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1、课程设计报告课程明称电子技术题目 DC-DC升压稳压变换器设计系部专业班级姓名学号指导老师2014年1月6日摘要1一. 设计目的1二. 设计要求1三. 开关电源简介1四. DC/DC变换器原理24.1Booster 型 DC/DC 变换器24.2Buck 型 DC/DC 变换器34.3Buck. Booster 型变换器44.4Cuk型变换器54.5pwm工作方式54.6PFM工作方式64.7PSM调制模式6五外围元器件的选择65.1电容的取值75.2电感的取值75.3运放的选择85.4功率输出级的设计8六方案分析9七电路设计107.1复合管准互补推免电路的实现107.2整体电路原理图107.
2、3对电路各部分的定性说明及定量计算117.4直流稳压源11八保护电路12九.安装调试13十心得体会13十一 参考文献13摘要本文设计了一款升压式DC/DC变换器，输入电压范围为2. 7V到5. 5V,适用锂离 子电池供电的便携式设备，可输出高达18V的稳定输出电压，负载电流最大达 200mA。电路采用电压控制型PWM方式调制，内建频率为1. SMHz的振荡器。采用 同步整流技术提高系统效率。同时对升压型变换器的模型建立进行了研究，设计 了过温关断、欠压锁定等保护电路来提高系统可靠性。此升压式DC/DC变换器的 子模块由带隙基准电压源、误差放大器、PWM比较器、钳位电路、振荡器、系统 补偿电路等
3、单元电路组成。一、设计目的根据设计要求，完成DC-DC升压稳压变换器的设计。进一步加强对模拟电子技术知识的理解和对Protel软件的应用。学习DC-DC升压稳压变换器的设计方法与小型电子线路系统的 安装调试方法。二、设计要求内容要求：设计一个将110V升高到220V的DC-DC变换器。三开关电源简介电源一般按习惯可以分为线性稳压电源（LD0）和开关稳压电源。开关电源就 是利用现代电力电子技术与微电子技术，控制半导体功率开关器件开通和关断的 时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它代表着稳压电源的发展方向，现己 成为DC / DC稳压电源的主流产品。它通过用电子线路组成开关式（方波）电路来达 到
4、对电能的转换。开关电源内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%以上，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源的发展经历了几个时期管稳压电源时期（1950年代）i晶体管稳压电 源时期（I960年代.1970年代中期）、低性能稳压电源时期（1970年代.1980年代 末期）、高性能的开关稳压电源时期（1990年代至今）。由于开关电源功耗小、 效率高（可高达70%. 95%）、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需 要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低（一般低于50%），并且电压转换形 式单一（只有降压）等缺点，如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因
5、 为其低噪声、纹波小的优点，在一些电子测量仪器、代线性电源AD/DA和取样保 持电路中，线性电源仍然无法被开关电源取代。开关稳压电源与线性稳压电源相 比，其优点是小型、轻量、效率高。它的这种优点适应电子设备的轻、薄、短、 小与节能的要求，其应用范围迅速扩大。目前它已成为国际上开发中、小功率开 关电源、精密开关电源及电源模块的优选。驱动集成电源市场蓬勃发展的主要原 因有两个：首先是在提高性能的基础上，所有电子设备中使用的硅组件正不断增加；其次是消费性电子产品大量数字化的结果。四. DC/DC变换器原理分析开关电源DC / DC变换器是将一种直流电压变换成另一种固定的或者可调的直流 电压，也称为直
6、流.直流变换器，它利用无源元件电感和电容的能量储存特性， 从输入电压获得能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感中，或者以电场的形 式存储在电容之中，然后将其变换到负载，实现DC/DC变换便携式电子产品通常 需要多种电压，但是这些产品只能由一组电池供电，因此所需要的各种直流电压 必须通过DC / DC变换器供给。根据输入电路与输出电路的关系，DC / DC变换器可 分为几种类型，降压型(Bulk)，升压型(Boost)和升压.降压型(Boost-Bulk)和 反相型(Cul【)DC/DC变换器。下面分别介绍这几种变换器的工作原理。41 Boost型DC/DC变换器下图是Boost型DC / DC
7、变换器拓扑结构，SW是受控制电路决定的周期性导通的开 关，L为升压电感，D为续流二极管，C为滤波电容。+SW图2. I Boost变换器拓扑结构开关导通时，输入电压加载在储能电感的两端，能量被储存在电感中而不传递给 输出端，根据电感方程，有：dt由此可以推出：A =2 f 曲设输入电压0保持不变，则有：h =+厶站其中五岫为开关SW导通前流过电感L的电流，由此可以看出，开关导通后，电感 上的电流线性上升，开关上的电流也呈线性上升，在t=-1。时刻，当开关导通的 状态终止时，电感电流达到最大值：开关断开时，电感电压反向，该电压和电源电压叠加后，通过二极管D和负载电 容C加载到负载两端，电感储存的
8、能量通过二极管传递给输出端，同时直流源也 给负载提供能量。则有：在1。时刻，流过电感L的电流为:当1-11二10行时，流过电感的电流最小，其值为:将ILmi n的表达式带入ILm戤的表达式中，得:该式经整理后可得：V IS由上式可以看出，该电路的输出电压高于输入电压。，所以将其称为升 压型DC/DC变换器。工作过程中，开关的导通时间1on或关断时间1on都可以改变 变换器的输出电压。4.2 Buck型DC / DC变换器下图为Buck型DC/DC变换器结构示意图SW是受控制电路决定的周期性导通的开 关，L和C分别为电感和滤波电容，D为整流二极管。与前文中对Boos t变换器的讨论相类似，根据稳
9、态时电感电流的净增加量和净减 少量要相等，得到Buck型变换器输入输出关系：在电感电流连续的条件下：在电感电流不连续的条件下:其中，其中D为开关SW的导通占空比j D2为二极管的导通占空比。4.2 Buck. Boost型变换器Buck. Boost变换器是降压.升压混合电路，其输出电压可以小于输入电压，也 可以大于输入电压，且输出电压极性与输入电压相反。图为Buck-Boost电路的拓 扑结构。SWGND在电感电流连续的条件下，得到:在电感电流不连续的条件下，得到:其中D为开关SW的导通占空比，D为二极管的导通占空比。由上式可知，当D0. 5时，Buck. Boost电路是升压电路：4. 3
10、Cuk型变换器Cuk变换器其实是由Boos t和Buck两种变换器组合而成。下图所示是一个Cuk 变换器。它可以拆分成上面两种电路。Cuk型电路的最大优点是工作在连续工作 模式下时，它的Boost部分提供一个非常平滑的输入电流。Buck部分提供平滑的 输出电流。GND与前文讨论类似，在电感电流连续的条件下，得到:D在电感电流不连续的条件下，则有:由上式可知，当D0. 5时，Cuk电路是 升压电路。Buck-Boost电路和Cuk电路都是升降压型混合电路，故有很多共同特性，不同之处是Cuk电路借助电容来传输能量，而Buck-Boos t电路借助电感来传 输能量。4.4 PWM工作方式PWM工作方
11、式是指保持工作频率恒定，通过改变功率开关管的导通时间或者截止 时间来改变占比的一种调制方式，是目前功率变换器中应用最为广泛的一种控制 方式。工作原理：首先对被控输出电压进行检测，得到反馈电压，将其加至运放的反相 输入端，另一个精确的基准参考电压加至运放的同相输入端。反馈电压与基准电 压比较后输出直流误差电压，加至PWM比较器的同相输入端，另一个固定频率的 振荡器产生锯齿波信号加至比较器的反相输入端，二者经过PWM比较器，输出一 方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压变化而变化，实现脉宽调制。PWM控制的实质就是在输入电压，内部参数及外接负载变化的情况下，控制 电路通过被控制信号与基准信号的差
12、值进行闭环反馈，调节主电路开关管的导通 时间（即脉冲宽度），保持脉冲的周期不变来达到稳定输出电压的目的pj。PWM反 馈控制分为电压控制和电流控制。4.5 PFM工作方式PFM是保持方波宽度不变，调节开关管的截止时间，通过改变脉冲频率来稳定输 出电压。其特点是：输出取样值控制频率控制器，占空比变化范围大，效率高， 功耗低，输出电压的可调范围比PWM方式大。并且在负载变化范围大的情况下， 可得到较高的效率。但是，滤波电感为了能适应较宽的频段，其体积和重量必定 也要增大。工作原理：取自输出端的反馈电压加在误差放大器的反相输入端，另一个精 确的基准电压加在误差放大器的同相输入端，二者之间的压差被放大
13、后去控制可 变频率控制器。可变频率控制器是一个压控频率变换器，提高输入电压就能提高 输出脉冲的频率。输出电压的改变就是通过调整开关频率得到调整的。PFM控制的实质就是在轻负载的情况下，变换器只有比较稀的脉冲群，在脉 冲群与脉冲群之间个基本点功率管都关断，电路空闲不工作，电感电流为零。在 这个过程中，输出电容为负载提供电流。当输出电容放电，使得电压低于基准电 压时，变换器重新工作，再产生一些脉冲群，使得输出电容被充电。显然，电路 中与负载无关的损耗减小，随着负载电流的减小，空闲时间增加。4.6、PSM调制模式PSM是通过改变有效工作频率来改变输出功率的控制方式。其开关损耗与输 出功率成正比，效率
14、几乎与负载无关。工作原理：控制器对输出电压进行检测，如果在一个时钟周期内输出的电压值低 于额定值，则这个周期内开关管导通。否则开关管截止。这样就可以使得输出电 压稳定在额定值左右。PSM通过控制开关管在一个周期内是否导通来调节输出功 率。在达到稳定后，开关管的平均工作频率，即有效频率由负载决定。如果负载 足够大，开关管将在每个周期内导通，此时有效频率达到最大工作频率f =1/T。 在一般情况下，开关管只在部分周期内导通，此时有效频率fc将小考虑到PWM调 制方式控制电路简单，灵活，动态响应比较好，文中设计采用PWM调制方式。五、外围元器件的选择在选择外围电路的器件参数时，需要考虑到以下几个因素
15、根据工作模式和电 流能力选择电感型号，包括最大饱和电流和电感值。电感应选择直流电阻较低， 饱和电流较大的功率电感。当流经电感的电流较大时，由于磁芯的饱和将使实际 电感值下降，所以应选用饱和电流大于实际流过电感的峰值电流的电感。过小的 电感量将会使电感电流不连续造成电流输出能力降低，输出纹波较大。感值过大 会造成瞬间响应变差，并增加DC/DC变换器的体积。电感值的选取应当以实际输 入输出条件及对输出纹波瞬态响应等要求为依据。综合考虑电源纹波、体积和成 本，选择电容容量适中、漏电电流小的电容。5.1电容的取值对于Boos t拓扑，输入电压最小时是其最恶劣的情况，因为这时占空比最大，制 了电容取值。在每个周期T时间内，在0rDT时，输出电容与电感隔离，电容为负 载提供能量：Q=Io DT=q AV取乇典型值为150mA，频率为1. 5MHZ，D为85%，要求 y60mV，则得到电容最 小要大于1. 41 z。52电感的
