直流变换器课程设计样本

直流变换器课程设

计

目录第一章．设计概要

1.1 技术参数

1.2 设计要求

第二章．电路基本概述

第三章. 电力总体设计方案

第三章.电力总体设计方案

3.1 电路的总设计思路

3.2电路的设计总框图

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各引脚具体功能

5.4 SG3525内部结构及工作特性

5.5 SG3525构成的控制电路单元电路图第六章驱动电路原理与设计

6.1 驱动电路方案设计与选择

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，建议主电路为：采用 BUCK 变换器，大电容滤波，主功率管用 MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，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 电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（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．电路基本概述

直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，输入与输出不之间不隔离。直流斩波电路的种类较多，包括 6 种基本斩波电路：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 电路作为一种最基本的 DC/ DC 拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品中。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，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式，Buck 电路的研究对电子产品的发展有着重要的意义。 MOSFET 特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，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，一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置。功率MOSFET 的种类：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 主要是 N 沟道增强型。

第三章.电力总体设计方案

3.1 电路的总设计思路

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 的开通与关断的时间占空比来决定输出电压 u。的大小。控制电路模块，可用 SG3525 来控制 MOSFET 的开通与关断。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，一般是有控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。有信息电子电路组成的控制电路按照系统的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的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应该包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致谢环节。根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的结构框图如下图所示。

第四章 BUCK 主电路设计

4.1 Buck 变换器主电路原理图

降压斩波电路的原理图以及工作波形如图 3.1 所示。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。斩波电路主要用于电子路的供电电源，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的电压驱动器件 MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制 MOSFET 的导通或关断。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一般使串联的电感 L 较大。电路工作时的波形图如图 4.2 所示。

4.3 主电路保护（过电压保护）

本次设计的电路要求输出电压为 12V，因此当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和期间，应马上将电路断开，及关断MOSFET 的脉冲，使电路停止工作。以为芯片 SG3525 的引脚 10 端为外部关断信号输入端，因此能够利用 SG3525 的这个特点进行过电压保护。当引脚 10 端输入的电压等于或超过 8V 时，芯片将马上锁死，输出脉冲将立即断开。因此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如下所示：

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，如下图 4.3.1 所示。经过电感 L 的电流随时间不断增大，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的感应电动势，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的周期，流过储能电感的电流 IL可近似认为是线性的，并设开关 MOS 管 V 及续流二极管都具有理想的开关特性，它们正向降压都能

够忽略

式中起始值 ILv是 V 导通前流过 L 的电流。当 t=ton时，V 导通 L 中的电流达到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，如下图4.3.2 所示。此时，由电感 L 中的电流将减小，为了阻止电流I0的减小，在其上将产生极性为左负右正的感应电动势，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，一方面继续给负载 R 供电，另一方面对电容 C 充电，把一部分磁能转化为电容中的电场能。当电感电流下降到某一较小的数值时，电容 C 开始对负载放电，以维持负载所需的电流。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期内的初值与终值为相等的(下面插入图片4.3.2)

式中起始值 ILP为 V 截止前流过的电流。t=toff时，V 截止，L 中的电流下降到最小值

当电路工作在稳态时，联系上式解得：

由以上分析可得，负载电压的平均值为:

上式中， ton为 V 处于导通状态的时间，toff为 Q 处于断开状态的时间； 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，负载电压的平均值 V2 的大小由导通占空比和电源电压决定。在电源电压不变的情况下，其大小可由调节占空比来改变，且随着占空比的增大而增大，随着占空比的减小而减小由于占空比 0

开通与截止下的电感电容波形图：

4.4 主电路参数分析

主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、MOSFET、二极管、电感、电容、电阻的确定，其参数确定如下：

(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。因此由欧姆定律 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 的 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 的二极管,选用MUR820

(5)电感根据 Buck 变换器的性能指标要求及 Buck 变换器输入输出电压之间的系求出关占空比 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. )

输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大输出电压为 12V，则电容的耐压值为 15V。

第五章控制电路

5.1 控制电路设计方案选择

控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，经过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式： 1.保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 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 都可调，是占空比改变，称为混合型。

因为斩波电路有这三种控制方式，又因为 PWM 控制技术应用最

为广泛，因此采用 PWM 控制方式来控制 MOSFET 的通断。PWM 控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的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的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于控制电路的设计其实能够有很多种方法，能够经过一些数字运算芯片如单片机、CPLD 等等来输出 PWM 波，也能够经过特定的 PWM 发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，因此我选用一般的 PWM 发生芯片来进行连续控制。对于 PWM 发生芯片，我选用了 SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的 PWM 控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、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）具有振荡器外部同步功能

（5）死区时间可调。

（6）内置软启动电路。

（7）具有输入欠电压锁定功能。

（8）具有 PWM 锁存功能，禁止多脉冲。

（9）逐个脉冲关断。

（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、占空比可调的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，加上外接的电阻电容电路共同构成 SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚 1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10 输出。

5.3 SG3525各引脚具体功能：

（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，该端与补偿信号输入端（引脚 9）相连，可构成跟随器。

（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。根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。

（3）引脚 3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。（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。该端与引脚 5 之间外接一只放电电阻，形成放电回路。

（8）引脚 8：软启动电容接入端。

（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 内部结构和工作特性

（1）基准电压调整器

基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，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 的振荡器，除 CT、RT 端外，增加了放电 7、同步端 3。RT 阻值决定了内部恒流值对 CT 充电，CT 的放电则由 5、7 端之间外接的电阻值 RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于经过 RD 来调节死区的时间，因此是重大改进。这时 3525A 的振

荡频率可表为：式中:CT, RT分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；dR 是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为100kHz，因此由上式可取CT=1μF,RT=10Ω,RD=1Ω。可得 f=100kHz.在 3525A 中增加了同步端 3 专为外同步用，为多个 3525A 的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率 fS 要低一些。

(3) 误差放大器

误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为 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的元件组合。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 的误差放大器、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，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

(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，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。

(5) 有软起动电路

比较器的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 的 50μA 恒流源充电。达到 2.5V 所经的时

间为

点空比由小到大（50％）变化。

(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。这样，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的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。

另外，由于 PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的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，有利于可靠性提高。

(7)增设欠压锁定电路

电路主要作用是当 IC 块输入电压小于 8V 时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约 2mA）。

(8)输出级

由两个中功率 NPN 管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出 100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输

出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。

11 端（或 14 端）的拉电流和灌电流，达 100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，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，其持续时间约 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，如负载电流达到 50mA 以上时，管饱和压降较高（约 1V）。

5.5 SG3525 构成的控制电路单元电路图

第六章驱动电路原理与设计

6.1 驱动电路方案设计与选择：

该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以