开关电源boost电路课程设计.doc

电气与电子信息工程学院 课程设计报告设 计： 电力电子装置设计与制作 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级：2011级电气工程及其自动化专升本班 学号： 姓 名： 指导教师： 设计时间： 2012/12/032012/12/14 设计地点： K2-电力电子实验室 完成时间：2012年12月14日电力电子装置设计与制作程设计成绩评定表姓 名 学号201120210107专业班级课程设计题目：电力电子装置设计与制作成绩评定及依据：1. 课程设计考勤情况（20%）：2. 课程设计答辩情况（30%）：3. 完成设计任务报告规范性（50%，其中直流系统部分占60%，交流部分占40%）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字： 电力电子装置设计与制作课程设计任务书 20122013学年第一学期学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作部门： 一、课程设计题目：电力电子装置设计与制作二、课程设计内容根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。设计题目：开关直流升压电源(BOOST)设计主要技术指标：1）输入交流电压220V（可省略此环节）。2）输入直流电压在8-18V之间。3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。4）输出电流1A。5）采用脉宽调制PWM电路控制。三、进度安排序号名 称时 间1下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。一 天2掌握锯齿波产生电路、电压反馈电路、控制电路的工作原理一 天3掌握稳压电源电路工作原理半 天4绘出原理框图以及各部分电路的详细连接图一 天45学会借用电子线路CAD正确绘制电路图；一 天6掌握焊接技术以及MOSFET、二极管、三极管等器件的检测方法半 天7掌握电路的安装与调试一 天8根据直流稳压电源电路的工作原理设计电路图一 天9了解电子电路板的制作过程半 天10学习电路原理图及印制电路板图的读图方法半 天11掌握稳压开关电源的检测与调试一 天12书写课程设计报告一 天四、基本要求1、独立设计原理图各部分电路的设计；2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用4纸写出报告。封面、课程设计任务书摘要，关键词（中英文）方案选择，方案论证系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）各模块的功能，原理，器件选择实验结果以及分析设计小结 附录-参考文献 目录引言21 升压斩波工作原理21.1 主电路工作原理22 升压斩波电路的典型应用43 设计内容及要求631输出值的计算74 硬件电路74.1控制电路74.2 触发电路和主电路94.3.元器件的选取及计算105.仿真116结果分析147小结148.参考文献14 引言近几年来电力电子技术迅速的发展，高压开关稳压电源已广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有的电力设备都需要良好稳定的供电，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。但有时所供的直流电压不符合设备需要，仍需变换，称为DC/DC变换。直流斩波电路作为直流电变成另一种固定电压的DC-DC变换器，在直流传动系统.、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛运用开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波能领域得到了广泛的应用。直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点1 系统方案设计1.1 系统方框图Boost电路又称为升压型斩波器，是一种直流- 直流变换电路,用于将直流电源电压变换为高于其值的直流电压，实现能量从低压侧电源向高压侧负载的传递。整个系统包括BOOST主电路、为了更好的控制开关频率，还增加了闭环调节模块和电压反馈模块。系统方框图如图1-1所示：图1-1 系统方框图1.2 boost升压电路工作原理。在电路中IGBT导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断IGBT导通是，电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。负载侧输出电压的平均值为: （3-1） 式（3-1）中T为开关周期, 为导通时间， 为关断时间。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为开关处于通态期间因电容C的作用使得输出电压不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。1.3boost升压电路原理结构图Boost升压电路结构简单，由直流电源、电感、电容、开关管、二极管以及负载。其基本原理结构如图1-2所示： 图1-3 Boost升压电路结构图2.电路参数的计算及元器件选型2.1 系统的要求本系统主要设计一个升压闭环调节电路，输入电压10V，输出电压22V，最大电流1.5A，输出电压纹波为1%。2.2 TL494工作原理TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下：TL494主要特征集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内止5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。TL494引脚图如图2-1所示：图2-1 TL494引脚分布图TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。参见图2-2。图2-2 TL494控制器时序波形图脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的070温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供5%的精确度。TL494内部电路方框图：2.3 开关频率的计算振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：系统采用RC振荡器参数值分别为R=10K，C=4700PF，通过上式计算得，f=23.4KHZ。2.4TL494的闭环调节如图2-3所示，TL494的IN2通道与feedback引脚构成一个闭环的PID调节。图2-3TL494闭环调节2.4 电感值的计算由Boost的伏秒平衡，可得：又根据能量守恒，可得： (为CCM Boost电感的电流中心值) 当输出最小负载，即，也就是Boost处于临界状态，可得：代入数据可得，L53uh选用绿色环形电感，取3倍欲量。根据公式算电感圈数：考虑欲量最后去圈数为9圈，测得电感值为515uH。2.5 二极管选型根据系统最大电流1.5A，可选取最大允许通过电流2A的二极管，本系统主要选择FR207。3 系统总设计原理图系统设计原理图如图3-1所示：图3-1 系统总设计原理图4 设计结果与分析4.1 测试工具泰克示波器TDS1012B双路稳压电源CALTEKCA17305D数字万用表DT92054.2 TL494输出波形用示波器触笔接TL494的9、10号脚的输出波形为驱动MOS开关管波形，如图4-2所示：图4-2 MOS驱动波形 TL494的5、6号脚与外围电阻电容构成一个RC振荡器，为系统提供了比较基准源，示波器上显示波形如图4-1所示：图4-1 比较基准波形图4.3输出纹波波形系统输出纹波的产生主要由于Boost电路中的开关管的开断以及电感电容的充放电，根据设置的电容值大小，最后输出的纹波波形，测试时示波器采用交流挡测试，所测试的波形如图4-3所示：图4-3 输出纹波波形4.4 电感输出波形当开关管开通和关断过程中，电感处的输出波形与输入波形有很大的区别，输入波形为系统电源输入波形，为直流波形。其波形如图4-4所示：图4-5 电感输出波形5实验小结 通过这次对降压直流斩波电路的课程设计，我对斩波电路有了更加清晰的认识，同时也对驱动电路也有了更深刻的认识，另外，在做设计的过程中我也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方法，加深了对课本知识的进一步理解。 同时这次课程设计应用到MATLAB软件，设计时借助MATLAB软件进行系统模型仿真，进一步熟悉了MATLAB语言及其应用，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。同时该次课程设计。书写课程设计说明书时使用WORD软件，使我掌握了许多关于WORD编辑和排版技巧，提高了自身对一些基本软件的应用技能。 总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中，了解了这些知识在电源上丰富而强大的用途，为将来走进工作打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子