buck電路的課程設(shè)計(jì)---開關(guān)直流降壓電源（buck）設(shè)計(jì)

1、<p>　　開關(guān)直流降壓電源（BUCK）設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本次電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作，利用BUCK型轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)16V-8V的開關(guān)直流降壓電源的設(shè)計(jì)。使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號(hào)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)采用了推挽式放大電路。另外本設(shè)計(jì)還加入了反饋環(huán)節(jié)，利用芯

2、片自身的基準(zhǔn)電壓與反饋信號(hào)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(gè)穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。</p><p>　　關(guān)鍵字：BUCK型轉(zhuǎn)換器，降壓電源，TL494，推挽式放大電路。</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　This Power electronic equipment desig

3、n 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 an

4、d 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 .</p><p>　　Key word: BUCK type converter,

5、 Step-down power, TL494, Push-pull amplifier circuit.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract1</p><p>　　1.方案論證與比較3</p>

6、<p>　　1.1 總方案的設(shè)計(jì)與論證3</p><p>　　1.2 控制芯片的選擇3</p><p>　　1.3 隔離電路的選擇3</p><p>　　2. BUCK電路工作原理4</p><p>　　3. 控制電路的設(shè)計(jì)及電路參數(shù)的計(jì)算6</p><p>　　3.1 TL494控制芯片6&

7、lt;/p><p>　　3.2 電路參數(shù)的計(jì)算7</p><p>　　3.2.1電感值的計(jì)算7</p><p>　　3.2.2 線圈圏數(shù)計(jì)算7</p><p>　　4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析7</p><p><b>　　4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果7</b></p><p><

8、b>　　設(shè)計(jì)小結(jié)9</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)9</b></p><p><b>　　1.方案論證與比較</b></p><p>　　1.1 總方案的設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　方案一：LDO也就是低壓差線性穩(wěn)壓管來設(shè)計(jì)電路。其優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩(wěn)定，噪音小，

9、所以外部電路比較簡單。缺點(diǎn)是輸入和輸出電壓不可以很大，效率比較低，其負(fù)載電流相對(duì)比較小。</p><p>　　方案二：使用BUCK型轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載電流大，效率高，發(fā)熱小。缺點(diǎn)是通過MOS管的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換，所以其紋波比較大，噪音大，需要很多電容為其濾波，并且開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)。</p><p>　　但綜合我們的設(shè)計(jì)目的，需要大負(fù)載，大壓差，高效率，小發(fā)熱的電路。故優(yōu)選BUC

10、K型電路。</p><p>　　1.2 控制芯片的選擇</p><p>　　方案一：選擇MC34063控制芯片。該器件本身包含了DC／DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價(jià)格便宜。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R—S觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC／DC變換器僅用少量的外部元

11、器件。主要應(yīng)用于以微處理器(MPU)或單片機(jī)(MCU)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)里。</p><p>　　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。</p><p>　　綜合對(duì)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，所以選擇方案二最為合宜。</p><p>　　1.3 隔離電路的選擇</p>

12、;<p>　　方案一：采用光耦隔離的優(yōu)點(diǎn)是：占空比任意可調(diào)；隔離耐壓高；抗干擾能力強(qiáng)，另外，光耦屬電流型器件，對(duì)電壓性噪聲能有效地抑制；傳輸信號(hào)范圍從DC到數(shù)MHz,其中線性光耦尤其適用于信號(hào)反饋。 其缺點(diǎn)是：在全橋拓?fù)渲?，開關(guān)器件為4個(gè)，需3—4個(gè)光耦，而每一光耦都需獨(dú)立電源供電，增加了電路的復(fù)雜性，成本增加，可靠性降低；因光耦傳輸延遲較大，為保證開關(guān)器件開通與關(guān)斷的精確性，必須使各路的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，使各路的延遲一致，而

13、這往往難以做得很好； 光耦的開關(guān)速度較慢，對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖的前后沿產(chǎn)生較大延時(shí)，影響控制精度。</p><p>　　方案二：采用推挽式放大電路進(jìn)行隔離。這是一種常用的隔離方式，對(duì)于小型手工電路板來說性價(jià)比比較高，而且很方便。</p><p>　　綜合二者性能，本次設(shè)計(jì)選擇方案二。</p><p>　　2. BUCK電路工作原理</p><p>　　

14、圖1. BUCK電路圖</p><p>　　降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖如上所示。該電路使用MOS管作為開關(guān)。在上圖中，為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中Em所示。若負(fù)載中無反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只需令Em=0。電路的工作波形如下所示：</p><p>　

15、　圖2. 電流連續(xù)時(shí)波形圖</p><p>　　由圖6中的V的柵射電壓波形可知，在t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接L值很大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。&l

16、t;/p><p>　　負(fù)載電壓的平均值為 ；式中，為V處于通態(tài)的時(shí)間；為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。由此式知，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。</p><p>　　負(fù)載電流的平均值為 ，若負(fù)載中的L值較小，則在V關(guān)斷后，到了時(shí)刻，如圖7所示，負(fù)載電流

17、已衰減至零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負(fù)載電壓平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：</p><p>　　保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM方式）。</p><p>　　保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制。</p><p>　　和T都可調(diào)

18、，使占空比改變，稱為混合型。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。</p><p>　　圖3. 電流斷續(xù)時(shí)波形</p><p>　　以上的電壓電流關(guān)系還可以從能量傳遞關(guān)系簡單地推得。由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為不變。電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為。從負(fù)載看，在整個(gè)周期T中負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為。一個(gè)周期中，忽略電路中的損

19、耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即：</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　與上述結(jié)論一致。</b></p><p>　　在上述情況中，均假設(shè)L值為無窮大，且負(fù)載電流平直。在這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為，則有：</p><p>　　其值小于等于負(fù)載電流，

20、由上式得</p><p>　　即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。</p><p><b>　　圖4.系統(tǒng)電路圖</b></p><p>　　3. 控制電路的設(shè)計(jì)及電路參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　3.1 TL494控制芯片</p><p>　　TL494控制芯片是一個(gè)固定

21、頻率的脈沖寬度調(diào)制電路內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器振蕩頻率可通過外部的電阻R T和電容C T來進(jìn)行。其振蕩頻率為,R=4.7K歐姆，C＝103.計(jì)算得。</p><p>　　圖5. TL494脈沖寬度調(diào)制電路</p><p>　　芯片14腳輸出基準(zhǔn)電壓通過電阻分壓進(jìn)入15號(hào)腳作來與16號(hào)反饋信號(hào)進(jìn)行比較的基值。從主電路輸出端引出的反饋信號(hào)即16號(hào)腳，與15號(hào)腳的基值進(jìn)行比較，從面調(diào)節(jié)8號(hào)腳和11號(hào)

22、腳輸出的脈沖信號(hào)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(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電壓值。本次設(shè)計(jì)選擇輸入16V，輸出8V。</p><p>　　3.2 電路參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　3.2.1電感值的計(jì)算</p><p>　　由于產(chǎn)生脈沖的芯片相應(yīng)R＝4.7K歐姆，C＝103.則芯片產(chǎn)生的脈沖頻率為f=1.1/(RC).計(jì)算得f=23.4

23、KHZ.在電感充放電一個(gè)周期內(nèi)：</p><p>　　得 </p><p>　　開通時(shí) </p><p>　　對(duì)于BUCK電路，開通時(shí)， D=Uo/Ui. </p><p>　　所以 <

24、/p><p>　　故計(jì)算得出 L</p><p>　　3.2.2 線圈圏數(shù)計(jì)算</p><p><b>　　由公式：</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　可得匝數(shù)N＝10圈</b><

25、/p><p>　　4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析</p><p><b>　　4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p><b>　　圖6. 輸入電壓</b></p><p>　　圖7. 5號(hào)腳輸出的鋸形波</p><p>　　圖8. 電感兩端的電壓</p><p>

26、　　圖9. 8號(hào)腳和11號(hào)腳輸出的脈沖</p><p><b>　　圖10. 輸出電壓</b></p><p>　　測(cè)試分析：電路測(cè)試一切正常，波形滿足要求且比較穩(wěn)定，輸出電壓紋波小于2%，輸出電流1A。只是電感值可能沒有考慮實(shí)際情況選擇偏小，使得電路輸出無法帶動(dòng)大的電阻，這是本次設(shè)計(jì)比較遺憾的地方。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)

27、小結(jié)</b></p><p>　　回顧此次電力電子裝置課程設(shè)計(jì)的兩個(gè)星期，我感慨很多。從理論到時(shí)踐，我遇到了很多困難，但是同時(shí)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(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力。</p><p>　　在此次課程設(shè)計(jì)過程中，我遇到的問題還是很多的。剛開始拿到這個(gè)題目時(shí)，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少，光靠自己

28、所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，于是我去圖書館以及網(wǎng)站找了很多資料，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)的過程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過這次課設(shè)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。</p><p>　　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，使我接觸了很多

29、新的知識(shí)，也讓我對(duì)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。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]董國增, 《電氣CAD技術(shù)》北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006</p><p>　　[2]王兆安,黃俊, 《電力電子技術(shù)》北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2000</p><p>　　[3]裴