降压型DCDC开关电源研究报告及设计

物电学院开关电源技术课程实践报告《降压型DC/DC开关电源的研究与设计》
：鹏飞
学号：131103034
学院：物理与电气工程学院
日期：2015年12月26日
指导老师：许树玲
降压型DC/DC开关电源的研究与设计
摘要：随着开关电源技术的迅速发展，DC/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。

近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对DC/DC开关电源的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。

本文设计了一款降压型DC/DC开关电源电路。

首先详细的分析和阐述了降压型转换器的电路拓扑和工作原理，根据系统性能设计了电路的整体框图。

然后对电路的各个模块进行了分析和设计，包括输入电路，降压电路和显示电路。

关键词：开关电源；降压型；DC/DC转换
1 开关电源现状及前景
1.1 国外开关电源的发展状况
电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位，市场排名前十的企业无一例外全部为外资企业，其中美国厂商优势明显。

国外开发电源管理芯片的厂商很多，主要有NCP、IR、MAXIM、ST、TI、PI等，他们的产品都已经非常成熟能够提供高质量、全系列的电源管理芯片。

在非隔离的DC/DC转换技术中，TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK，转换效率高达97%，其中TPS40071等是其代表产品。

在电源数字化方面走在前面的公司有TI和Microchip，TI公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出大功率电源模块，其中PFM和PWM部分完全为数字式控制。

2 DC/DC降压型开关电源设计
本电路主要包括变压器降压，桥式整流电路，滤波电路，降压电路，AD转换电路，和数字显示构成。

其中降压电路是一种高效的三增益开关电源DC/DC 降压变换器。

从1V起调的稳压电源，电路使用时，只须调节电源电压调节器（可调电阻），即可得到1V-20V之间所需的电压。

系统结构框图如图12所示
图1 DC/DC降压型开关电源的结构框图
本电源电路是实现把220V交流电源变换成1V-20V连续可调的稳压电源，它的工作原理是：经过降压、整流、滤波、稳压后输出直流电压，当对转换电容阵列进行不同设定时，通过改变分压比，可以得到一个1V-20V的连续可调直流电压。

电路的最大输出电流为1A，电压调整率≤0.2%，纹波电压（峰-峰值）≤20mV，效率≥85%[20][21]。

2.1 DC/DC降压电路的设计
本文所设计的DC/DC降压电路是一种高效三增益开关电源DC/DC降压电路，其电路原理图如图13所示
图2高效三增益开关电源DC/DC降压电路原理框图
该电路具有两个主要回路：脉频调制回路（PFML）和增益跳转回路（GHL）。

PFML由基准信号产生器（reference generator），振荡比较器（parator skip）,振荡器（oscillator）,开关控制模块（switch control block）组成。

GHL由基准信号产生器（reference generator），比较跳转器（parator hop）,增益控制模块（gain control block）, 开关控制模块（switch control block）和转换电容阵列（switch array block）组成。

该电路将输出信号和基准信号产生器产生的基准信号在两个比较器中进行比较，比较后产生的信号skip为增益控制模块提供时序信号。

该时序信号和信号hop共同控制增益控制模块（2/4译码器），产生增益选择信号C,G,C-,G-,控制转换电容阵列产生不同稳定电压输出（1-20V），即可达到电路降压要求。

图3 转换电容阵列电路
2.2 交流电压转换电路
由于所需的直流电压比起电网的交流电压在数值上相差较大，所以，AC/DC 转换后的电压设为 24V-40V ，才能达到要求输出的电压为 1V-20V ， 即该部分电路采用变压器 TRANS 把220V 交流市电变为约20V 的低压交流电，作为电源的输入电压，变压器原辅线圈的匝数比为：N1/N2 = U1/U2= 220V/20V ≈11/1 电路中的保险丝F1可起到保护电源的作用，当电流I>0.5A 时，保险丝熔断，从而防止电源烧坏。

2.3 整流电路
该部分电路是采用桥式整流电路，把经过降压后的交流电变成单方向的直流电，因为相比于半波整流、全波整流电路，桥式整流电路的整流效率较高，其输出电压平均值即整流输出电压 U 在一个周期的平均值：
max max 01
22
22()0.918U U Sinwtd wt U V π
ππ==≈=⎰ 3-1
在式3-1中，w 为市电频率50Hz 。

2.4 滤波电路
经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电路的工作性能。

可利用电容的 “通交流， 隔直流” 的特性，在电路中并入并联电容 C 作为电容滤波器，滤去其中的交流成分，利用估算法可得经过滤波后的输出电压：
1.224o in U U V == 3-2
以上交流电压转换、整流、滤波三部分统称为电源输入部分，将民用220V 交流电转换成为稳定的24V 直流电作为电源的输入端，其电路图如图15所示。

此外，可在输入端加1A 保险丝，防止输入电压超过40V 或电源板部短路引起的大电流造成的危害。

保险丝接在3300uF 电容的后端，防止加电时电容大电流充电烧断保险丝。

电容起储能和电源滤波的作用，在供电时主要起储能作用，电容接在高压端更利于储能，因为如果电源暂时断电，稳压电路前面的电压逐渐下降不会影响输出电压。

图4 电源输入部分电路图
如图15所示，该电路外围器件有2个电容，1个电感，2个可调电阻，电路结构比较简单。

输入端可输入7V-40V 直流电经过芯片降压处理并调节可调电阻
R1或者R2（为应用方便，可设定R1为固值电阻）得到1V-20V的输出电压，最大输出电流为1A。

值得注意的是，在实际制作中为避免电流过大烧坏其它元器件，固电解电容采用50V大容量电容，可调电阻R1、R2采用大功率电阻。

电感是开关电路的关键部分，它在开关闭合时储存能量，开关断开时提供能量。

一般选用带磁芯的电感器，且必须考虑电磁干扰，使其减少到最小。

本电路由于最大输出电流可达1A，综合电感自身因素及电路安全因素考虑，电路选用电流容量1A以上的线圈磁芯电感。

2.5 AD转换电路
本设计采用由美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12 位逐次比较型A/D 转换器AD574A ，置有双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D 转换器，其主要功能特性如下：
分辨率：12 位
非线性误差：小于±1/2LBS 或±1LBS
转换速率：25us
模拟电压输入围：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 两档四种
电源电压：±15V 和5V
数据输出格式：12 位/8 位
芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式
AD574A 的引脚说明：
[1]. Pin1(+V)——+5V 电源输入端。

[2]. Pin2( )——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12 位或8位输出。

[3]. Pin3( )——片选端。

[4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。

与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。

须注意的是，端TTL 电平不能直接+5V 或0V 连接。

[5]. Pin5( )——读转换数据控制端。

图3.8 AD574A
[6]. Pin6(CE)——使能端。

现在我们来讨论AD574A 的CE和A0 对其工作状态的控制过程。

在CE=1、=0 同时满足时，AD574A 才会正常工作，在AD574 处于工作状态时，当=0 时A/D 转换，当=1 是进行数据读出。

和A0 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。

A0-0 时，启动的是按完整12 位数据方式进行的。

当A0=1 时，按8 位A/D 转换方式进行。

当=1，也即当AD574A 处于数据状态时，A0 和控制数据输出状态的格式。

当=1 时，数据以12 位并行输出，当=0 时，数据以8 位分两次输出。

而当A0=0 时，输出转换数据的高8 位，A0=1 时输出A/D 转换数据的低4 位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。

[7]. Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V 电源。

[8]. Pin8(REF OUT)——10V 基准电源电压输出端。

[9]. Pin9(AGND)——模拟地端。

[10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。

[11]. Pin(V-)——负电源输入端，输入-15V 电源。

[12]. Pin1(V+)——正电源输入端，输入+15V 电源。

[13]. Pin13(10V IN)——10V 量程模拟电压输入端。

[14]. Pin14(20V IN)——20V 量程模拟电压输入端。

[15]. Pin15(DGND)——数字地端。

[16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12 条数据总线。

通过这12 条数据总线向外输出A/D 转换数据。

[17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当STS=1 时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0 时，声明A/D 转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。

AD574A 的工作模式：以上我们所述的是AD574A 的全控状态，如果需AD574A 工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V 电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D 转换的启动和数据输出。

当=0 时，启动A/D 转换器，经25us 后STS=1，表明A/D 转换结束，此时将置1,即可获得数据
图5 AD574A的引脚图图6 AD转换电路的原理图。