电力电子装置设计与制作.doc
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I
电气与电子信息工程学院
《电力电子装置设计与制作》
课程设计报告
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级电气工程及其自动化
（一）班
学 号：
201140220121
姓名：
方革
指导教师：
南光群张智泉
设计时间：
2014年12月8日——12月19日
设计地点：
K2-306及K2-414实验室
开关电源装置设计与制作报告成绩评定表
姓名
方革
学号
201140220121
专业班级
11级电气工程及其自动化
（一）班
题目：
开关直流降压电源14-9V（BUCK）设计
答辩记录：
（1）续流二极管的确定？
答：
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FR107，最大恢复时间为500ns。
（2）简述开关管选型的原则。
答：
开关管的选择要综合考虑各个参数对电路性能的影响。
首先要计算出变换器电路中开关管的峰值电压和峰值电流，同时为了保证电路的可靠性，要采用降额设计，不同环境下的降额设计要求不同，在此基础上确定所要选择的开关管的最小额定电压和额定电流。
为了提高电路效率，在此基础上选择导通电阻小，开关速度快的管子，同时考虑环境噪声的大小，选择阙值电压合适的管子。
成绩评定及依据：
1.考勤情况（20%）：
2.实物制作（30%）：
3.设计答辩（20%）
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：
《电力电子装置设计与制作》课程设计任务书
2014～2015学年第一学期
学生姓名：
方革专业班级：
11级电气工程及其自动化一班
指导教师：
张智泉南光群工作部门：
电气与电子信息工程学院
一、课程设计题目：
电力电子装置设计与制作
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。
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
6
掌握焊接技术以及MOSFET、二极管、三极管等器件的检测方法
半天
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。
封面、课程设计任务书
摘要，关键词（中英文）
方案选择，方案论证
系统功能及原理。
（系统组成框图、电路原理图）
各模块的功能，原理，器件选择
实验结果以及分析
设计小结
附录---参考文献
目录
1.概述及其方案选择 1
1.1基本要求 1
1.2方案设计 1
2.系统功能及原理 2
2.1系统总体框图及电路原理图 2
2.2基本电路 2
2.3主电路 3
2.4控制电路 4
3.各模块原理及器件选择 4
3.1电源管理芯片 4
3.1.1TL494芯片主要特征 5
3.1.2TL494工作原理简述 5
3.1.3TL494脉冲控制 5
3.2Buck变换器 6
3.2.1Buck变换器工作原理 7
3.2.2Buck变换器的参数计算 7
3.3MOSFET的选择 9
3.4输出电路 9
4.实验结果及其分析 9
4.1实验调试 9
4.1.1整体电路检查 10
4.1.2输出电压反馈回路的检测 10
4.1.3驱动电路的检测 11
4.2实验结果 12
4.3实物照片 12
5.设计小结 13
开关直流降压电源（BUCK）
1.概述及其方案选择
开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件（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，具有转换效率高，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预定的要求释放出来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）线性电源控制速度快，波纹小；开关电源波纹大。
1.1基本要求
输入直流10V，输出8V；开关振荡频率23.4KHz。
1.2方案设计
采用MOSFET作为功率转换元件，MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。
控制方案采用TL494CJ脉冲宽度调制芯片，极大地简化电路设计，而且该芯片是一种功能非常完善的PWM驱动电路芯片，适用于多数电路，性能稳定，可靠性高，具有很大的现实意义。
2.系统功能及原理
2.1系统总体框图及电路原理图
图2-1开关直流降压电源原理图
图2-2开关直流降压电源控制框图
2.2基本电路
开关式稳压电源的基本电路框图如下图2-3所示。
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。
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的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。
图2-3开关电源的组成
开关电源中调整管工作在开关方式，只有导通和截止两个状态。
当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。
此脉冲信号作为开关管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也发生变化，从而使滤波后输出电压的平均值基本保持不变。
2.3主电路。
本次课程设计中采用降压式开关电源（BUCK）路如图2-4所示。
当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向C充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。
当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。
电路输出直流电压的高低由加在VT1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。
图2-4降压式开关电源
2.4控制电路
图2-5控制电路图
芯片14脚输出基准电压通过电阻分压进入15号脚作来与16号反馈信号进行比较的基值。
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，从面调节8号脚和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。
本次设计选择输入10V，输出8V。
3.各模块原理及器件选择
3.1电源管理芯片
TL494TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含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-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。
3.1.1TL494芯片主要特征
u集成了全部的脉宽调制电路
u内置主从振荡器
u内置误差放大器
u内置5.0V参考基准电压源
u可调整死区时间
u内置功率晶体管可提供最大500mA的驱动能力
u输出可控制推拉电路或单端电路3-1TL494芯片内部电路
u欠压保护
3.1.2TL494工作原理简述
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电和一个电容进行调节，其振荡频率计算公式为：
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。
3.1.3TL494脉冲控制
控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压（0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。
两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。
误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。
若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。
如果工作于单端状态，且最大占空比小于50时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。
输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。
这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。
TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5的精确度。
3.2Buck变换器
3.2.1Buck变换器工作原理
BUCK变换器又称降压变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换直流斩波器，即输出电压低于输入电压。
其基本结构如图2-4所示。
假定:
（l）开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地和“导通”“截止”，而且导通压降为零，截止时漏电流为零；
（2）电感、电容是理想元件，电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零；
（3）输出电压中纹波电压与输出电压比值小到允许忽略。
当主开关Tr导通，如图3-2所示，流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。
当时，电容在充电状态。
这时二极管D承受反向电压而截止。
经时间后，如图3-3所示主开关Tr截止，由于电感L中的磁场将改变L两端的电压极性，以保持其电流不变。
负载两端电压仍是上正下负。
当时，电容处在放电状态，以维持Io、Vo不变。
这时二极管D，承受正向偏压为电流构成通路，故称D为续流二极管。
由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变换器。
其工作图如下图3-2和图3-3所示
图Tr3-2导通图Tr3-3关断
在一般的电路中是期望BUCK电路工作在连续导通模式下的，在一个完整的开关周期中，BUCK变换器的工作分为两段，其工作波形图为:
图3-4BUCK电路在连续模式下的工作波形图
3.2.2Buck变换器的参数计算
在BUCK变换器电路中给定输入电压Vs的范围、输出电压Vo、功率P输出电流I。
、纹波电压的范围△Vo，开关频率fs，就可以推出电路中L、C的参数值和所需要开关管和二极管的耐压和耐流值，从而选定各自的型号。
由以上公式可得：
；
（l）储能电感L的确定
故计算得出；
又由于L通常取计算值的2至3倍，即：
68.4而实验所用电感绕一圈大约为23，故选用3圈左右，最终测得
电感值为；，满足设计要求。
（2）滤波电容C的确定
代入数值得：
所以电容选取103的瓷片电容。
输出电容C2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25V，2200uF的普通铝电解电容。
（3）续流二极管的确定
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FR107，最大恢复时间为500ns。
3.3MOSFET的选择
3.4输出电路
输出电路采用LC电路。
图3-5输出滤波电路
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。
电容起到滤波平滑输出的作用。
根据设计要求，输出电压为9V输出电压纹波小于2%，则输出纹波电压小于180mV。
4.实验结果及其分析
4.1实验调试
在输入端加12V的直流电压，同时给TL494提供12V的直流电压，输入端与TL494共地，用示波器观察TL494五号脚输出波形，同时用示波器观察电流采样回路电压。
4.1.1整体电路检查
在上述基础上，用示波器观察输入端与TL494的5号引脚波形分别如下图所示：
输入端波形TL1945号引脚波形
整体调试过程需反复多次尝试，尤其是反馈电阻的调整，需要多调试几。
次，这样才能满足设计要求，
4.1.2输出电压反馈回路的检测
检测方法：
用两个独立电源，一个电源（调到10V）用于给TL494供电产生驱动信号；另外一个电源（调到8V左右）加在输出端；
反馈回路输出端口
用示波器观察TL494的8号脚；
调节该电位器时，可输出波形，同时调节上图中的R1（10K电位器）先正旋转，若长时间波形无变化，再反旋转，当看到某一瞬间波形突然消失时（可证明反馈回路有效），调节输出端电源到5V，再微调电位器，直到在5V位置波形刚好出现，电源电压再升一点波形消失的临界状态即可。
4.1.3驱动电路的检测
将TL494的地线和电源线连接好后，外加10V直流电压，用示波器观察TL494的5号、8号引脚波形，观察结果如下：
TL4945号引脚锯齿波TL4948号引脚方波
若无波形，则需对照原理图检测电路焊接是否有问题，主要有查看VCC，GND是否都各自连接到一起，芯片引脚是否焊接错误等。
4.2实验结果
通过以上调试操作进行电路调试后，完成对电路整体设计及实物设计的检查校正，正常情况下输入端输入直流电压10V后输出端的输出电压应为5V左右。
完成电路调试后得到的输入、输出端的波形图如下图所示：
输入端电压波形输出端电压波形
电感电压波形
由此可见，该设计是属于直流降压型电源并且满足输出电压比输入电压比为0-1之间即：
，其中04.3实物照片
5.设计小结
通过这次课程设计，我了解了开关电源的基本概念和它的组成部分，重点认识了PWM方式的电源的工作原理。
通过对开关电源和线性电源的一个比较，确定了本次设计方案。
但是在设计过程中遇见了很多麻烦，比如电烙铁的使用，板子之间线的连接，焊接完成后，测试波形时，波形不是太稳定，这些检查调波形需要很大的耐心，但是这也让我学到了很多，这次课程设计难度并不是太高，但是我学到了很多，为以后打下了基础。
两个星期的电力电子实验装置课程设计圆满结束了，我学到了许多新的知识，以前都是学习的理论，现在能从实际入手，这让我对这么课有了更深的认识，这次实验不仅让我对以前学习的知识有了一些巩固，更加学到了新的知识，这也培养了我自己动手的能力。
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