2022年诚成方案,BuckBoost变换器

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1、个人资料整理仅限学习使用摘要在很多需要 DC-DC 变换的系统，往往需要研制一种宽电压输入范围的DC/DC变换器电源。在充分考虑不同DC/DC 变换器拓扑特点的基础上，本文选用了Buck-Boost 作为系统的主电路拓扑。本文介绍了 Buck-Boost 电路的工作原理，建立了理想Buck-Boost 模型，对整个电路进行了主电路参数设计，并在此基础上进行了电压电流闭环参数设计的研究，实现了控制理论中零极点补偿法在电力电子中的应用，。接着，本文在protel中进行了原理图和PCB图的设计，在设计的硬件电路上进行了测试实验。为了使系统能够在宽电压输入范围内稳定正常工作，本文实现了提出的闭环参数设

2、计方法，指出了该方法的优点，并通过实验验证了该方法的正确性。关键词：Buck-Boost；DC/DC变换器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用目 录摘要I目录II第1章绪论 1第2章 BUCK-BOOST 变换器原理分析 62.1电感电流连续时的工作原理和基本关系62.1.1工作原理 62.1.2基本关系 72.2电感电流断续时的工作原理和基本关系：82.2.1工作原理 82.2.2基本关系 92.3电感电流连续时的稳态分析10第3章主电路参数设计 123.1电感计算 123.2输出滤波电容计

3、算143.3主功率管选择 143.4功率二极管选择 163.5输入侧熔断器选择163.6压敏电阻选择 16第4章控制电路设计 184.1电流型与电压型 PWM 控制原理及性能比较184.1.1电压型 PWM 控制 184.1.2电流型 PWM 控制 184.1.3电流型 PWM 控制的优点 194.2UC3845 原理与特性 194.3UC3845 常用典型电路 204.4电压反馈电路 214.5电压、电流闭环电路21第5章硬件电路设计及实验 235.1主电路硬件电路设计245.2控制电路设计 255.3PCB 印制板图 25精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

4、- - - - - -第 2 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用5.4BUCK-BOOST电路实验测试 26结论29参考文献 30精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用第1章 绪论直流 -直流变换器广泛应用于远程及数据通讯、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。按额定功率的大小来划分， DC/DC 可分为 750W 以上、 750W1W 和 1W 以下 3 大类。进入 20 世纪 90 年代， DC/DC 变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，

5、其中6W25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W750W的 DC/DC 变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC 变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。DC/DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果

6、。用直流斩波器代替变阻器可节约20 30的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源,同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声等作用。因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中 ,采用高功率密度的高频DC/DC 隔离电源模块 ,从中间母线电压(一般为 48V 直流 变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前,已有

7、一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC 变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V 的直流电源。目前,在电子设备中用的一次电源中 ,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR 通过 MOSFET 或 IGBT 实现高频工作 ,开关频率一般控制在精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

8、 - - - - - -第 4 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用50kHz 100kHz 范围内 ,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不 断 扩 大 , 单 机 容 量 己 从48V/12 。 5A 、 48V/20A扩 大 到48V/200A 、48V/400A 。Buck 和 Boost 电路是 DC-DC 变换中最基本的两种电路。一方面，它们应用广泛；另一方面，由它们可以衍生出很多其他的电路拓扑。但是Buck 电路只能降压，而Boost 电路只能升压，应用受到一定的限制。而在Boost 电路结构前加上Buck 结构，通过简化，则可以得到Buck-Boost电路，既可

9、升压亦可降压，即输出电压平均值的幅度通过占空比的调节，可以高于或低于其输入直流电压。它广泛应用于逆变电路，各种低压单电源输入、多电源需求的电子电路及功率因数校正 (PFC电路中。该电路克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点, 具有体积小、结构简单、变换效率高等优点。反极性输出式buck-boost 电路输出电压与输入电压极性相反，可以方便的实现升降压功能。并且相对于正极性buck-boost 电路而言，它只用了一个开关管，既节约了成本又使得控制变得简单。Buck-Boost开关变换器能方便地实现升压和降压及负电压输出，是直流开关变换器的重要组成部分。文献3 对 Buck-Boost 变换

10、器的本质安全特性及其设计展开研究，主要工作如下：对 Buck-Boost 开关变换器的工作原理及其能量传输模式进行了深入分析，进一步将连续导电模式(CCM 细分为完全电感供能模式(CISM 和不完全电感供能模式(IISM ，给出了CISM 与 IISM 的临界电感，推导出了各种模式下的纹波电压表达式，得出了变换器在整个动态范围内的最大输出纹波电压。对 Buck-Boost 开关变换器不同模式下的峰值电感电流进行了分析，推导出了变换器在整个动态范围内的最大电感电流，并将其与最小点燃电流相比较，作为判断该变换器内部本质安全的依据；推导出不同工作模式下Buck-Boost开关变换器在整个动态范围内的

11、最大短路释放能量，得出该类变换器满足输出本质安全要求的判断条件。根据输出纹波电压指标将最小输出电容值用电感表示出来，并通过令最大输出短路释放能量对电感的偏导数为零的方法，得出了在给定设计指标条件下使Buck-Boost 变换器的最大输出短路释放能量最小的电感和电容设计参数。以变换器在要求的输入电压和负载动态范围内同时满足内部本质安全要求、输出本质安全要求和期望的输出电压纹波要求作为限制条件，得出了本质安全型Buck-Boost变换器电感和电容参数的设计范围。 运用 PSPICE 对理论分析进行了仿真验证；研制了Buck-Boost DC-DC 变换器样机对理论推导进行了实验验证；运用火花实验装

12、置对样机的本质安全性精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用能进行了模拟测试；仿真、实验和测试结果论证了理论分析的正确性和设计方法的可行性。文献 4 在 RL-Ui 平面上 ,根据电感取值的不同，将Buck-Boost 变换器划分成 4 个工作区域。对变换器的输出短路释放能量进行了分析,指出 Buck-Boost 变换器的输出短路释放能量为短路后电源和电感向负载转移的能量与电容的储能之 和 ,且 如 果 变换 器 在 负 载 电阻 最 小 和 输 入电 压 最 低 时 处于 连 续 导 电 模式(

13、continuous conduction mode,CCM, 则该时的输出短路释放能量就是变换器在其整个动态工作范围内的最大输出短路释放能量,将其与对应的最小引爆能量相比较作为变换器输出本质安全的判断依据。根据电气指标要求,得出了电感及输出滤波电容的最小设计值。以满足输出本质安全要求作为限制条件,得出了电感和电容的最大设计值。文献 5 根据电感电流最小值与输出电流的比较,将 Buck-Boost 变换器的能量传输模式 (ETM 分为完全电感供能模式(CISM 和不完全电感供能模式(IISM,得出了CISM 和 IISM的临界条件和临界电感.将电感电流最小值与零和输出电流进行比较 ,得出 Bu

14、ck-Boost 变换器存在三种工作模式,即 CISM 、不完全电感供能且连续导电模式 (IISM-CCM 和不 完全 电感供能且不连续导 电模式 (IISM-DCM. 推导出了变换器工作于三种模式时的输出纹波电压表示式,指出对于给定负载、电容和开关频率的Buck-Boost 变换器 ,CISM 的输出纹波电压最小且与电感无关 ,而 IISM-CCM和 IISM-DCM的输出纹文献 6 针对传统Buck-Boost 输入输出电流断续的缺点，提出一种基于独立电感零纹波输入电流和输出电流连续的Buck-Boost 变换器 ,详细分析了变换器的稳态工作原理。采用状态空间平均法,建立了变换器动态小信号

15、模型,给出了小信号特征 Matlab 仿真波形。文献 9 讨论了实现全数字控制Boost-Buck DC/ DC 变换器的主电路拓扑结构、控制电路原理、软件控制方案。该变换器具有简单、实用、可靠的优点。DC-DC 开关变换器的建模和分析时研究DC-DC 开关变换器的拓扑结构和控制方法的基础。DC-DC 开关变换器的建模方法一般可以分为两大类：数值法和解读法。数值法是根据一定的算法进行计算机运算处理而获得DC-DC 开关变换器特性的数值解，故很难提供电路工作机理的信息，所得到的结果物理意义不甚明确。数值法又可分为直接数值法和间接数值法。直接数值法是指直接利用现有的通用电路分析软件如 SPICE，

16、PSPICE，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用SABER 等）对DC-DC 开关变换器进行数值计算得到其解的方法，采用这种方法不必重新建立电路模型，只需对局部电路建立仿真模型或等效子电路即可。间接数值法是指在数值计算前，需要对DC-DC 开关变换器建立一个专用的、设用于数值解的仿真模型，然后采用适当的数值算法求解，其优点是计算速度较快。解读法是指用解读表达式来描述DC-DC 开关变换器特性的建模方法，着眼于工作机理的分析，满足一定的精度要求下要简单通用，能为设计提供较明了的依据。解读法分为

17、：离散解读法和连续解读法。离散解读法是以某一变量在一个周期中的若干个特定的离散点上的值为求解对象来建立其差分方程，求解这个差分方程或者通过Z 变换得到变量的解读式。离散解读法精度高，但结果表达式复杂，因而难以指导设计，离散模型的研究基本上陷于停滞阶段。连续解读法的本质是平均，故连续解读法又称为平均法。平均的目的是把一个周期内有两个或者两个以上不同拓扑的电路在某种意义下进行平均，将时变电路变为非时变线性电路，在小信号的情况下线性化，从而能利用人们熟知的经典的线性电路理论和控制方法来解决非线性电路的工作，对开关变换器进行稳态和小信号分析。平均法一直是DC-DC 开关变换器建模理论中最为重要的建模方

18、法，其中最具有代表性的是状态空间平均法和电路平均法，前者是指对PWM DC-DC 开关变换器的状态变量进行平均和线性化处理，得到解读结果的通用分析方法；后者指与电路拓扑及器件模型联系紧密的等效电路分析法，便于使用通用电路分析程序仿真和进一步分析研究。状态空间平均法一直是国际公认的PWM DCDC 变换器的主要建模和分析方法。其实质是：根据由线性RLC 元件、独立电源和周期性开关组成的原始网络，以电容电压、电感电流为状态变量，按照功率开关器件的ON和 OFF两种状态，利用时间平均技术，得到一个周期内平均状态变量，将一个非线性、时变、开关电路转变为一个等效的线性、时不变、连续电路因而可对DCDC

19、开关变换器进行大信号瞬态分析 ， 并 可 决 定 其 小 信 号 传 递 函 数 ， 建 立 状 态 空 间 平 均 模 型 。 1976 年Middlebrook R.D.等提出了状态空间平均法。电路平均法是从电路结构出发，利用时间平均技术进行电路分析，但当电路元件增多，要得出平均后的拓扑结构需要很大的运算量。电路平均法主要有：三端器件模型法、时间平均等效电路法、能量守恒法。1987 年美国弗吉尼亚功率电子中心的Vorperian V. 提出了三端开关器件模型法，把变换器的功率开关管和二极管作为整体看成一个三端开关器件，用其端口的平均电压、平均电流的关系来表征该模型，然后把它们适当精选学习资

20、料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用地嵌入到要讨论的变换器中，变成平均值等效电路。1988 年许建平等提出了时间平均等效电路法，其关键点是在建模之初就利用电路理论中的替代原理将开关元件用受控源进行替代变换，得到开关变换器的等效平均电路。1992 年Czarkowski D 等提出了能量守恒平均法，在建模过程中考虑器件的开通电阻和二极管的正向导通电压，功率开关等效为理想开关与开通电阻的串联，二极管为理想开关与导通电阻以及正向导通电压的串联，理想开关用受控电压源来替代，根据能量守恒原理将所有的导通电阻折算为

21、电感的损耗电阻，得到开关变换器的等效电路模型。本文设计了输出极性反向的Buck-boost 电路，对电路的基本工作原理进行了结束，并在此基础上进行了硬件设计。最后，对设计的硬件电路进行测试实验，实验结果表明设计的变换器基本满足设计要求。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用第2章Buck-Boost 变换器原理分析Buck-Boost 变换器是输出电压既可以高于也可以低于输入电压的单管不隔离DC-DC 拓扑。主电路的元件由开关管、二极管、电感、电容等构成，输出电压的极性与输入电压相反。 Buck

22、-Boost 变换器有电感电流连续和断续两种工作方式。inVQDfLfCR图2-1 Buck-boost 电路的基本结构2.1电感电流连续时的工作原理和基本关系2.1.1工作原理1）开关模态 10， 在 t=0 时，开关管 Q 导通，电源电压全部加到电感L 上，电感电流线性增长，二极管 D 截止，负载由滤波电容C供电。 2-1）当时，达到最大值。在 Q导通期间，的增长量为： 2-2）2）开关模态 2， 在时，Q关断，通过二极管 D 续流，电感的储能向负载和电容转移。此时加在上的电压为，线性减小。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页

23、，共 34 页个人资料整理仅限学习使用 2-3）当时，达到最小值。在 Q 截止期间，的增减小量为：2-4）inVQDfLfCR图2.2 Q导通时等效电路inVQDfLfCR图2.3Q关断时等效电路2.1.2基本关系稳态工作时， Q 导通期间电感电流的增长量等于它在 Q 截止期间的减小量。那么由公式 2-2）和2-4），可以得到： 开关管 Q截止时，加在其上的电压为： 2-7）开关管 Q导通时，加在二极管D 上的电压为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用 2-8）电感电流的平均值为： 2-9

24、）流过开关管 Q的平均电流是输入电流，有效值为： 流过电感的平均电流有效值为：(2-12 开关管 Q和二极管 D 的电流最大值为：(2-13 输出电压纹波为：(2-14 2.2电感电流断续时的工作原理和基本关系：2.2.1工作原理1）开关模态 10， 在 t=0 时，开关管 Q 导通，电源电压全部加到电感L 上，电感电流线性增长，二极管 D 截止，负载由滤波电容C供电。2-15）当时，达到最大值。在 Q导通期间，的增长量为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用2-16）2）开关模态 2， 在

25、时，Q关断，通过二极管 D 续流，电感的储能向负载和电容转移。此时加在上的电压为，线性减小。 2-17）当时，下降到 0，的增减小量为：2-18）式中3）开关模态 3， 在此期间， Q 和 D 均截止，为零，负载由输出滤波电容供电。inVQDfLfCR图2.4 Q关断时电感电流降到0 2.2.2基本关系稳态工作时， Q 导通期间电感电流的增长量等于它在 Q 截止期间的减小量。那么由公式 2.16和 2.18，可以得到： 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用变换器输出电流可表示为： (2-21

26、 开关管 Q和二极管 D 的电流最大值为： (2-22 此公式表明功率器件的最大电流在电感电流断续工作时仅由输出功率确定。2.3电感电流连续时的稳态分析iV1V1VD1L1CLRoV图2.5 buck-boost电路升降压型 、二极管 (、储能电感 (和滤波电容组成。 IGBT 以几十到几百kHZ的频率工作。在期间导通, 期间关断, 工作周期为, 工作频率为。当导通时 , 电感储能, 上的电压上正下负 , 约等于输人电压。此时二极管反向截止 , 向负载供能；当截止时 , 由于电感上的电流不能突变 , 中的感应电势极性为上负下正, 当电感上的电压超过输出电压时, 导通向电容充电同时向负载提供能量

27、。根据公式，当电源进人稳态，且导通期间，电感中的电流以的速率上升，时刻中的电流增量为： 2-23）在截止期间 , 上的电流以的速率线性下降 , 到时刻中的电流减量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用为： 2-24）一个周期中电流的增量应等于电流的减量即有2-25）式2-25）由2-23）-2-25）式可得式 式中为占空比，从 2-26）式中可见，改变占空比可以改变电源的输出电压，当时，；时，；时，；因此，从该电路可以得到变化范围较大的输出电压。精选学习资料 - - - - - - - - -

28、 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用第3章主电路参数设计电路设计要求：输入直流电压10V，输出直流电压 15V，输出功率 5w，输出纹波电压小于输出电压的 10%。3.1电感计算offtontLILILImaxLIminLI图3.1 电感电流在期间, IGBT导通, 截止, 储能；在期间, IGBT截止, 电感向负载及电容释放能量。流经电感的电流波形如图2所示电感电流中的纹波电流如式所示:在电流连续的情况下 ,当的值等于零时 , 电感电流的纹波值最大。设电感中允许的最大电流为, 则电感值可用下式求取：由额定输出电流,按照输出纹波电流为输出

29、电流的10%计算，则并且限定开关频率，则电感体积可以通过体积系数来表示。交替工作方式下电感电流纹波很大，电感器的磁芯处于双向磁化状态，磁滞回线交替变化，磁芯损耗较大；在高频时，因磁滞损耗更大，应选用磁滞回线窄并且电阻率大的磁芯。在同样的纹波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用频率下，电感磁芯材料对磁芯功率损耗影响很大。考虑到工作频率在20kHz，电感工作于小功率场合，选择磁芯材料为纳M 晶合金。其优点在于：高的饱和磁通密度 有效截面积 (mm2 有效磁路长度(mm 体积(cm3 铁芯质量(g

30、 A B C D 84 35 22 25 440 307.1 134 1300 3.2输出滤波电容计算在实际设计变换器时, 输出纹波电压是主要考虑的指标之一. 为得到期望的输出纹波电压要求 , 在其他参数确定的情况下, 关键要选择合适的电感和电容.电感电流连续时 , Buck- Boost 变换器的输出电压纹波与电感无关。设输出电压的允许纹波值为 , 则电容值可用式求取 : 由 要 求 的 指 标 ， 按 照 输 出 纹 波 电 压 为 输 出 电 压 的10% 计 算 ， 则，并且限定开关频率，则选取,50V 的电解电容。3.3主功率管选择金属 - 氧化层 - 半导体 - 场效晶体管，简称金

31、氧半场效晶体管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管绝缘层，最后在N 区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极、S(源极及 D(漏极。栅极 G与漏极 D及源极 S是绝缘的， D与 S之间有两个 PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。N 沟道增强型MOSFET 是为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共

32、34 页个人资料整理仅限学习使用高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS 等结构。要使增强型 N 沟道 MOSFET 工作，要在 G、S 之间加正电压 VGS 及在 D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变 VGS 的电压可控制工作电流ID。如。若先不接 VGS(即 VGS=0，在 D 与 S 极之间加一正电压VDS，漏极 D 与衬底之间的 PN 结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G 与源极 S 之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS 时，在绝缘层

33、和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和 P型衬底界面上感应出负电荷(如图 3。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子 (空穴 的极性相反，所以称为 “ 反型层 ” ，这反型层有可能将漏与源的两 N 型区连接起来形成导电沟道。当VGS 电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被 P 型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS 增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N 区沟通形成 N 沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压，用符号VT 表示(一般规定在ID=10uA 时的 VGS 作为 VT。当 VGS 继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，

34、 ID 也随之增加，并且呈较好线性关系，如图4 所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS 来控制漏源之间的电阻，达到控制ID 的作用。由于这种结构在VGS=0 时， ID=0，称这种 MOSFET 为增强型。另一类 MOSFET，在 VGS=0 时也有一定的ID(称为 IDSS，这种 MOSFET 称为耗尽型。耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2 绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N 型区中间的 P 型硅内形成一N 型硅薄层而形成一导电沟道，所以在VGS=0 时，有VDS 作用时也有一定的ID(IDSS；当 VGS 有电压时 (可以

35、是正电压或负电压 ，改变感应的负电荷数量，从而改变 ID 的大小。 VP 为 ID=0 时的-VGS，称为夹断电压。按照电压耐压30V，电流 0.5A 以上规格选择MOSFET 管。最终选择型号为IRF510A，其耐压值 100V，电流 5.6A，TO-220封装。3.4功率二极管选择二极管 英语： Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管Varicap 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用Diode）则用来当作

36、电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“ 整流Rectifying）” 功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过称为顺向偏压），反向时阻断 称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征这是由特定类型的二极管技术决定的。二极管使用上除了用做开关的方式之外还有很多其他的功能。早期的二极管包含 “ 猫须晶体 Cats Whisker Crystals）” 以及真空管 (英国称为“ 热游离阀 。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。功率二极管 PN 结面积大，能过较

37、大电流，但结电容也大，只能工作在较低频率下，一般仅用作整流用。一般的二极管结面积小，不能通过较大电流，但结电容小，可在高频率下工作，一般用于高频电路和小功率的整流。按照电压耐压30V，电流0.5A 以上规格选择二极管。最终选择型号为FR151，其耐压值 50V，电流 2A 的快恢复二极管。3.5输入侧熔断器选择在输入侧发生过流或输入短路后，输入熔断器自动熔断，从而将输入电源和DC-DC 模块断开，保护电路。电流值约为：选用规格为 20V/1A 的圆筒熔断器。3.6压敏电阻选择“ 压敏电阻 在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，或者是说电阻值对电压敏感 的阻器。英文名称叫“V oltage De

38、pendent Resistor ”简写为 “VDR ”, 或者叫做“Varistor 。压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的 氧化锌 ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素Zn）和六价元素氧 O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“ -族氧化物半导体 ” 。 在中国台湾，压敏电阻器称为突波吸收器 ,有时也称为“ 电冲击 浪涌）抑制器 电压调整率好。输入电压的变化立即引起电感电流的变化,电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制。不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器,然后再调节的复杂过程 ,所以响应快。如果输入电压的变化是

39、持续的,电压反馈环也起作用 ,因而可以达到较高的线形调整率。b 负载调整率好。由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,以适应负载变化造成的输出电压的变化 ,因而可大大改善负载调整率。c 系统稳定性好。从控制理论的角度讲,电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,系统稳定性好。4.2 UC3845原理与特性UC3845是安森美公司生产的高性能、固定频率、电流模式控制器，广泛应用于中小功率的 DC-DC 开关电源。该集成电路的特点是：具有振荡器、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET 的理想器件

40、。UC3845的工作原理是：反馈电压和2.5V 基准电压之差 ,经误差放大器 E/ A 放大后作为门限电压 ,与反馈电流经采样后的电压,一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后,比较器输出高电平触发RS 触发器 ,然后经或非门输出低电平,关断功率管 ,并保持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。PWM 信号的上升沿由振荡器决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM 的占空比调节范围在050 %之内。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 3

41、4 页个人资料整理仅限学习使用图 4-4UC3845 原理图4.3 UC3845常用典型电路基于 UC3845的电流反馈电路典型结构一般是交流电压经整流滤波后，得到直流电压，主要功率经串联于高频变压器初级绕组N1 ，到大功率 MOSFET 开关管 V1 集电极，在 UC3845的控制下，开关管 V1 周期性地导通和截止。直流电压的另一路经R2 降压后，施加到 UC3845的供电端 7 脚），为 UC3845控制器提供启动电源电压，此设计中 UC3845采用恒定频率方式工作。电路启动后，8 脚输出一个 +5.0V 的基准参考电压，作用于定时元件R5、C6 上，在 4 脚产生稳定的振荡波形，振荡频

42、率 =1.72/R5C6，6 脚输出驱动脉冲激励开关三极管V1 在导通和截止之间工作。UC3845对于输入电压的变化立即反映为来自N2电感电流在取样电阻R3 上的电压变化，不经过外部误差放大器就能在内部比较器中改变输出脉冲宽度。这种传统的电流反馈回路结构简单具有容易布线、成本低的优点，但是电路的缺点在于反馈不能直接从输出电压取样，输出电压稳压精度不高，当电源的负载变化较大时很难实现精确稳压；同时没有隔离，抗干扰能力也差，在负载变化大和输出电压变化大的情况下响应慢，不适合精度要求较高或负载变化范围较宽的场合，为了解决这些问题，本论文采用可调式精密并联稳压器TL431配合光耦 PC817 构成一种

43、新型精准的反馈回路。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用4.4 电压反馈电路231U3R2 5R2 4C6R6R51243U2Vout图 4-5 电压反馈电路输出电压 Vout 经 R24、R25分压使得 R24 的电压为 2.5V。U3 为 TL431 相当于一个误差放大器，不断检测R24 的电压。当其电压超过2.5V 时，TL431 电流变大，从而使得光耦电流变大，此时光耦另一侧电流也增大；反之，电流减少。其中U2采用线性光耦 PC817，电容 C6 用于补偿， R6 为限流电阻。4.5

44、 电压、电流闭环电路Q1R22R23R4C5R19C2C4C3R2R31122334488776655U11243U2VCC图 4-6 电压、电流反闭环电路整个电路采用电流电压双闭环控制。当光耦中电流增大时，其电压会减少，即输入到 1脚的电压减少，从而使得6脚的 PWM 脉冲占空比也减少。这样，输出电压便会降低；反之，当光耦电流变少时，1 脚电压变小，从而6 脚输出占空比变精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用大。这样，输出电压便升高。上图中， R19、C2 与芯片内部结构组成振荡电路，为芯片

45、提供振荡脉冲。R23为电流采样电阻。 R4、C5 构成低通滤波器，将采到的电流信号滤波后供给3 脚，提供电流反馈。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用第5章 硬件电路设计及实验PROTEL 是 Altium 公司在 80年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的CAD 软件中，它当之无愧地排在众多EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条

46、件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的 PROTEL 主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS 环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的 1M 内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL 已发展到 DXP 2004，是个庞大的EDA 软件，完全安装有200 多 M，它工作在 WINDOWS95 环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Cl

47、ient/Server客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的 100%布通率。Protel99 SE共分 5 个模块，分别是原理图设计、PCB 设计包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD 设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成 30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB 中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB 图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器

48、件标号由原理图到PCB），也可以进行反向注释由 PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB 在设计上的一致性；满足国际化设计要求包括国标标题栏输出，GB4728 国标库）；* 方便易用的数模混合仿真 兼容 SPICE 3f5）；支持用 CUPL 语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计 32个信号层， 16 个电源 -地层和 16 个机加工层；强大的 “ 规则驱动 ” 设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用智能覆铜功能，覆

49、铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG 格式文件，实现和AutoCAD 等软件的数据交换；智能封装导航 对于建立复杂的PGA、BGA 封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的 3D 显示可以在制板之前看到装配事物的效果；本文的硬件设计就是在protel软件基础上进行的。5.1主电路硬件电路设计图 5-1 主电路硬件电路主电路硬件设计如图5-1 所示， 10V 直流电输入进来后，经过熔断器和压敏电阻保护，送给buck-boost 拓扑。其中，是采样电阻，目的是采集mos 管电流，形成电流闭环。5

50、.2控制电路设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 5-2 控制电路硬件电路控制电路如图5-2 所示，输出电压经过PC817光耦隔离后，送入UC3845的 1脚，形成电压闭环。 Mos 管电流经采样电阻后送给UC3845 的 3 脚，形成电流闭环。这样，由UC3845 就形成了buck-boost 电路的电压、电流双闭环控制。UC3845输出驱动脉冲，经6 脚输出驱动 mos管。5.3 PCB印制板图图 5-3PCB 印制电路板图加工所需的PCB 印制板图如图所示， PCB 为一个双面板

51、，考虑到电磁干扰和回路阻抗的影响，将电源线和地线进行了加粗，并且所有走线不走直角，尽量减少过孔的数目。5.4 Buck-boost电路实验测试将 PCB 印制板图加工、焊接完成后，进行了器件焊接。在此基础上，采集了输出电压波形并进行了分析。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 5-4 开关管的驱动信号图 5-4 为开关管的驱动信号，其开通信号幅值+15V，关断信号幅值 -7V，能保证开关管的可靠导通和关断。图 5-5 MOS 管电压的波形图 5-5 为开关管的电压波形，可以看出，在驱动信号

52、的作用下，开关管可靠的工作在饱和和关断区。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 5-6 空载时输出电压测试波形图 5-6 为空载时电压输出波形，由示波器波形可以看出，输出电压的最大值为15.8V，最小值 13.8V，基本符合设计要求。计算纹波电压：纹波电压峰峰值 =15.8-13.8=2V，有效值为纹波系数 =10%，符合设计电路的纹波电压要求。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 5

53、-4 带额定负载时输出电压测试波形图 5-4 为带额定负载后输出电压波形，其最大值为15.2V，最小值 12.8V，基本符合输出电压 15V 的设计要求计算纹波电压：峰峰值： 15.2-12.8=2.4V ；有效值为。纹波系数：:60-654 马丽 梅， Buck-boost DC-DC 变 换器 的控制 ，河北 工业 大学 学报 ， 2008，37(4:101-1055 刘树林 ,Buck-Boost 变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析,电子学报，2007，20(5:838-8436 沈文轩，全数字控制Boost-Buck DC-DC 变换器的应用，电力电子技术2001，13(1：29-

54、30.7彭力, 新型大功率升降压型DC-DC变换器控制研究 , 船电技术， 1999，3(1：26-28 8钟久明 Buck-Boost 变换器的本质安全特性分析及优化设计西安科技大学硕士学位论文 2006 9高飞。 蒋赢。 赵小妹等，一种新型Buck-Boost变换器，电力电子技术2018 22(4: 50-5210 彭晓珊，余明扬 .PWM控制的开关电源仿真研究株洲工学院学报.2003,第17卷第5期：p79-8211 王媛彬，刘健 .PWM开关变换器分析方法综述 .电源世界 .2005，第6期：p1-4 12Xu Jianping，Yu Juebang.Equivalent circui

55、t model of switches for SPICEsimulation.IEE Electronics，Letters，1988，Vol.24，No.7，p437-43813 Xu Jianping ，Yu Juebang ，Zeng H.SPICE simulation of switchedDC-DC convert.IEEE International Symposium on Circuits andSystems ，1991，Vol.24，No.5，p3032-302精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 34 页