基于BUCK变换器开关电源设计说明.docx
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基于BUCK变换器开关电源设计说明
新型电源设计实践报告
设计名称基于BUCK变换器的开关电源设计
一、设计要求与容
开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，它安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。
比如在电力系统中的应用、在通信领域中的应用、在蓄电池充电中的应用、在风能\太阳能发电中的应用。
这次我们要求设计一个9-12V的情况下，通过一个开关电源得到一个稳定的5V/1A的直流输出。
我们要求这个开关电源有整流的功能，同时通过反馈控制，有稳压，调压，降压的功能。
从而得到稳定的一个直流输出。
二、人员分工与时间安排表
设计题目
基于BUCK变换器的开关电源设计
队长：
队员：
人员分工与时间进度表
项目时间段
1
2
3
负责人
任务
√
选题
√
方案设计
√
软件设计
流程图
√
原理图
√
仿真
√
电路图
√
硬件设计
元件采购
√
元件检测
√
焊接装配
√
调试
√
产品测试
√
报告撰写
√
答辩
√
三总体方案设计与论证
3.1设计思路和流程
1.经过题目选定，确定使用基于BUCK变换器的电源设计。
2.在方案选择过程中，因为考虑到是非隔离电源，使用集成PWM调制芯片简化电路设计。
3.在分析了UC3842，SG3525等芯片的功能与参数后，选择MC34063作为控制方案，该芯片本身也有较强的驱动能力，可直接外接滤波电路与反馈电路来进行电源设计。
4.通过外接场效应管的方式极大增强了驱动能力，该场效应管最大电流可到达17A以上，设计中仅利用不到1A，如果更换滤波电路中的元器件，输出功率可以得到数倍的提升。
如果将采样电阻改为电位器，还可以灵活调节输出电压。
3.2开关电源总电路框图
图3-1开关电源总电路框图
四、开关电源原理图各部分说明及计算
4.1总原理图的介绍
开关电源是指调整管工作在开关方式，只有导通和截止两个状态，上图为工作过程。
基准电压为固定值，由于输入波动或负载变化导致输出电压减小，采样电压将减小，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大。
同理，当由于输入波动或负载变化导致输入电压增大时，脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。
4.2各部分的说明与计算
1.输出电路采用LC电路
图4-1LC电路图
当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。
当开关管截止时，由于电感上的电流不能突变，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。
电容起到平滑输出的作用。
假设要求纹波电压小于50mV。
直流输出电流为规定电流的10%。
2.BUCK变换器的基本工作方式
Buck调整器的基本电路如下图所示，晶体管Q1与直流输入电压
串联，通过Q1的开通与关断，在V1处产生方波电压，采用恒频占空比可调的方式（PWM），在V1出产生方波电压，Q1导通时间为
。
Q1导通时V1点电压为
，电流通过串接的电感L0流入输出端，Q1关断时，电感L0产生反电动势，使V1点电压迅速下降到0并变负，直至被D1钳位于-0.8V。
假设二极管导通压降为0，则V1点电压为矩形波，该方波电压平均值为
。
LC滤波器接于V1与Vo之间，它使输出点Vo成为幅值等于
的直流电压。
采样电阻R1和R2检测输出电压Vo，并将其输入误差放大器，与参考电压
比较，被放大的误差
被输入到脉宽调制器中，因此，PWM输出的脉冲宽度与误差放大器的输出电压成比例，
。
图4-2buck变换器工作原理
3.芯片MC34063
MC34063包含了DC/DC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。
工作电压比较宽。
图4-2MC34063芯片
1脚：
开关管Q1集电极引出端；2脚：
开关管Q1发射极引出端；3脚：
定时电容接线端；调节Ct可使工作频率在100—100kHz围变化；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；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，芯片将启动部过流保护功能；8脚：
驱动管Q2集电极引出端。
4.外围电路参数设计
定时电容的选取根据公式：
C≈0.000004×Ton，要求40KHz工作频率时，C=100pF。
功率MOSFET栅极驱动电阻选择10Ω。
以尽量减小方波边沿时间。
过流保护采样电阻：
假设输入电流超过1A时，启动过流保护功能。
采样电阻设在6、7脚之间，R=U/Imax=0.3Ω，电阻最大热功耗
=0.3W。
此处选择0.5W，0.3Ω大功率电阻。
输出采样电阻设计：
要求5V输出，且损耗尽可能小，芯片部集成1.25V基准电压，输出采用电阻分压方案。
分压比为3:
1。
采用精密电阻10K与30K串联，静态电流0.125mA。
5.mosfet的选择
根据要求
。
在本次设计中选择IRF530N,
。
6.储能电感的选择
电感电流的斜坡为
如图2-2（d）所示，当直流电流等于电感电流斜坡峰峰值一半时，进入不连续工作模式，则
而且
式中
接近
，所以
已知输入电压最大为12V，开关频率为40KHz，输出电压为5V，电流为1A。
此处选用470uH，2A的功率电感。
7.滤波电容的选择
输出电容C并非理想电容，可等效于串联电阻（ESR）、串联电感（ESL）与纯电容C的串联。
对于低频电路，ESL可以忽略。
输出纹波主要由ESR来决定。
一般常用铝电解电容的RC值近似为一个常数，为
。
利用典型ESR-容值关系，根据公式得：
选择16V，1000uF的普通铝电解电容。
8.续流二极管的选择
根据Buck变换器的工作原理，开关截止时，续流二极管导通，电感储能转化为电能，二极管起到续流作用，二极管正向额定电流需大于负载电流，耐压值大于输入电压，同时为了使截止到导通时间尽量短，选择超快恢复二极管，根据本设计的要求，选择正向电流不小于1A的超快恢复二极管。
此处选择HER101，最短恢复时间为50ns。
元件清单
名称
生产厂商
价格
MC34063
AIC
0.50
IRF530N
IR
2.00
HER101
HY
0.1
0.3Ω功率电阻
-
0.02
10Ω电阻
-
0.01
30K精密电阻
-
0.30
10K精密电阻
-
0.30
100pF电容
-
0.01
1000uF电容
RUBYCON
0.5
470uH电感
-
1.00
印刷电路板
-
1.00
合计
5.74
表1-1元件清单
五电路仿真
5.1使用的仿真软件
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为风标电子技术）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是英国著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
5.2仿真设计过程
图5-1proteus仿真图
根据设计电路，及元件的特性，将元件一一连接，初步测试。
测试后，根据情况进行调整，最后将电流表，电压表，接入电路中，完成调整测试。
5.3仿真结果
输入DC
空载输出电压
满负载输出电压
9V
4.41V
4.37V
10V
6.28V
6.22V
11V
7.28V
7.18V
表5-1仿真结果
连接完成过后，将电压表、电流表接入电路中，分别测试9V,10V,11V时的空载输出电压和满载输出电压，其结果如表
五、安装与调试
输入DC
空载输出电压
满负载输出电压
9V
4.40V
4.38V
10V
6.18V
6.11V
11V
7.25V
7.17V
表5-2测试结果
以及计算输入为第二个点的数值时，输入功率P=？
，开关电源的效率η=？
P=37.75Wη=61.7％
六设计实践的体会和总结
通过本次课程设计，对模拟电子技术，电力电子技术和电子产品工艺等有了更深刻的认识。
（1）解决了很多实际性的问题。
熟悉了一些电源芯片的结构与应用，并与Buck拓扑相结合，设计出符合要求的电路。
（2）在大量浏览课本、课外书籍与互联网资料的过程中逐步积累知识，为今后的设计提供了宝贵的经验。
课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
通过两个星期的课程设计，我对电子工艺的理论有了更深的了解。
其中包括稳压电源的工作原理、焊接普通元与电路元件的技巧等等。
这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。
在实习中，我锻炼了自己动手能力，提高了自己解决问题的能力。
通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，增强了独立工工作的能力。
在这次设计中，我也遇到了不少的问题，幸运的是，最终一一解决了遇到的问题。
在我遇到不懂的问题时，利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息及和同学之间相互讨论显得尤其重要了，设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。
在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
通过查阅大量有关资料,并在他人中互相讨论，交流经验和自学。
若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
这次的制作也让我们感受到，我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在此感同学细致、一丝不苟的帮助。
他们一直是我学习中的榜样；你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
与队友的合作更是一件快乐的事情,只有彼此都付出,彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。
团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。
而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。
电子科技大学学院
新型电源设计
实践课程成绩评定表
学号
班级
题目难度
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
原理图设计
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
元件选择计算
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
仿真设计
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
PCB设计
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
安装水平
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
实物展示水平
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
作品测试结果
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
报告撰写水平
1、好（）2、较好（）3、一般（）4、差（）
课程设计成绩
指导教师（签名）
年月日
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