DCDC升压电源模块的设计说明

本科毕业设计

（2012届）

题目DC/DC升压电源模块的设计

系电子工程

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我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《DC/DC升压电源模块的设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

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年月日

摘要

DC/DC变换器是将一种直流电压变换为另一种所需的直流电压(固定或可调)。这种技术被广泛应用于计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业中，变换器还需要符合上述领域的安全标准。

本文重点讲述了DC-DC升压型变换器的工作原理，描述了DC-DC变换器的控制方法，同时，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理，分析比较了它们各自的优缺点。

本文设计了一款采用峰值电流控制型脉宽调制芯片UC3842设计的Boost升压型DC-DC变换电路，外接元器件少，控制灵活方便，输出电压稳定可调。在系统的硬件部分设计中，有三个部分组成，主要涉及到Boost拓扑结构电路、脉宽调制控制驱动电路、反馈闭环电路。在设计、制作、调试完整机之后，本系统基本能够达到预期的要求：1.在输入电压15V-20V围输出电压在32-55V；2.最大输出电流达到1A；3.DC/DC变换器的效率>70%。

关键词：升压型DC/DC变换器；电流控制；电压控制；脉宽调制

ABSTRACT

DC-DC converter is one DC voltage is transformed into another DC voltage required (fixed or adjustable). This technology is widely used in computers, office automation equipment, industrial instrumentation, military, aerospace and other fields related to national economy sectors, the converter also need to meet safety standards in these areas.

This paper focuses on the working principle of step-up DC-DC converter. Describes the DC-DC converter control method.At the same time, expounds the pulse width modulation of voltage control mode and the basic principle of current control model, and analyses their advantages and disadvantages. This paper designs a using current peak control mode pulse width modulation UC3842 chip design Boost booster type DC-DC transform circuit，less External components, control is flexible and convenient, the output voltage stability can be adjusted.There are three parts of hardware in the system design, mainly related to the Boost topology circuit, PWM control circuit, feedback loop circuit.In the design, production and testing after the system achieves the desired requirements: 1.The input voltage range of 15V-20V Output voltage 32-55V; 2.The maximum output current of 1A;

3.DC-DC Converter efficiency> 70%.

Keywords: Step-up DC/DC converter; current control; voltage control; Pulse width modulation

1 绪论 (1)

1.1 设计目的及意义 (1)

1.2 开关电源的发展综述 (2)

1.3 本文主要工作与结构安排 (4)

2 概述 (5)

2.1 DC/DC开关电源概述 (5)

2.2 DC/DC开关电源设计思路 (5)

2.3 研发方向和技术关键 (6)

2.4 主要技术指标 (6)

3 总体设计 (7)

3.1 系统整体方案 (7)

3.1.1 Boost斩波结构部分 (7)

3.1.2 脉冲调制驱动部分 (8)

3.2 系统性能指标 (10)

4 硬件设计 (11)

4.1 Boost主拓扑电路设计 (11)

4.2 控制芯片及外围电路 (12)

5 系统的制作与调试 (16)

5.1 系统电路的布局和布线 (16)

5.2 电路板的制作 (16)

5.3 系统组装 (17)

5.4 硬件电路的调试 (17)

5.4.1 Boost电路调试 (17)

5.4.2 脉宽调制电路调试 (20)

5.5 系统测试误差分析 (22)

5.6 系统性能测试 (22)

6 结论 (24)

致 (25)

参考文献 (26)

附录 (27)

1 绪论

在如今的生活中，形形色色的电子设备越来越多，与人们的工作、生活的关系也日益密切。而电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力，因此电源系统的稳定性对于整个系统具有决定性的意义，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源。因此，电源越来越受到人们的重视，人们对电源的要求也越来越高。经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。

1.1 设计目的及意义

现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。传统的稳压电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗较大，电源率较低。相对的，DC-DC开关电源就可以适应现当代的电子设备对电源的要求，达成电子设备对电源的发展需求。其功耗小，效率可高达70%-95%。散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（线性电源只有40%），自身抗干扰性强、输出电压围宽、模块化等优点，又提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时音比率，维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大效益，从而得到迅速推广。

分布式电源的发展及与IT技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术。DC-DC开关电源技术是分布式开关电源的关键技术，被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%-90%，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC-DC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，而DC-DC开关电源的设计也更具挑战性。

DC-DC开关电源的核心部分DC-DC转换器是将固定的直流电压变换成可变的直

流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类[1]：

（1）Buck电路――降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压UI，极性相同。

（2）Boost电路――升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压UI，极性相同。

（3）Buck-Boost电路――降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI，极性相反，电感传输。

（4）Cuk电路――降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。

本次的毕业设计,目的在于巩固电路、模拟电子技术和学习有关开关电源的基础知识,并能够学以致用,同时拥有分析、解决问题和动手的能力,以及一定的基于模拟电子技术的研究设计能力。从另一方面来说，DC-DC开关电源的技术追求也日趋高涨和发展趋势亦渐广泛，而且派生出发很多特殊的应用领域研制和开发的难度变得更大了，这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了。再者说，DC-DC开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

1.2 开关电源的发展综述

开关的电源的发展可分为以下几个时期：

（1）电子管稳压电源时期（1950 年代）。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。

（2）晶体管稳压电源时期（1960 年代—1970 年代中期）。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。

（3）低性能稳压电源时期（1970 年代—1980 年代末期）。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在20KHZ以下，工作效率60%左右。随着压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达100HZ以上，并且可并联大电流输出。

（4）高性能的开关稳压电源时期（1990 年代-现在）。随着新型功率器件和脉宽调制（PWM）电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠的混合集成DC-DC开关电源[2]。

国开关电源技术的发展基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时在高等院校和一些科研院所停留在试验和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。它的特点是采用20KHZ脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。目前，DC-DC开关电源的功率密度可达到7.3W/cm3(每立方英寸120W)。当今的软