buck变换器的研究与设计

目录

摘要 (2)

Buck变换器的研究与设计 (3)

1 总体方案设计 (3)

1.1电路简述 (3)

1.2设计要求及解决方案 (3)

1.3设计总体原理框图 (4)

2直流稳压电源的设计 (4)

2.1电源设计原理 (4)

2.2电源设计分析 (4)

3降压斩波主电路设 (6)

3.1 Buck电路工作原理 (6)

3.2 主电路参数讨论 (8)

4控制电路原理与设计 (9)

4.1控制电路方案选择 (9)

4.2控制电路原理图及工作原理 (10)

4.3 PWM控制原理与波形 (11)

4.4驱动电路 (12)

5 保护电路的原理与设计 (12)

5.1过电压保护 (12)

5.2过电流保护 (13)

6总结与体会 (14)

参考文献 (15)

附录 (16)

摘要

随着电子技术的不断发展，电子设备功能日趋完善，对电源的要求也越来越高，由于具有高集成度高性价比、外围电路简单、高效率等优点，单片开关电源已经广泛应用于众多便携式电子产品中。

直流-直流交变电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流斩波电路。Buck电路作为一种最基本的DC/ DC 拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品中。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可以分为脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方式，Buck电路的研究对电子产品的发展有着重要的意义。

关键词：电子技术电源斩波调制

Buck 变换器的研究与设计

1 总体方案设计

1.1电路简述

直流斩波电路（DC Chopper ）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter ）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，输入与输出不之间不隔离。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

1.2设计要求及解决方案

1）设计一个输入为家庭电源220V 交流电，输出为20-30V 的直流稳压电源，根据前面模拟电路所学的内容，采用相应的芯片就可以满足所需要求。

2）对降压斩波主电路进行设计，所涉及电力电子原理知识的直流斩波部分，可以参见电力电子课本第三章，所选着的全控型器件为IGBT 。任务还需要通过PWM 方式来控制IGBT 的通断，查阅相关资料，需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM 控制信号。

3）电路需要使输出电压恒定为15V ，采用电压闭环，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM 信号，调节不同的脉冲宽度可以得到稳定的15V 输出，达到负反馈稳定控制的目的。

图1 Buck 电路总框图

i U 0U V 220~ EX841驱动电路

SG3525脉宽调制器 Buck 主电路 直 流 稳 压

电 源

1.3设计总体原理框图

根据设计要求，作出所要求的总体原理框图，如图1所示。

2直流稳压电源的设计

2.1电源设计原理

直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如图2所示，直流稳压电源设计图如图3所示。

+ + + + +

_1u _

2u _3u _ i u _ 0u

图2 直流稳压电源原理框图

图3 稳压电源电路图

2.2电源设计分析

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流桥，整流电路的作用是将交流电压2u 变换成脉动的直流电压3u 。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压3u 中的大部分纹波加以滤除，得到平滑的直流电压i u 。i u 与交流电压

变 压 电 路 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压

电 路

2u 的有效值的关系为：2)2.1~1.1(U U I =；在整流电路中，二极管所承受的最大反向电压为：22U U RM =；流过每只二极管的平均电流为: 其中：R 为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C 提供放电通路，放电时间常数RC

应满足： , 其中ms T 20=是HZ 50交流电压的周期。 为了使输出电压稳定，满足设计要求，需加稳压电路，以克服输入电压1u 发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压i u 会随着变化。选定稳压器为可调式输出正电压的CW317三端稳压器，稳压器输出电压的可调范围为V u 37~2.10=，最大输出电流A I O 5.1max =，输入电压与输出电压差的允许范围为：V u u i 40~30=-。

对本次课设的直流电源进行设计，输出电压为20-30V 。集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：V u 37~2.10=，

最大输出电流max o I 为1.5A 。由于CW317 的输入电压与输出电压差的最小值V U U o I 3)(min =-，输入电压与输出电压差的最大值V U U o I 40)(max =-。故CW317的输入电压范围为：

max min min max 0)()(o I o I o I U U U U U U U -+≤≤-+

即：V V U V V I 4020330+≤≤+

变压器副边电流：A I A I I o 2.1,12max 2==>取，

因此，变压器副边输出功率：w U I P 36222=≥

由于变压器的效率η = 0.8，所以变压器原边输入功率 ，为了留有余地，选用功率为50W 的变压器。 接着选用整流二极管和滤波电容，由于：V U U RM 4.4230222=⨯=>， A I 1max 0=。IN4001的反向击穿电压V U RM 50>，额定工作电流max 01I A I D ==，故整流二极管选用IN4001。电路对纹波由要求，输出纹波电压小于等于100mv ，

选定稳压系数3103-⨯≤V S ，根据V U V U I 33,300==以及公式 可以求得： 所以，滤波电容：

电容的耐压要大于V U 4.4222=，滤波电容C 取容量为470uF ，取50V 的电解电容。 2

)5~3(T RC >V U V U U in 30,301

.1331.12Im 2===≥取w P P 4521=≥η

V S U U U U V

I p op I 7.361033033

1.030=⨯⨯⨯=∆=∆--uF F U T I U t I C I o I C 4.2720002724.07

.362150112.max ==⨯⨯=∆=∆=R

U I I R D 245.02==I I V U U U U S ∆∆=/00