基于BUCK变换器的电源设计

电子科技大学中山学院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

学院机电学院

班级 14级电气A班

学号姓名 2014100500521 刘连红

指导教师余翼

机电工程学院

2017年 12月 27日

一、设计要求与内容

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

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4-1 LC 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dc V 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on T 。Q1导通时V1点电压为dc V ，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T T V on dc /。LC 滤波器接于V1与Vo 之间，它使输出点Vo 成为幅值等于T T V on dc /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ref V 比较，被放大的误差ea V 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，ref O V R R R V =+⨯)21/(2。

图4-2 buck变换器工作原理

3.芯片MC34063

M C34063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4-2 MC34063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 范围内变化；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，芯片将启动内部过流保护功能；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R I W 2==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，芯片内部集成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A I V V V V d ds gs 1,12,4>><。

在本次设计中选择IRF530N, A I V V V V d ds gs 17,100,4==<。

6.储能电感的选择

电感电流的斜坡为)(12I I dI -=,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

2/)(12(min)I I I o -=

而且

L T V V L T V dI on on L /)(/01-==

式中1V 接近dc V ，所以

on

on O dc on O dc I T V V dI T V V L 2.0)()(-=-= 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 。

H L μ3651

1210255)512(56

=⨯⨯⨯⨯-=- 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F Ω⨯-61080~50。 利用典型ESR-容值关系，根据公式得：

F C μ100005.0/10506=⨯=-

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