湖北理工学院开关电源课程设计

电气与电子信息工程学院

《电力电子装置设计与制作》

设计报告

名称：开关直流降压电源(BUCK)设计专业名称：电气工程及其自动化

班级： 11级电气本（1）班

学号： 201140220120

姓名：

指导教师：胡国珍

设计时间：2014年9月15日——9月26日设计地点： 3号楼 404教室

电力电子装置设计与制作报告成绩评定表

姓名学号201140220120

专业班级11级电气工程及其自动化（1）班

题目：开关直流降压电源(BUCK)设计

答辩记录：

1.该设计控制电路由哪些基本构成？

答：控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由采样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电路等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

2.输出电路是怎么工作的？

答：输出电路是采用LC电路，当开关管饱和和导通时，电路储存在电感中，同时也流向负载。当开关管截止时，由于电杆上的电流不能突变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时续流二极管导通，构成闭合回路。电容起到滤波平滑输出的作用。

成绩评定及依据：

1. 考勤情况（10%）：

2. 设计调试情况（50%）：

3. 设计答辩（10%）：

4. 设计报告（完成情况、报告规范性等情况30%）：

最终评定成绩（以分数和优、良、中、及格、不及格评定）：

指导教师签字：

任务书

设计题目：开关直流降压电源(BUCK)设计

教学院：电气与电子信息工程学院专业班级：11电气工程及其自动化（1）班姓名：学号： 201140220120 指导教师：胡国珍

一、课程设计题目：

开关直流降压电源(BUCK)设计；输入交流220V，输入的直流电12V，降压到6V直流电输出设计，利用PWM进行调制。

二、课程设计内容

根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。

设计题目选：

题目一：开关直流降压电源（BUCK）设计

主要技术指标：

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。

2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压5-16V，输出电压纹波小于2%。

4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

题目二：开关直流升压电源(BOOST)设计

主要技术指标：

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。

2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。

4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

三、进度安排

序号名称时间

1 下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。一天

2 掌握锯齿波产生电路、电压反馈电路、控制电路的工作原理一天

3 掌握稳压电源电路工作原理半天

4 绘出原理框图以及各部分电路的详细连接图一天

5 学会借用电子线路CAD正确绘制电路图；一天

半天

6 掌握焊接技术以及MOSFET、二极管、三极管等器件的检

测方法

7 掌握电路的安装与调试一天

8 根据直流稳压电源电路的工作原理设计电路图一天

9 了解电子电路板的制作过程半天

10 学习电路原理图及印制电路板图的读图方法半天

11 掌握稳压开关电源的检测与调试一天

12 书写课程设计报告一天

四、基本要求

1、独立设计原理图各部分电路的设计；

2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。

3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。

4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。

○1封面、课程设计任务书

○2摘要，关键词（中英文）

○3方案选择，方案论证

○4系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）

○5各模块的功能，原理，器件选择

○6实验结果以及分析

○7设计小结

○8附录---参考文献

教研室主任：胡学芝

2014年9月1 日

目录

摘要 (2)

Abstract (2)

.

一.方案论证与选择..................................................... 错误！未定义书签。

1.1 基本要求 (3)

1.2 总方案的设计与选择 (3)

1.3 控制芯片的选择 (4)

1.4 隔离电路的选择 (4)

二.方案设计的原理图与工作原理 .............................. 错误！未定义书签。

2.1 系统总体框图及原理图 (4)

2.2 BUCK主电路原理图及工作原理 (5)

2.3 控制电路图及工作原理 (6)

三. 控制电路的设计及电路参数的计算 (6)

3.1 TL494控制芯片 ................................................... 错误！未定义书签。

3.2 电路参数的计算................................................... 错误！未定义书签。

3.2.1电感值的计算 (7)

3.2.2 线圈圏数计算 (7)

四. 设计小结 (8)

参考文献 (8)

开关直流降压电源（BUCK）设计

摘要

本次电力电子装置设计与制作，利用BUCK型转换器来实现12V-6V的开关直流降压电源的设计。使用TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了推挽式放大电路。另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。关键字：BUCK型转换器；降压电源；TL494；推挽式放大电路。

Abstract

This Power electronic equipment design is used by BUCK to catch the goal of 12V-6VSwitch 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 and 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 . Key word: BUCK type converter, Step-down power,TL494,Push-pull amplifier circuit.

一．方案论证与选择

开关电源是利用现代电力电子技术控制功率器件（MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换功率高，体积小，重量轻，控制精度高等优点。开关电源与传统线性电源相比有以下区别：（1）开关电源是直流电转变为高频脉冲电流，将电能储存到电感、电容元件中，利用电感、电容的特性将电能按照预定的要求释放出来改变输出电压或电流的；线性电源没有高频脉冲和储存元件，它利用元器件线性特性在负载变化时瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流的。

（2）开关电源可以降压，也可以升压；线性电源只能降压。

（3）开关电源效率高；线性电源效率低。

（4）开关电波纹大；线性电源控制速度快，波纹小。

1.1 基本要求

输入直流16V，输出直流8V；开关振荡频率23.4KHZ。

1.2总方案的设计与论证

方案一：LDO也就是低压差线性稳压管来设计电路。其优点是输出波形稳定，噪音小，所以外部电路比较简单。缺点是输入和输出电压不可以很大，效率比较低，其负载电流相对比较小。

方案二：使用BUCK型转换器。优点是负载电流大，效率高，发热小。缺点是通过MOS管的开关来实现电源的转换，所以其纹波比较大，噪音大，需要很多电容为其滤波，并且开关过程中会产生干扰信号。

但综合我们的设计目的，需要大负载，大压差，高效率，小发热的电路。故优选BUCK型电路。

1.3 控制芯片的选择

方案一：选择MC34063控制芯片。该器件本身包含了DC／D C变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电

压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。

方案二：采用TL494芯片。它是一种固定频率脉宽调制电路，主要为开关电源电路而设计，在开关电路中比较常见。

综合对芯片的熟悉程度以及考虑到本次设计是比较小的手工制作电路，所以选择方案二最为合宜。

1.4 隔离电路的选择

方案一：采用光耦隔离的优点是：占空比任意可调；隔离耐压高；抗干扰能力强，另外，光耦属电流型器件，对电压性噪声能有效地抑制；传输信号范围从DC到数MHz,其中线性光耦尤其适用于信号反馈。其缺点是：在全桥拓扑中，开关器件为4个，需3—4个光耦，而每一光耦都需独立电源供电，增加了电路的复杂性，成本增加，可靠性降低；因光耦传输延迟较大，为保证开关器件开通与关断的精确性，必须使各路的结构参数一致，使各路的延迟一致，而这往往难以做得很好；光耦的开关速度较慢，对驱动脉冲的前后沿产生较大延时，影响控制精度。

方案二：采用推挽式放大电路进行隔离。这是一种常用的隔离方式，对于小型手工电路板来说性价比比较高，而且很方便。

综合二者性能，本次设计选择方案二。

二．方案设计的原理图和工作原理

2.1 系统总体框图及原理图

图2-1 系统总体框图

图2-2 电路原理图

2.2 BUCK 主电路原理图及工作原理

图2-3 BUCK 主电路原理图

直流输入 高频变换器

直流输出

脉宽调制 比较器

取样器

振荡器 基准电压

设计中采用降压式开关电源（BUCK）。降压式开关电源的典型原理图如图2-3所示。当开关管S导通时，二极管D 截止，输入的整流电压经S和L向C 充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管S截止时，电感L感应出左幅右正的电压，经负载RL和续流二极管D释放电感L中储存的能量，维持输出电流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在S基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

2.3 控制电路图及工作原理

图2-4 控制电路原理图

芯片14脚输出基准电压通过电阻分压分别进入15号脚做来与16号反馈信息进行比较的基值。从主电路输出端引出的反馈信号即16号脚，与15号脚的基值进行比较，从而调节8号脚与11号脚输出的脉冲信号的占空比，从而达到调节MOS管的开通与关断的频率与时间，最终实现输出端输出理想的稳定的电压值。

三．控制电路的设计及电路参数的计算

3.1 TL494 控制芯片

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包括了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16这两种封装形式，以适用不同场合的要求。

TL494内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和电容进行调节，其振荡频率计算公式为RC

f 1

.1=

，R=4.7K 欧姆，C ＝103.计算得KHZ f 4.23=。

3.2 电路参数的计算

3.2.1电感值的计算

由于产生脉冲的芯片相应R ＝4.7K 欧姆，C ＝103.则芯片产生的脉冲频率为f=1.1/(RC).计算得f=23.4KHZ.在电感充放电一个周期内：

S L S T I T i ?=??2

1

得 i I L ?=2 开通时 o i U U dt

di

L

-= L t U U i o i /)(-=?

对于BUCK 电路，开通时， D=Uo/Ui.

s on DT t =

所以 L s o i I DT U U L 2/)(-≥ 故计算得出 L ≥H μ85

3.2.2 线圈圏数计算 由公式：

，

可得匝数N ＝10圈

四．设计小结

本次关于电力电子装置的课程设计收获很多。首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，论证，都一一解决了。特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。

此次课程设计过程中，我暴露出来的问题还是很多的。首先，在刚看到这个这个题目时，不知道从什么地方开始，平时所了解的理论知识不足以解决涉及所要达到的要求，只有去网上搜集了很多相关的资料，了解整个设计的最终所要达到什么样的效果，需要去补充哪些方面欠缺的知识，这个过程虽然有点忙碌，却也是一个特备充实的过程。

本设计的成功离不开胡国珍老师的指导，在老师的悉心指导下，我顺利完成了本次课程设计的任务。同时也是我们同组同学的共同合作，才解决了了课程设计过程中的许多问题，在此要对我们的老师表示深深的感谢。

参考文献

[1]董国增,《电气CAD技术》北京:机械工业出版社, 2006

[2]王兆安,黄俊,《电力电子技术》北京:机械工业出版社, 2000

[3]裴云庆，杨旭，王兆安，《开关稳压电源的设计和应用》机械工业出版社，2010