基于BUCK变换电路的恒流源设计

一．设计要求
1.输入电压直流200V。

2.阻性负载，负载电阻在5~20Ω范围内变化。

3.输出电流恒定于5A。

4.纹波电流（纹波电压）低于1%。

5.控制电路可用数字电路（单片机为核心），也可用模拟电路（PWM
发生芯片为核心，如SG3525）
二、基于buck变换电路的稳压电源：
1.关于buck变换器
目前高频高效的buck变换器的应用越来越广泛。

通常系统在满输出负载时，系统工作于ccm即连续电流模式。

但是，当系统的输出负载从满载到轻载然后到空载变化的过程中，系统的工作模式也会发生相应的变化。

对buck电路拓扑解释如下：
•T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，当时，T导通。

•D：续流二极管。

•L和C组成LPF。

（1） 其工作原理如下：
当 时，控制信号使得T 导通，D 截止，向L 充磁,向C 充电；
当 时，T 截止，D 续流，U0靠C 放电和L 中电流下降维持。

（2） 主要波形为：
[0,]t DT ∈[,]t DT T ∈
（3） 假设及参数计算
T ，D 均为理想器件，L 较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻，直流输出电压U0为恒定，整个电路无功耗，电路已达稳态。

当晶体管T 导通工作模式： （0≤t ≤t1=KT ） 二极管D 导通工作模式：（t1≤t ≤T ）
0L
L d di u u u L dt
=-=21011
d I I I
U U L
L t t -∆-==01
()d U U t I L
-∆=21
I I I ∆=-021
I U L t t ∆=
-021()
U t t I L
-∆=
则由上式可得：
如果假定buck 电路为无损的： 即
开关周期T 可表示为 可求得 的表
达为 或 及
因此，电容上电压峰-峰脉动值为： 得： 或
电流断续时状况：
01021()()
d U U t U t t I L L
--∆=
=121,(1)t kT t t k T
=-=-0d
U kU =000d d U I U I kU I ==0I kI =00()1()d d I LU T f U U U ∆=
=
-I ∆00()
d d
U U U I fLU -∆=(1)
d U k k I fL -∆=42
I T Q ∆∆=
8c Q I
U C fC
∆∆∆=
=002()8d c d
U U U U LCf U -∆=
02
(1)
8c U k k U LCf -∆=
• 求Av 根据伏秒平衡律：
• 求Dp 平均电流为：
据此可得：
2.控制电路设计
方案一：采用集成稳压器构成的开关恒流源，系统电路构成如图。

MC7805 为三端固定式集成稳压器，调节w R ，可以改变电流的大小，其输出电流为： L OUT W q I = (U / R ) + I ，式中q I 为MC7805 的静态电流，小于10mA 。

当w R 较小即输出电流较大时，可以忽略q I ，当负载电阻L R 变化时，MC7805 改变自身压差来维持通过负载的电流不变。

0000()()d P d p V d P
U U DT U D T U D D D U U D
A U D D -==+=
=
+00
P
U I D T L ∧
=000
1()12()()
22P P P P I D D T
U I I D D D T D D T L ∧
∧+==+=+000()2o P P o
U U I D T D D L R =
+=202o p P
L D DD R T =
+P D
=
V A =
优点：该方案结构简单，可靠性高
缺点：无法实现数控。

方案二：单片机控制电流源
该方案恒流源电路由N沟道的MOSFET、高精度运算放大器、采样电阻等组成，利用功率MOSFET 的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。

该电流源电路可以结合单片机构成数控电流源。

介于单片机应用的广泛性及智能性，便捷性，采用方案二。

单片机为核心的控制电路：
（1）本系统采用SPCE061A 单片机作为控制核心。

SPCE061A 是16 位单片机，指令周期短，工作速率快，功耗低，具有丰富的片上资源，集成了可编程音频处理电路，可以在线下载，易于调试。

SPCE061A 单片机拥有独立的时基发生器，无需占用定时器。

系统设置了一个1024Hz 的时基中断，为整个系统提供一个统一的运行节拍，保证了各个任务能有条不紊的工作。

（2）主程序设计：
系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括I/O 口，中断系统，定时器/计数器等工作状态的设置，系统变量赋初值等工作；完成系统初始化后打开中断。

程序流程为：
开始，系统初始化，开中断，发出通断信号控制MOSFET的通断
对于51单片机，若晶振为10M，P1.0脚上输出周期为2.5s且占空比为百分之20的脉冲程序如下：
#include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
uchar period 250;uchar high 50;
void timer0( ) interupt1 using1
{th0=-8333/256;
tl0=-8333%256;
if（++time==high)P1.0=0;
else if(time==period)
{time=0; P1.0=1
}
}
main( ）{tmod=0x01;
th0=-8333/256;
tl0=-8333%256;
ea=1;
et=1;
tr0=1;
do{}while(1);
}
对于凌阳单片机只需根据不同的型号选择相应引脚及晶振对上述程序进行修改即可。

3.驱动电路
功率MOSFET的输入阻抗极高，因此，栅极需极小功率可驱动元件工作。

驱动MOSFET的栅极相当于驱动一个容抗网络。

元器件电容，驱动阻抗都直接影响开关速度。

一般驱动电路的设计就是围绕着如何充
分发挥功率MOSFET的优点，并使电路简单，快速且具有保护功能。

功率MOSFET栅极驱动电路设计考虑到，栅极电荷特性，栅极正负电压，栅极电阻与电源功率。

左图为理想栅极驱动电路的等效电路
三、纹波电压：
1、纹波电压的定义
狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。

我国工频频率是50Hz，所以纹波电压以工频50Hz或50Hz 的整数倍计取。

具体取50Hz还是50Hz的倍数，取决于整流电路的类型。

对于半波整流，取50Hz；对于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；对于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；对于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。

对于日本、美国等国家，使用60Hz工频，计取方式只需把上述的50改为60即可。

纹波电压通常用有效值或峰值表示。

2、纹波的害处：
（1）、容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害；
（2）、降低了电源的效率；
（3）、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用设备。

（4）、会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；
（5）、会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。

3、抵制纹波电压的方法，常见的有以下几种：
（1）、在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波或三相全波整流电路；
（2）、加大滤波电路中电容容量，条件许可时使用效果更好的LC滤波电路；
（3）、使用效果好的稳压电路，对纹波抑制要求很高的地方使用模拟稳压电源而不使用开关电源；
（4）、合理布线。

四．恒流源框图
五心得体会
通过紧张的两个星期的积极准备与不断实验，翻阅大量相关资料，终于完成了本学期的“基于buck电路恒流源”的设计任务。

再设计中，遇到了不少困难与问题，但最终在同学与老师的帮助下都一一化解。

可以说本次的课程设计，对自己来说，不仅是一次知识上的扩展，更是意志与信心上的一种锻炼。

在刚接到题目时，看到是基于buck电路的设计，认为比较简单，掉以轻心。

当开始着手准备是，却发现事情并非如此。

首先是题目要求不仅仅是设计一个简单的buck电路，还有多种要求。

什么是纹波？电感，电容等值怎么计算？然后到底选用单片机为核心的控制电路还是以模拟电路为核心的控制电路？种种问题摆在眼前。

经过翻阅资料，对纹波有了一定了解，也查到了相关的计算公式。

另外刚刚学过的单片机c语言对这次的单片机编程也提供了大大帮助。

但设计出的恒流源是否符合要求，方案是否可行，还需进一步的实验与调试。

本设计实现了利用单片机为核心的控制电路，提高了效率，但应有许多值得改进之处，比如：既然使用了单片机，那么就可以利用单片机的许多优点实现更多的功能，键值功能，显示功能等等。

六、参考文献：
《电力电子学》刘志刚北方交通大学出版社 2004 《电力电子学-电力电子变换和控制技术》陈坚高等教育出版社2004 《电力电子装置及系统》杨荫福清华大学出版社 2006 《电力电子和电子拖动控制系统的MATLAB仿真》洪乃刚 2006。