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DC-DC 电源变换器的设计与制作
综合实训技术报告

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目录

目录……………………………………… 2
概要……………………………………… 3
1、课题内容及求………………………… 4
2、设计方案及原理图…………………… 5
3、电路实物图及PCB覆铜面…………… 13
4、元器件选择…………………………… 16
5、芯片资料……………………………… 20
6、参考资料及网站……………………… 27
7、致谢…………………………………… 27

第一章：概要
DC-DC电源变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被应用于无轨电车，地铁列车，电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳，快速响应的性能，并能同时收到节约电能的效果。开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主要地位，为了以更低的功耗获得更高的速度和更加的性能，半导体器件正在向1V工作电压发展，这也对DC/DC变换器提出了更高的要求。除了需要增添更多的功能外，还需要延长电池的寿命，并缩小系统体积。目前仍以PWM型DC/DC产品为主流产品。
本设计对一种新颖的DC/DC变换器的设计和实现进行了论述，开关电路设计实现了输入为12V，输出为+5V/0.8A和28V/0.5A的集成DC/DC变换器MC34063。线性部分实现输入12V，输出分别为5V/1A、2~9V/0.3A、3.3V/0.5A。

课题内容及求
课题基本内容内容：
输入电压12V±10%
12V/2A

开
关
切
换
开关
电源
28V/0.2A
5V/0.8A
线性
电源
5V/1A
3.3V/0.5A
2V/9V
课题要求：
1、 用开关切换的方式实现DC/DC开关电源和DC/DC线性电源。
2、 DC/DC开关电源输出电压要求:
28V/0.5A，纹波≤0.28Vpp(Vpp);5V/0.8A,纹波≤0.05Vpp(1%)
电压调整率≤2%，负载调整率≤2%，效率≤70%。
3、DC/DC线性电源输出电压要求：5V/1A纹波≤25mVpp(0.5%)
3.3V/0.5A纹波≤17.5mV(0.5%)
2~9V/0.3A纹波≤45mV(0.5%)
电压调整率≤5%，
负载调整率≤5%，
效率≥30% 。
4、设计需考虑电路结构的简洁，材料成本低，调试的方便。

设计方案及原理图
设计方案1：

电路优点：电路采用集成芯片，输出电压精度高，稳定度高，电路相对简单。
电路缺点：由于电路采用集成芯片，所以电路中的各个分立元件参数不容易确定。

设计方案2：

电路优点：电路各元件参数比较容易计算，电路容易计算。
电路缺点：电路较复杂，输出电压精确度不高，不稳定。（由于采用的是分立元件，电路无集成性）
最终方案：
采用设计方案1，因为设计方案1比较符合课题要求的第四条且电路的设计容易调试，电路简单明了。若采用方案2，则电路分立元件较多比较复杂，焊点多，容易出现各种问题，调试不方便。如下图：

原理图
根据要求可设计电路如图：

各电路部分:
1、线性电路部分：

详细设计过程：

3、 开关电源部分：
28V输出

5V输出

详细设计过程：
电路中Rw1，Rw2分别为功率电阻，将它们接在开关电源的输出端做为其负载，便于测量。

电路实物图及覆铜面
电路实物图如下：

一、PCB电路装配流程：
1、 首先装配贴片元件；
2、 装配电阻、发光二极管、芯片底座、二极管、电源插座（都是插装式元件）；
3、 装配电解电容（按高低顺序装配，方便焊接）；
4、 装配芯片LM7805、LM317（先装配散热器，然后根据散热器上的螺丝扣对应焊接芯片）。
二、焊接过程注意事项:
1、 焊接贴片元件时先在其中一个引脚对应的焊盘上镀锡，然后用镊子夹着焊接上其中以管脚，再焊接令一管脚；
2、 注意不同元件的焊接方式，防止虚焊，漏焊；
3、 焊接过程中要注意烙铁头的卫生，若烙铁头很脏，会影响电路的焊接质量，更容易引起漏焊，焊接时要用湿海绵不停地擦拭烙铁头；
4、 焊接一个元器件的时间不能超过3秒，否则会引起元器件的损伤。另外焊接时焊锡不宜过多，不仅会引起焊盘的凸起还会影响电路的焊接质量。
5、 一般选30-60W外热式电烙铁，1mm以下含松香焊锡，烙铁头必须清洁，可在含水海绵上擦拭，不可用硬物刮擦。焊接时，烙铁头应同时接触器件引脚及电路板，再送入焊锡。
三、电路板调试过程：
1、 先用万用表检测电路中是否存在短路，断路问题。元件是否安装正确。开关通路，断开是否正常。
2、 接通电源，闭合相应开关用万用表测试输出电压，电流是否达到要求。
3、 连接示波器，测试纹波电压、电压调整率、负载调整率的数值。
四、调试过程中注意事项：
1、 用万用表测试通断时，禁止接通电源；
2、 调试前应确定所有接地是否连接在了一起；
3、 应在断开电源的情况下更换元器件；
4、 元器件的引脚留取不宜过长，正常留取，否则电路测试过程中容易引起电路短路。
PCB覆铜面：
由于是采用双面板，所以电路的覆铜面有两张。
图如下

红色焊接面（主要是贴片元件）

蓝色覆铜面（主要是插装元器件
元器件选择
DC-DC电源变换器的元器件的选择
1、电容：
电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件。但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具平滑电压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引线，形成一个等效串联内电阻ESR。这种等效串联内电阻在开关电源中小信号控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电路器滤波效果时非常重要。有时加大电容值并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。一般在选用滤波电容时常用的电容耐压值有6.3V,10V,16V,25V,35V,50V,100V等等。选用时根据要求选用。常用的去耦电容有0.1uF，0.01uF。
2、电阻：
电阻（Resistance，通常用“R”表示）是所有电路中使用最多的元件之一。在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。
电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
　　电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。选择电阻时要注意电阻的功率大小，电路中最常用的电阻功率有1/8W、1/4W、1/2W。大功率电阻有：1W、2W、5W、10W等等。甚至在不同的场合会有更大功率的电阻。一般在电路中的普通最多的是0.25W的，在较为复杂的电路中普通电阻常用贴片电阻。
3、电感:
电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因此理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续性”，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。
电感符号：L
　　电感单位：亨（H）、毫亨（mH）、微亨（μH），换算关系为：1H=10^3mH=10^6μH=10^9nH。
　　换算：数值X10的n次方 如103 即为10X10的三次方nh 为10uh
　　除此外还有一般电感和精密电感之分
　　一般电感：误差值为20%，用M表示；误差值为10%，用K表示。
　　精密电感：误差值为5%，用J表示；误差值为1%，用F表示。
如：100M，即为10μH，误差20%。
色环电感的读法：
棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
误差代表：
金 银
+/-5% +/-10%
如果色环分别为黄紫红金=472=47*10^2UH=4.7MH
也就是ABCD中AB是有效数值，C代表10的幂次方，D代表误差。
电感的计算公式：
L=(k*μ0*μs*N2*S)/l
其中
μ0 为真空磁导率=4π*10^(-7)。（10的负七次方）
μs 为线圈内部磁芯的相对磁导率，空心线圈时μs=1
N2 为线圈圈数的平方
S 线圈的截面积，单位为平方米
l 线圈的长度， 单位为米
k 系数，取决于线圈的半径（R)与长度(l)的比值。
由于本电路采用的是绕制电感，所以对于绕制电感有以下知识点：
一、一般的材料：
漆包线、模具（木块和夹板）、棉纱线、绝缘纸（例如黄蜡抽之类）、铁芯材料、绝缘漆、工具则有绕线机、烘干机。
二、在制作分频器电感前必须满足两点点要求：
1、线圈直流电阻要小, 小到扬声器阻抗的十分之一以下。线径粗细要适宜，若太细，直流电阻偏大会消耗过多的功率，反之线径太粗会给绕制带来困难,，体积也大,，一般选线径0.8-1.5mm。
2、 电感线圈的品质因素Q值要大于10以上, 验算方法由下文给出。在绕制时要注意密绕紧排。
三、绕制电感的步骤：
1、骨架尺寸的选取。如图1：
为线圈骨架的内径；为骨架轴长（不能超过的5-6倍）；为线圈厚度；为线圈平均直径，。

图1 线圈骨架示意图
先假设骨架具体规格, 然后根据下列经验公式计算匝数N:

式中取，其余参数取。
2、选漆包线。线径的经验公式为：

式中为绕线的紧密系数，一般取1.1-1.3。
3、计算所绕线圈的实际厚度。计算后与假设的值相差较大，应修正骨架的或值，重复步骤1-3的计算。

4、估算导线总长度。

5、验算线圈的值

式中为漆包线每千米的直流电阻，为绕制导线总长的直流电阻值。值应满足，否则另选漆包线规格重新计算。
6、复算绕制好的线圈电感量, 误差在内就可以.

4、开关管：
无论哪一种DC/DC变换器主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小，目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。
芯片资料
LM7805:
LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供DC 5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A的电流，如果使用外围器件，它还能提供不同的电压和电流。
LM7805引脚图（管脚图）

7805是常用的三端稳压器件，顾名思义05就是输出电压为5v，还可以微调，7805输出波纹很小。
(1) 集成三端稳压器根据稳定电压的正、负极性分为78×××，79×××系列。附图给出了正、负稳压的典型电路。

〈正、负稳压7805电路〉
(2) 三端稳压器的型号规格和管脚分布。

附表1 三端稳压器输出电流字母表示法

例如：78M05三端稳压器可输出+5 V、0．5 A的稳定电压；7912三端稳压器可输出 12V、1A的稳定电压。 (3) 外形及管脚分布，如附图1-25所示。

lm7805典型应用电路图:

2.芯片MC34063
MC34063是一块单片DC/DC变换控制电路，内含直流到直流变换起所要求的主要功能。这些功能有：带有温度补偿的基准电压源、比较器、带自激励电流限制的占空比可控振荡器、驱动器和大电流输出开关等。该电路专为降压、升压和倒相应用所设计的，应用时外围元器件少，有低静态电流、短路电流限制。MC34063集成电路主要特性：输入电压范围：2、5～40V 输出电压可调范围：1．25～40V ，输出电流可达：1．5A ，工作频率：最高可达100kHz 。
内部电路图：

1脚：开关管T1集电极引出端；
2脚：开关管T1发射极引出端；
3脚：定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；
4脚：电源地；
5脚：电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1％的精密电阻；
6脚：电源端；
7脚：负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；
8脚：驱动管T2集电极引出端。
典型电路;

3、芯片LM317
　 lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。
稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。
　 LM317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。
　 在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。
要解决317稳压块最小稳定工作电流的问题，可以通过设定R1和R2阻值的大小，而使317稳压块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流，从而保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。此时，只要保证Vo/（R1+R2）≥1.5mA，就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。上式中的1.5mA为317稳压块的最小稳定工作电流。当然，只要能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作，Vo/（R1+R2）的值也可以设定为大于1.5mA的任意值。
经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ。又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R2≈23.74KΩ。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时，必须保证R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ两个不等式同时成立，才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。
　实际应用电路图如下
4、ASM1117：
　AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。
　　AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
　　AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封装。封装类型： SOT-223 TO-252 SO-8
　　三端口可调节或固定输出电压
　　1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V 和5.0V 输出电流1A 工作压差低至1V 线荷载调节：0.2% Max. 负载调节：0.4% Max. 可选SOT-223,TO-252和SO-8封装。

典型电路：

参考资料
1、
2、
3、 周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用.北京：人民邮电出版社，2003
4、 沙占友等.新型单片开关电源设计与应用技术.北京：电子工业出版社，2004
致谢
五周的实训在今天画上了圆满的句号。实训让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实训教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。 本次实训在老师的悉心指导与帮助下顺利的完成，在实训的分析与实践中老师们都给予了细心的指导，老师不紧指导我们学习专业知识，也教会了我们用科学的思维方式和方法发现问题，解决问题。对我们以后的学习和工作起到了很好的指导作用。