大 MOSFET 在开通和截止下电感电容波形图：
4.4 主电路参数分析
主电路中需要确定参数元器件有直流电源、MOSFET、二极管、电感、 电容、电阻确实定，其参数确定以下：
(1) 电源 要求输入电压为 42V。
(2)电阻 因为当输出电压为 12V 时，输出电流为 3A。所以由欧姆定 律 R=U0/I0,可得负载电阻值为 4 欧姆. 
(3) MOSFET 由图 4.3.2 易知当 MOSFET 截止时，回路经过二极管续流， 此时 MOSFET 两端承受最大正压为 42V；而当α=1 时，MOSFET 有最大 电流，其值为 3A。故需选择 Vdss=100V，Id=9.2A IRF520
(4) 二极管 其承受最大反压 42V，其承受最大电流趋近于 3A，考虑 2 倍裕量，故需选择 UN≥84V，IN≥6A 二极管,选择 MUR820
(5)电感 依据 Buck 变换器性能指标要求及 Buck 变换器输入输出 电压之间系求出关占空比 D= 12V/42V=0.29

(6)开关频率 f=100KHz
(7)电容 设计要求最大输出纹波电压 50mV. )

输出滤波电容耐压值决定于输出电压最大值，通常比输出电 压最大值高部分，但无须高太多，以降低成本。因为最大输出电压 为 12V，则电容耐压值为 15V。
第五章 控制电路
5.1 控制电路设计方案选择
控制电路需要实现功效是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功 率器件通断，经过对占空比调整达成控制输出电压大小目标。 斩波电路有三种控制方法： 1.保持开关周期 T 不变，调整开关导通时间 ton，称为脉冲宽度调制 或脉冲调宽型； 2.保持导通时间不变，改变开关周期 T，成为频率 调制或调频型； 3.导通时间和周期 T 全部可调，是占空比改变，称为 混合型。
因为斩波电路有这三种控制方法，又因为 PWM 控制技术应用最为广 泛，所以采取 PWM 控制方法来控制 MOSFET 通断。PWM 控制就是对 脉冲宽度进行调制技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲， 改变脉冲占空比来取得所需输出电压。改变脉冲占空比就是对 脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要输出电压全部是直流 电压，所以脉冲既是等幅，也是等宽，仅仅是对脉冲占空比进 行控制。 对于控制电路设计其实能够有很多个方法，能够经过部分数字运算 芯片如单片机、CPLD 等等来输出 PWM 波，也能够经过特定 PWM 发 生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选择通常 PWM 发生芯片来进行连续控制。 对于 PWM 发生芯片，我选择了 SG3525芯片，其引脚图图4.1所表示， 它是一款专用 PWM 控制集成电路芯片，它采取恒频调宽控制方案， 内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器 和保护电路等。
5.2 SG3525控制芯片介绍
（1） 工作电压范围：8-35v。
（2） 5.1V 微调基准电源
（3） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。
（4） 含有振荡器外部同时功效
（5）死区时间可调。
（6） 内置软开启电路。
（7） 含有输入欠电压锁定功效。
（8） 含有 PWM 锁存功效，严禁多脉冲。
（9）逐一脉冲关断。
（10）双路输出（灌电流/拉电流）：Ma(峰值)
其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调 PWM 信号。 脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接 电阻电容电路共同组成 SG3525 振荡器。振荡器还设有外同时输 入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器反相输入端、 同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。依据系统动态、静 态特征要求，在误差放大器输出脚9和脚1之间通常要添加合适反 馈赔偿网络，另外当10脚电压为高电平时，11和14脚电压变为10 输出。
5.3 SG3525各引脚具体功效：

（1） 引脚 1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反 馈信号。在开环系统中，该端和赔偿信号输入端（引脚 9）相连，可 组成跟随器。
（2） 引脚 2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中， 该端接给定信号。依据需要，在该端和赔偿信号输入端之间接入信号 不一样反馈网络。
（3） 引脚 3：振荡器外接同时信号输入端。该端接外部同时脉冲信 号可实现和外电路同时。 （4）引脚 4：振荡器输出端。
（5） 引脚 5：振荡器定时电容接入端。
（6） 引脚 6：振荡器定时电阻接入端。
（7） 引脚 7：振荡器放电端。该端和引脚 5 之间外接一只放电电阻， 形成放电回路。
（8） 引脚 8：软开启电容接入端。
（9） 引脚 9：PWM 信号输入端。
（10） 引脚 10：外部关断信号输入端。
（11） 引脚 11：输出端 A。
（12） 引脚 12：信号地。
（13） 引脚 13：输出级偏置电压接入端。
（14） 引脚 14：输出端 B。
（15） 引脚 15：偏置电源接入端。
（16） 引脚 16：基准电源输出端。
5.4 SG3525 内部结构和工作特征

（1） 基准电压调整器
基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护电压调 整器。它供电给全部内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若 输入电压低于 6V 时，可把 15、16 脚短接，这时 5V 电压调整器不起 作用。
（2） 振荡器
3525A 振荡器，除 CT、RT 端外，增加了放电 7、同时端 3。RT 阻值决定了内部恒流值对 CT 充电，CT 放电则由 5、7 端之间外接 电阻值 RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于经过 RD 来调整死 区时间，所以是重大改善。这时 3525A 振荡频率可表为： 式中:CT, RT分别是和脚5、脚6相连振荡器 电容和电阻；dR 是和脚7相连放电端电阻值。依据任务要求需要 频率为100kHz，所以由上式可取 CT=1μF,RT=10Ω,RD=1Ω。可得 f=100kHz.在 3525A 中增加了同时端 3 专为外同时用，为多个 3525A 联用 提供了方便。同时脉冲频率应比振荡频率 fS 要低部分。
(3) 误差放大器
误差放大器是差动输入放大器。它增益标称值为 80dB，其大 小由反馈或输出负载决定，输出负载能够是纯电阻，也能够是电阻性 元件和电容元件组合。该放大器共模输入电压范围在 1.8~3.4V， 需要将基准电压分压送至误差放大器 1 脚（正电压输出）或 2 脚（负 电阻输出）。 3524 误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反 相输入端，3525A 改为增加一个反相输入端，误差放大器和关闭电路 各自送至比较器反相端。这么避免了相互相互影响。有利于误差放 大器和赔偿网络工作精度提升。
(4) 闭锁控制端 10
利用外部电路控制 10 脚电位，当 10 脚有高电平时，可关闭误差 放大器输出，所以，可作为软起动和过电压保护等。
(5) 有软起动电路
比较器反相端即软起动控制端 8，端 8 可外接软起动电容。该 电容由内部 V ref 50μA 恒流源充电。达成 2.5V 所经时间为
点空比由小到大（50％）改变。
(6) 增加 PWM 锁存器使关闭作用更可靠
比较器（脉冲宽度调制）输出送到 PWM 锁存器。锁存器由关闭电 路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这么，当关闭电路动作，即使 过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期关闭控制，直到下一 周期时钟信号使倘存器复位为止。
另外，因为 PWM 锁存器对比较器来置位信号锁存，将误差放大 器上噪音、振铃及系统全部跳动和振荡信号消除了。只有在下一 个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提升。
(7) 增设欠压锁定电路
电路关键作用是当 IC 块输入电压小于 8V 时，集成块内部电路锁 定，停止工作（其准源及必需电路除外），使之消耗电流降到很小（约 2mA）。
(8)输出级
由两个中功率 NPN 管组成，每管有抗饱和电路和过流保护电路， 每组可输出 100mA。组间是相互隔离。电路结构改为确保其输出电 平或是高电平或是低电平一个电平状态中。为了能适应驱动快 速场效应功率管需要，末级采取推拉式电路，使关断速度愈加快。
11 端（或 14 端）拉电流和灌电流，达 100mA。在状态转换中， 因为存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个 电流尖脉冲，其连续时间约 100ns。使用时 VC 接一个 0.1μf 电容可 以滤去尖峰。
另一个不足处是吸电流时，如负载电流达成 50mA 以上时，管饱和 压降较高（约 1V）。
5.5 SG3525 组成控制电路单元电路图

第六章驱动电路原理和设计
6.1 驱动电路方案设计和选择：
该驱动部分是连接控制部分和主电路桥梁，该部分关键完成以下 多个功效：(1)提供合适正向和反向输出电压，使 MOSFET 可靠开 通和关断；(2)提供足够大瞬态功率或瞬时电流，使 MOSFET 能快速 建立栅控电场而导通；(3)尽可能小输入输出延迟时间，以提升工 作效率；(4) 足够高输入输出电气隔离性能，使信号电路和栅极驱 动电路绝缘；(5)含有灵敏过流保护能力。针对以上多个要求，对 驱动电路进行以下设计。针对驱动电路隔离方法：
(1) 采取磁耦隔离，最常见是用时变压器隔离，即经过一次侧和二 次侧磁耦联络将电路隔开，从而取到电气隔离作用。这种方法 优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传输效率很高。 10Ω 1 1uf 但同时缺点也很显著，首先磁耦隔离只能用于交流电路，直流电路无 效，其次变压器体积较大，不利于集成。
(2)采取光电耦合式驱动电路，该电路双侧全部有源。其提供脉冲宽 度不受限制，较易检测 MOSFET 电压和电流状态，对外送出过流 信号。另外它使用比较方便，稳定性比很好。不过它需要较多工作 电源，其对脉冲信号有1μs 时间滞后，不适应于一些要求比较高 场所。 因为这次设计电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔 离。 6.2 驱动电路工作分析：
驱动电路电路图图6.2所表示：

图6.2所表示，MOSFET 降压斩波电路驱动电路提供电气隔离环 节。 光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。 本电路中采取隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路 进行放大。采取推挽电路进行放大原因是因为驱动 MOSFET 电压 约为10V 左右，而 SG3525芯片提供电压只有5V 左右，直接连入无 法驱动 MOSFET。而且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放 大。
第七章 附录
元器件清单
器件名称
规格和型号
数量
直流电源
42V
1
电阻
1/4/10/20/1k/2k/10k(Ω)
1/1/2/1/3/1/1
电容
1/15/10（uf）
1/1/1
MOSFET
IRF520
1
续流二极管
MUR820
1
二极管
IN414B
2
滑动变阻器
10K
1
电感
145uh
1
PWM控制器
SG3525
1
三极管
NPN/PNP
1/1
光耦合器
Optoisol
1
运算放大器
OPAMP
1

第八章 设计心得
经过两周电力电子课程设计让我受益匪浅。不仅仅是在知识方面得 到了提升，在交流方面也有了深入提升。从理论到实践，在课程设 计这段时间，我碰到了很多困难，不过同时也学到了好多东西。它 不仅巩固了以前所学理论知识，更是学到了很多课外东西，锻炼 了自己处理实际问题能力 刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课题很熟悉却无从入手。真 认为理想和现实差距挺大。因为在自己知识系统中，学习大 部分全部是理论知识。考虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压 斩波电路设计”这个课题时，在复习这章节同时，也去了图书馆找 了很多资料方便更广地了解这部分内容，再不知道地方请教老师， 还有自己网上查资料。经过几天努力，最终有了一个电路基础框 架，知道了一个完整电路应该包含几部分，各部分之间连接又应 该注意些什么问题等等。 知道了大约模块以后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发 现问题后，能够再加于完善。实在不懂问题，能够和团体交流，再 者就是查资料。也正所以，我对直流降压斩波电路有了更深认识和 了解，同时，也加强了自己文件检索能力。为了能够是设计愈加合 理，对很多实际问题也进行了比较深入思索。比如，保护电路这个 模块。所以在很大程度上提升了思索能力和处理实际问题能力。 尤其在控制电路这个步骤，花费了很多心思。首先经过不停地查资料， 了解 PWM 控制器（SG3525）利用，具体了解每个引脚代表什么，功 能是什么，所以很多问题全部没有考虑周到，有些难题是和同学们商议 才得出结果，期间和同组组员做了很多沟通和商议，从而处理 了很多问题，这在合作上也是一个不小进步。 这次设计经验，在以后学习、设计中提供了基础。也让我知道无 论多么大设计，应该分模块去完成，才会把看似难题东西处理掉。