高效DC-DC直流变换器设计

高效DC-DC直流变换器设计应用科技学院 电子信息工程专业 120352010060 李宗艺 指导教师 郑华【摘要】本文分析设计一款高效率的直流电源，效率可达90%，且电路结构简单，制作方便。在电子线路中，一般都要电压稳定的直流电源供电，小功率稳压电源通常是由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路等四部分组成。为了提高电路转换效率，只能改变稳压电路的结构来提高效率。稳压电路的形式多种多样，性能指标也各不相同。比较经常用的稳压电路主要有并联型硅稳压管稳压电路、串联型稳压电路、三端集成稳压器以及串联（并联）开关型稳压电路等。在文中分析了各个稳压电路的特点，最终集成开关稳压器LM2596能达到高效率的指标。本设计最后用Altium Designer Summer 09画出电路PCB【关键词】LM2596；高效率；稳压；电源目录1引言12设计的任务与要求12.1设计指标12.2 设计要求23课题分析23.1 直流电源的系统方案23.2 电源变压器23.3 整流电路33.4 滤波器33.5 稳压电路43.6 效率的提高44. 稳压器的选择方案论证54.1 硅稳压电路的方案论证54.2 串联型稳压电路的方案论证54.3 三端线性集成稳压器的方案论证64.4 集成开关稳压器的方案论证84.5 最终方案确定95. 器件选择及方案实现95.1工作原理105.2 器件选择101、输入电容的选择（CIN）102、电感的选择（L1）103、前馈电容（CFF，见图1）114、输出电容的选择（COUT）115、吸纳二极管的选择（D1）116、输出电压值的计算125.3 使用注意事项126. 实装调试127. 经验体会13致谢148参考文献：14附录：电路原理图、PCB图及实物照片15电路原理图：15PCB图：16实物图：1621引言我国的开关电源起源于上世纪七十年代末期，到了上世纪八十年代中期，开关电源产品开始了推广与应用。当时的开关电源所用的频率是20KHz以下的pwm技术，它的效率仅能到达60%70%。经过了20年的快速发展，开关电源在新型功率器件的研发基础上高频化，功率MOSFET和IGBT的推广应用使得中小功率的开关电源工作频率达到了400KHz（AC/DC）和1MHz（DC/DC）。后来软开关技术的出现，真正实现开关电源的高频化，软开关技术不仅减少了电源的重量和体积，而且提高了效率！到了现在，采用软开关技术的我国产生的开关电源，效率可以达到93%。只是，我国目前的软开关电源技术相比世界先进的国家还有一段差距。DC-DC变换器是把一个固定的直流电压转换为可变的直流电压，这种技术广泛地应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具备有加速平稳、快速响应的性能，并能同时收到节约电能的效果。这种技术被应用在远程和数据通讯、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。一般电子设备都由整流器和蓄电池供电。但各种设备需要的电源电压大不相同。比如：各种通信设备所需的电源电压就有6V、12V、24V、60V、110V、130V和220V等。由于各种设备需要的电源电压不同，因此，这些设备由电池供电时，势必造成蓄电池组种类繁多，规格不齐，体积庞大，维护不便。如果采用直流变换器，把低压直流变换成高压直流，那么就可省去高压蓄电池组，这样就减少了蓄电池的组数，减轻了蓄电池的维护工作量。由于线性稳压器电路的压降在调整管，故效率低。由于开关稳压器电路电感电容具有储能作用，故效率高，所以选用开关稳压器电路提高效率。开关稳压电源的优点如下：1）功耗小，效率高。2）体积小，质量小。3）稳压范围宽。4）滤波的效率提升，使滤波电容的容量和体积减少。5）电路形式灵活多样，设计者可以根据自己的需要设计出不同的开关电源。DC-DC变换器是一款比较常用的电源电路，本次设计采用LM2596芯片控制电路，电路效率高，输出电流大，最大可达2.6A，输出电压可调范围宽，范围为1.3236.2V。具有电路简单，电路转换效率高，调试方便的优点。2设计的任务与要求在生活中用到的电子设备一般都需要直流电源来供给。电子设备中用到的直流电源通常需要经过整流、滤波、稳压，对直流稳压电源的要求不仅要根据不同用电设备的要求提供不同的电压电流，而且还要做到纹波小、输出电压保持稳定。当电网电压波动或负载改变时，能保持输出直流电压基本不变，要求电路把交流电转换成直流电时，要求电路转换效率高。2.1设计指标 1. 达到了解直流稳压电源电路的组成和电路的工作原理；2. 学习和掌握直流稳压电源电路的设计和电路各个参数的计算；3. 了解线性直流稳压集成电路LM317的特点和应用；4设计LM2596的开关集成应用电路；5、设计出一款电压输出范围宽、转换效率高的直流稳压电源。2.2 设计要求1. 输出直流电压范围： 325V2. 最大输出电流：2A3. 电源调整率：UO 0.1V(输入交流电源电压在190V230V，25 )4最低效率：h85%3课题分析3.1 直流电源的系统方案 在电子线路中，通常需要电压稳定的直流电源供电。稳压电源的组成可以用图1表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成9。如图所示，重点考虑如何提高效率，因此对每部分的要求都很高。图1 直流稳压电源结构图和稳压过程3.2 电源变压器 电网电压提供的一般是交流电220V，而平常生活中的电子设备需要的电压各种各样，所以，经常需要将电网电压先经过变压器变压变小或变小，然后将变换后的电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压。电源变压器如图2所示。它的是由铜线圈组成，中间是铁芯，运用电磁感应定律，可以将电网交流电压220V转换为电压值不一样的同频率交流电，而且转换效率很高。 图2 变压器 3.3 整流电路 整流电路的任务是将交流电转变成直流电。完成这个过程主要靠二极管的单向导电作用，所以二极管是构成整流电路的关键部分，在整流电路中，比较常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。二极管整流电路输出的都是直流脉动电压，与理想的平滑的直流电压相差还很远。如图3是桥式整流电路。图3 桥式单相全波整流电路3.4 滤波器二极管整流电路输出的都是直流脉动电压。这种脉动电压中含有很大的交流成分，平滑性差，因而不能保证电子设备的正常工作。为此就要把脉动直流电中的纹波成分去掉，这个过程称作滤波，实现滤波功能的电路称作滤波电路，简称滤波器。滤波器主要是由电容、电感等储能元件组成。它的作用是去掉脉动电压中的纹波，使输出的电压变为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压波动或负载改变时，滤波器输出直流电压的幅值也跟着改变。电容和电感是基本的滤波元件，是利用他们的储能作用，在二极管导电时将能量部分储存在电场或磁场中，在另一个周期再逐渐释放出来，从而在负载上得到比较平滑的波形。常用的滤波器有电容滤波器、电感滤波器和复式滤波器7。图4是桥式全波整流、电容滤波电路。图4 桥式全波整流、电容滤波电路3.5 稳压电路整流电路是将交流电转变成单向的直流电，而滤波电路减少了单向直流电的纹波成分。但是输出的电压与实际需求的电压还有一段差距，主要存在两个问题：首先，当负载改变时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，所以输出直流电压跟着变化。其次，当电网电压波动时，因整流电路的输出电压与变压器的二次电压有关，所以也要相应的变化。为了达到更加稳定的直流电源，需要在电路的加上稳压电路。稳压电路主要有硅稳压管稳压电路、串联型直流稳压电源和集成稳压电路。图5是78XX系列稳压集成器件。3.6 效率的提高经过对各个模块的分析后发现变压器是不可调节模块，输入输出效率很高，对于输出小功率，损耗基本可以忽略。在变压器的输出电压恒定，稳压电路输出电压改变时也不能改变变压器的输出电压。造成效率的不稳定。例如，如要输出3V到12V可调直流电压，由 图5 78XX 于电路输出的需要只能将变压器输出的电压定为20V，且变压器的输出电流与负载电流相同。由功率（P）=电压（U）*电流（I），效率（h）=输出功率（P2）/输入功率（P1）。因为电流相同，所以功率比等同于电压比，当输出电压为20V时电源的效率为80%，而输出为5V时就只能达到20%。即使将变压器选择为可调变压器，当输出3V电压时要求变压器输出电压为6V，效率只能达到50%。达不到设计要求。所以不能通过改变变压器来提高效率。整流电路和滤波电路不具备改变电压和电流的条件。所以不能提高效率。所以，只能选用不同的稳压电路来提高效率，从而达到设计的要求。4. 稳压器的选择方案论证稳压电路的质量由以下来定：内阻，稳压系数，电压调整率，电流调整率，最大纹波电压，温度系数以及噪声电压等。常用的稳压电路主要有并联型稳压管稳压电路、串联型稳压电路、三端集成稳压器以及串联（并联）开关型稳压电路4.1 硅稳压电路的方案论证硅稳压管稳压电路（并联型）的原理图如图6所示。整流滤波后得到的电压Ui作为稳压电路的输入电压，稳压管Vs与负载RL 并联。为了保证稳压管工作在反向击穿区，要使稳压管反接。R是限流电阻，当电网电压波动或负载发生变化时，造成输出电压Vo也跟着发生波动。嘉定Vo上升，那么稳压管的反向电压Vz也同样上升，所以引起Iz的急剧上升，流过限流电阻R的电流IR也上升，导致R上的压降VR上升，从而Vo下降，抵消了刚才的波动。图6 硅稳压管稳压电源但由于稳压二极管的稳压值恒定，故无法调节输出电压。所以不符合设计要求。4.2 串联型稳压电路的方案论证串联型直流稳压电路，就是在输入直流电压与负载之间串联一个调整三极管，当电网电压或负载波动引起输出电压变化时，输出电压的变化将反映到三极管的输入电压Ube，所以Uce也跟着变化，因而调整输出电压，保持输出电压基本稳定12。串联型稳压电源如图75所示，电路包括四个组成部分。图7 串联型稳压电源1. 采样电路由电阻R1、R2和R3组成。当Uo变动时，采样电阻对变化量进行采样，并传送到放大电路的反向输入端。2. 放大电路顾名思义，放大电路的作用是将采样电阻送来的变化量进行放大，然后传送到调整管的基极。3. 基准电路基准电路是稳压管供应基准电压，接在放大电路的输入端。采样电压与基准电压进行比较，并将产生的误差电压进行放大。4.调整管调整管接在输入直流电压Ui与输出端负载电阻之间，当输出电压Uo发生波动时，调整管的集电极电压产生相应的变化，使输出电压基本保持稳定。串联型直流稳压电路稳压，实质上是电压负反馈使输出电压保持基本稳定。通过改变采样电阻中的电位器RP使得可以输出一定范围的电压。但是因为采用电阻分压的形式，使得电路的效率达不到很高。如果输出3V，而输入15V，则会将大部分的能量耗费在电阻上。所以串联型直流稳压电源不适合用来做提高效率的电路。4.3 三端线性集成稳压器的方案论证集成稳压器的优点有：体积小、可靠性高、温度特性好，方便使用、价格便宜。集成稳压器广泛应用于各种仪器仪表和其他电子设备中。三端集成稳压器只有三个引脚，三个脚按顺序接输入端、输出端和公共端，基本上不用外接器件。芯片很小却集成了各种保护电路，使电路越可靠、安全。三端集成稳压器的组成如图8所示，电路其实是串联型直流稳压电路的基础上加上保护电路和启动电路。图8 三端集成稳压器78XX系列为三端固定式集成稳压器。可以输出电压值主要有，5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。但并不存在可调的78XX系列集成稳压器。所以要有可调的电路，还需要做添加些外围器件，具体原理图如下：图9 可调78XX系列集成稳压器LM317也是三端集成稳压器。而且输出电压可调范围为1.237V，能够提供超过1.5A的电流。满足设计需求，电路也比较简单，如下图所示：图10 LM317三端集成稳压器 三端集成线性稳压器件虽然能达到设计的基本要求，但是线性器件的输入和输出电流呈线性关系，使得功率基本上取决于输入电压和输出电压的比值。当输入电压与输出电压的比值较大时，电源的效率会很低，只有35%55%。输出电压调得很低时，（Ui-Uo）很高，使得内部调整管的管压降增大，同时调整管的功率损耗也随之增大，大量能量消耗在调整管上。此时应防止其管压降和功耗超过额定值，以保证电路安全。4.4 集成开关稳压器的方案论证串联式开关型稳压电路的构成如图11所示。电路中包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制、比较放大、基准电压和采样电路等部分组成。图11 串联式开关型稳压电路当输入电网电压波动或负载改变而引起输出电压发生改变时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使得脉冲波形的占空比发生变化。脉冲信号作为开关调整管的输入信号，使得调整管的导通和截止时间的比例也随之发生变化，从而使滤波以后输出电压的平均值保持基本不变。LM2596是美国半导体公司生产的3A电流输出开关型集成稳压电路，它包含固定频率振荡器和基准稳压器，还具有保护电路，电流限制和热关断电路等，使用该器件用很少的外围器件就能构成高效稳压电路。LM2596产品均提供有3.3V、5V、12V、及可调（-ADJ）等多个电压档次产品3。LM2596具有开关稳压电路的所有优点，效率可以达到70%90%。其简单应用电路如图12。外围电路只用到7个元件，使用方便。图12 LM2596应用电路图4.5 最终方案确定 通过上面对各个电路的分析，最后采用集成开关稳压器LM2596作为设计电路。5. 器件选择及方案实现LM2596-ADJ内部包含振荡器、取样放大器、比较器、PWM 调制器、功率开关等。采用的是TO-220 封装,外部只有5只管脚,外形和塑封晶体管差不多。它的内部原理图和引脚信息如图13、图14 所示。图13 LM2596内部功能框图图14 LM2596引脚排列图5.1工作原理LM2596-ADJ 组成的高效率输出可调的电源如图15所示。电网电压经过变压器降压再经桥式整流后滤波,电压到LM2596-ADJ 输入端1 脚。LM2596的第4脚是控制端，接可调电阻R2和电阻R1构成分压电路，增大或减小R2就可以改变电路分压比，就能改变输出电压的大小。输出电压Vo = UREF(1 +R2/R1) ,其中UREF为取样电路的基准电压，等于1. 23V。Cin是输入端滤波电容, CFF前馈电容 、COUT 输出端滤波电容。图15 LM2596应用电路图5.2 器件选择1、输入电容的选择（CIN）选用电解电容，大小选470uF，耐压值为50V。2、电感的选择（L1）1、用ET计算电感电压与微秒的乘积 公式1其中VSAT为内部开关饱和电压，且VSAT=1.16VVD为二极管正向压降，VD=0.5V。2.用前面公式中所得的ET的值，3.根据ET值与最大的负载电流值的交叉处来确定一个电感区域，每个区域都由一个电感值与一个电感序号（LXX）表征。4、选用磁屏蔽结构的电感器。最后选择电感值为68uH3、前馈电容（CFF，见图1）仅当输出电压大于10V时，需要补偿电容，该电容的值的范围为100pF33nF，与此同时，该电容与输出电阻R2并联。而对于高输出电压、低输入-输出电压或低等效电阻的输出电容等情况，该电容使电路更加稳定，比如固态钽电容。 公式2该电容可以是瓷片电容、塑胶或云母电容。最后选用3.3NF，2KV高压瓷片电容4、输出电容的选择（COUT）1.输出电容一般选用82F820F之间的低等效电阻的电解电容或者固态钽电容效果最好，电容连接电路时要靠近IC，管脚短一点，连接的铜线也要短。容量不要大于820F。2.耐压至少是夹在两端电压的1.5倍，更高的电容耐压值可以得到纹波值更低的输出电压，电容值最终选择是220UF，耐压值为50V5、吸纳二极管的选择（D1）1.吸纳二极管的最大正向电流至少是最大负载电流的1.5倍，假如设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二极管的最大正向电流要等于LM2596的最大输出电流。2.吸纳二极管的反向耐压至少是最大输入电压的1.25倍。3.吸纳二极管必须是快恢复还要靠近LM2596，这个二极管的管脚短一点好，所连接的铜线同样要短。电路的需求是二极管开关速度要快、正向压降低，因此，选用肖特基二极管，与此同时，它的性能和效率都不错，特别是在低输出电压的时候更好。IN5822符合以上要求。6、输出电压值的计算有下式可以知道R1的阻值： 公式3这里的VREF=1.23V，在240和1.5K之间为R1选择一个适当的阻值。阻值低可以使反馈脚的噪声容限降到最低。 公式4 最终器件选择如下：（1）LM2596-ADJ开关稳压芯片一个；（2）220V12V、4A（双12输出，所以也可输出24V）变压器一个；（3）前馈电容3.3nF一个；（4）DB107（整流桥）一个；（5）470F、50V滤波电容一个；（6）IN5822、3A续流二极管一个；（7）68H储能电感一个；（8）电阻1K，滑动变阻器30K各一个；（9）220F、50V输出端滤波电容一个。（10）输出电容0.1u（作用：过滤高频用）5.3 使用注意事项(1) 变压器次级采用高低压抽头，因为当输出电压较低时,输出脉宽很窄,占空比小,会增加输出电压的纹波系数。 (2) 信号地与功率地务必分别设置,是因为功率地线上流过的大电流在印制板上形成的压降若被引入信号端,经过开关稳压器到输出端,会影响稳压性能。 (3) 电路使用的时候要避免输出端短路,特别是在输出电压很高、输出电流较大时,会导致开关稳压器损坏。6. 实装调试电源调整率变压器电压Vi 输出电压可调范围Vo9V1.3112.04V12V1.3416.78V15V1.3218.70V18V1.3225.5V24V1.3234.7V30V1.3236.2V 输出电流Il 输出电压Vo0.42A9V0.45A8.9V0.77A8.9V负载调整率转换效率Pin Po Vin Iin Vo Io 15V0.55A12V0.602A0.8750.32A9V0.49A0.920.16A6V0.36A0.900.10A4.5V0.283A0.850.04A3V0.186A0.937. 经验体会在老师的指导下，经过一两周的实验，才发现专业知识上的薄弱，经过这段时间的努力，使自己在各方面能力与知识都得到了提升，特别是动手能力，与对各种元件的认识，认识了更多的元器件，比如稳压芯片LM317和LM2596，认识了他们的特性和参数。制作高效直流稳压电流提出了几种方案，最后使用集成开关稳压器LM2596。认识到LM2596应该注意事项：1）反馈线离电感要远一些,电路中输入、输出电容、续流二极管、接地端、控制端的接线要短而粗,一般用地线屏蔽较好。 2）因为LM2596的转换效率很高,所以不用考虑散热问题。此次设计如何提高效率是个大问题，通过了解，我发现变压器是不可调节模块。变压器模块本身输入输出效率很高，相对于输出小功率，损耗几乎为零。但因为变压器的输出电压恒定，在输出电压改变时变压器输出也不能改变，导致效率会降低。例如，如要输出3V到12V可调直流电压，由 于电路输出的需要只能将变压器输出的电压定为20V，且变压器的输出电流与负载电流相同。由功率（P）=电压（U）*电流（I），效率（h）=输出功率（P2）/输入功率（P1）。因为电流相同，所以功率比等同于电压比，当输出电压为20V时电源的效率为80%，而输出为5V时就只能达到20%。即使将变压器选择为可调变压器，当输出3V电压时要求变压器输出电压为6V，效率只能达到50%。达不到设计要求。所以不能通过改变变压器来提高效率。整流电路和滤波电路改变不了电压和电流。所以不能改变效率。为了提高效率，只能在稳压电路的选择上进行变换，从而达到设计要求。在制作电路的过程中也遇到了不少问题，但在坚持下这些问题都被解决了，在动手实践中学到了课堂上学不到的知识，有些知识只能在实践中得到，所以要多多实践！致谢完成本论文和设计，感谢帮助和指导我的郑华老师，在这里表示衷心的感谢！学校的学习生活就快要结束，回首过去的四年学习生活，感觉还是有所收获。在这里要感谢曾经教导过我的老师、帮助过我的同学。在学习中遇到过各种各样的问题，多谢你们的帮助。在论文格式上，谢谢郑华老师的悉心指导！感谢学校提供的学习条件！因为个人能力有限，论文中难免有不足之处，希望各位老师和学友批评和指正！8参考文献：1 清华大学电子学教研组，杨素行，模拟电子技术，北京：高等教育出版社，2006.72 徐爱钧，Keil C51 V7.0单片机高级语言编程与Vision2应用实践，北京:电子工业出版社，2008.3 百度文库网：4 中国电子网：5 电子电路图网：6周志敏 ，周纪海，纪爱华，开关电源实用电路，中国电力出版社7刘大茂，方张龙，陈秀祥，陈锦彬，电子电气类专业基础知识，厦门大学出版社8周志敏，周纪海，纪爱华，单片开关电源-应用电路电磁兼容PCB布线，电子工业出版社9康华光，电子技术基础（模拟部分第五版），高等教育出版社10侯振义，直流开关电源技术及应用，电子工业出版社11全新实用电路集粹丛书编辑委员会，电源应用电路集粹， 电子工业出版社12王丽，高艳梅，模拟电子技术基础，电子工业出版社13陈永真，陈之勃，2011版全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解，电子工业出版社14张睿，赵艳华，刘志刚，Protel DXP2004电路设计，电子工业出版社15胡斌，图表细说电子元器件，电子工业出版社The Design of High Efficient DC-DC ConverterInst