电气电子毕业设计127桂林电子科技大学dc-dc电压变换器设计
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电气电子毕业设计127桂林电子科技大学dc-dc电压变换器设计,毕业设计论文
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课程设计 (论文 )说明书 题 目： DC-DC电压变换器 （ 5V升压到 24V） 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 通信工程 学生姓名： 陈金凌 学 号： 0400210213 指导教师： 覃远年 职 称： 高级工程师 2008年 1月 4 日 nts摘 要 摘要 ： 本文从 Boost 变换器 的基本知识， 555 集成电路和 5V 24V DC DC 电压变换器的设计与制作、调试等几个方面对电压变换器进行了阐述。 本次的课程设计主要利用 555 时基电路组成的多谐振荡器输出一个方波去控制 Boost 电路的电子开关，从而控制输出的电压，达到升压且稳压的目的。 关键词 ： Boost 变换器 ； 555 定时器 ； 占空比 Abstract: The classifications of current source are presented. The basic principle of the current source is discussed. By practical examples,explain the advantages of the switch current source in use. Key words: current source ;switch ;DC/DC conversion Abstract ntsAbstract: In this paper the basic knowledge Boost Circuit, 555 integrated circuits and 5 V-24V DC-DC voltage converter design and production, debugging, and several other aspects of the voltage converter are described. The curriculum design of the main circuit-555 at the Multivibrator a square wave output Boost circuit to control the electronic switches to control the output voltage, and to boost the purpose of regulator. Keyword:Boost converter； 555 timer； duty cycle nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 2 页 目 录 引言 1 1 Boost 变换器 1 1 1 别名 1 1 2 线路组成 1 1 3 工作原理 1 1 3 1 假定 1 1 3 2 工作过程 1 1 4 电路各点的波形 2 1 5 主要概念和关系式 3 2 555 时基电路 4 2 1 555 芯片 4 2 2 用 555 定时器构成的多谐振荡器 6 3 DC-DC电压变换器的设计 8 3 1 设计要求 8 3 2 设计思路 8 3 3 计算及取值 8 3 4 用 Multisim2001 的仿真电路 9 4 PCB 电路板的制作 9 4 1 原理图的设计 9 4 2 PCB 图的生成 10 4 3 电路板制作 11 5 电路板的调试与结果分析 11 6 设计体会 12 谢辞 13 参考文献 14 附录 1 15 附录 2 16 nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 2 页 摘 要 摘要 ： 本文从 Boost 变换器的基本知识， 555 集成电路和 5V 24V DC DC 电压变换器的设计与制作、调试等几个方面对电压变换器进行了阐述。 本次的课程设计主要利用 555 时基电路组成的多谐振荡器输出一个方波去控制 Boost 电路的电子开关，从而控制输出的电压，达到升压且稳压的目的。 关键词 ： Boost 变换器； 555 定时器 ； 占空比 Abstract Abstract: In this paper the basic knowledge Boost Circuit, 555 integrated circuits and 5 V-24V DC-DC voltage converter design and production, debugging, and several other aspects of the voltage converter are described. The curriculum design of the main circuit-555 at the Multivibrator a square wave output Boost circuit to control the electronic switches to control the output voltage, and to boost the purpose of regulator. Keyword:Boost converter； 555 timer； duty cycle nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 16 页 引言 电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。一般电力（如市电）要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有：交流转换成直流（ AC-DC）， 直流变交流 (DC-AC)， 高压变成低压， 低压变成高压等等 。按电力电子的习惯称谓 ， AC DC称为整流 ， DC AC称为逆变 ， AC AC称为交流-交流直接变频 ， DC DC 称为直流 -直流变换 。 为达到转换目的 ， 手段是多样的 。 本文主要从常用到的 Boost 直流变换电路的基本知识， NE555 时基电路和5V 升为 24V 直流电压变换器的设计与制作、调试等几 个方面对 DC-DC 直流电压变换器进行了阐述。 1 Boost 变换器 1.1 别名 升压变换器 ， 并联开关电路 ， 三端开关型升压稳压器 。 1.2 线路组成 线路如图 1-1 所示由开关 S， 电感 L， 电容 C 组成 。 完成把电压 Vin 升压到Vo的功能 。 (a)Boost电路原理图 (b)由晶体管和二极管组成的 Boost电路 图 1-1 Boost 电路 1.3 工作原理 1.3.1 假定 : 为分析稳态特性 ， 简化推导公式过程 ， 特作如下几点假定 ； (1)开关晶体管 ， 二极管均是 理想元件 。 也就是可以瞬间地 “ 导通 ” 和 “ 截止 ” ，而且 “ 导通 ” 时压降为零 ， “ 截止 ” 时漏电流为零 。 (2)电感 ， 电容是理想元件 。 电感工作在线性区而未饱和 ， 寄生电阻为零 ， 电容的等效串联电阻为零 。 (3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略 。 1.3.2 工作过程 当开关 S在位置 A时 ， 相当于晶体管处于 导通状态 ， 二极管反向偏置而截止 ，nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 16 页 整个 电路分成 前后 两部分 ， 如图 1-2(a)所示 。 电流Li流过电感线圈 L， 在电感线圈未饱和前 ， 电流线性增加 。 电能以磁能形式 储在电感线圈 L中 。 此时 ， 电容 C放电 ， R上流过电流 Io， R两端为输出电压 Vo， 输出为上正下负 。 由于开关 晶体管导通 ， 二极管阳极接 Vin负极 ， 二极管承受反向电压 。 所以电容不能通过开关管放电 。 当 开关转换到位置 B 时 ， 相当于晶体管处于截止状态 ， 二极管导通 ，构成电路如图 1-2(b)。 由于线圈 L 中的磁场将改变线圈 L 两端的电压极性 ， 以保持Li不变 。 这样线圈 L磁能转化成的电压 VL与电源 VS串联 ， 以高于 Vo电压向电容 C， 负载 R供电 。 高于 Vo时 ， 电容有充电电流 ； 等于 Vo时 ， 充电电 流为零 ；当 Vo有降低趋势时 ， 电容向负载 R放电 ， 维持 Vo不变 。 (a) (b) 图 1-2 Boost变换器电路工作过程 由于 VL+Vin 向负载 R 供电时 ， Vo 高于 Vin， 故称它为升压变压器 。 工作中输入电流 Is=Li是连续的 。 但流经二极管 D1 电流却是脉动的 。 由于有 C的存在 ，负载 R上仍有稳定连续的负载电流 Io。 1.4 电路各点的波形 按Li在周期开始时是否从零开始 ， 可分为连续工作状态或不连续工作状态两种模式 。 本文只讨论连续工作状态 。 波形各如图 1-3所示 。 nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 16 页 图 1-3 电感电流连续 在Li连续工作状态 ， 开关周期 Ts 最后的时刻电流 Ia 值 ， 就是下一个 Ts 周期中电流Li的开始值 。 但是 ， 如果电感量太小 ， 电流线性下降快 ， 即在电感中能量释放完时 ， 尚未达到晶体管重新导通的时刻 ， 因而能量得不到及时的补充 ， 这样就 出现了电流不连续的工作状态 。 在要求相同功率输出时 ， 此时晶体管的最大瞬时电流比连续状态下要大 ， 同时输出直流电压的纹波也增加 。 在连续工作状态下 ， 输入电流不是脉动的 ， 纹波电流随 L增大而减小 。 1.5 主要概念和关系式 下面分析开关闭合和断开的情况与输出电压的关系 。 在图 三 中设开关动作周期为 Ts， 闭合时间为 t1=D1Ts。 断开时间为 t2-t1=D2Ts。 D1为接通时间占空比 ， D2为断开时间占空比 ， 它们各自小于 1， 连续状态时 D1+ D2=1。 在输入输出电压不变前提下 ， 当开关 S 在 A 位时 ， Li线性上升 ， 其电感电流增量为 : 11inLSVi DTLV开关位在 B时 ， Li线性下降 ， 其增量为 : nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 16 页 022inLSVVi D TLV由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等 12LLiiVV， 所以 1 0 2()in S in SD T V V D T化简得 : 电压增益 1211 ( 1 1 )1 OinVM V D D 由式 (1-1)可知 ， 电压增益与不单与 D1有关 ， 而且与 D2有关 。 由此 ， 我们可以通过改变输入方波的占空比来控制 开关晶体管的通断时间 ， 从而改变 电压增益 ， 以达到实际所需要的 输出电压 值 。 利用 555定 时器构成的多谐振荡器可以方便地输出方波 。 下面先来介绍一下 555定时器 。 2 555 时基电路 2.1 555 芯片 555 时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路 ， 利用它可以方便地构成各种脉冲单元电路 。 它设计新颖 ， 构思奇巧 ， 用途广泛 ， 备受广大电子专业设计人员和电子爱好者的青睐 ， 人们将其戏称为伟大的小 IC。 尽管世界各大半导体或器件公司 ， 厂家都在生产各自型号的 555/556时基电路 ， 但其内部电路大同小异 ， 且都具有相同的引出功能端 。 其内部电路结构和外部引脚排列如图 2-1所示 。 （ a） 555芯片内部电路结构 nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 16 页 （ b） 555外部引脚功能 图 2-1 555 芯片 电路由电压比较器 C1和 C2， 基本 RS触发器及集电极开路的放电三极管 TD组成 。 V11 是比较器 C1 的输入端 (也称阈值端 )， V12 是比较器 C2 的输入端 (也称触发端 )。 C1和 C2 的参考电压 (电压比较器的基准 ) VR1 和 VR2 由 VCC经 3个 5K电阻分压给出 。 在控制电压输入端 VCO悬空时 ， VR1=1/3VCC ， VR2=2/3 VCC。如果VCO外接固定电压，则 VR1=VCO， VR2=1/2 VCO。 DR 是置零输入端。只要在 DR 端上加上低电平，输出端 V0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使 DR 处于高电平。 OV 是放电三极管 TD的集电极引出端，也称为 DISC。图中的数码 18 为器件引脚的编号。 NE555 的功能表如表 2-1 所示。当 V11VR1， V12VR2 时，比较器 C1 的输出VC1=0，比较器 C2 的输出 VC2=1，基本 RS 触发器被置 0， TD 导通，同时输出Vo 为低电平。 表 2-1 NE555 功能表 nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 16 页 当 V11 VR2 时 ， VC1=1， VC2=1， 基本 RS触发器的状态保持不变，因而 TD和 VO的状态也维持不变。 当 V11 VR1， V12 VR2)阶段时 ， VC1=1， VC2=1， 基本触发器的状态保持 不变 ， 输出仍为高电平。当 VC电压上升刚超过 2/3VCC时， V11 VR1， V12 VR2， VC1=0， VC2=1，基本触发器被置 0，电路发生状态转换，使输出 V0为低电平，电路进入暂稳态 。在暂稳态 ， TD导通，电容 C 停止充电， 反过来经过电阻 R2 和放电管 TD放电，使 VC 电压下降。当 Vc 刚下降到 1/3 VCC以下时， V11 VR1， V12 VR2，基本 RSnts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 16 页 触发器又被置 1，输出 V0变为高电平，电路又回到 暂稳态 。如此反复，产生矩形波。 波形如图 2-3如示。 图 2-3 多谐振荡器工作波形图 振荡周期 T是多谐振荡器电路的一个重要指标 ， 由图可知振荡周期 T=1Wt+2Wt式中 ， 1Wt是电容 C充电过程经历的时间 。 由图 1-1和图 1-2可以看到 ， 充电过程的时间常数 T=(R1+R2)C， 起始值 Vc(0+)= 1/3VCC， 稳态值 VC( )=VCC， 转折值VC(1Wt)= 2/3VCC， 所以有 111( ) ( 0 ) 3t l n ( 1 2 ) l n ( 1 2 ) l n 2 0 . 7 ( 1 2 ) ( 2 1 )2( ) ( )3 C C C CCCWC C W C C C CVVVVR R C R R C R R CV V tVV2Wt是电容放电过程经历的时间 。 放电过程的时间常数 =2RC， 初始值Vc(0+)=2/3VCC ， 稳态值 VC( )=0V， 转折值 VC(2Wt)= 1/3 VCC， 所以有 2 2 2220( ) ( 0 ) 3t l n l n 0 . 7 ( 2 2 )1( ) ( ) 03 CCCCWC C WCCVVVR C R CV V tV由式 (1)和式 (2)得到周期 1 2 1 2 2 1 20 . 7 ( ) 0 . 7 0 . 7 ( 2 ) ( 2 3 ) WWT t t R R C R C R R C改变 R1， R2 的值 ， 可以得到各种周期或频率的矩形波 。 占空比 q 是多谐振荡器的别一个主要技术参数 ， 由占空比的定义得到 1 1 2 1 21 2 1 20 . 7 ( ) ( 2 4 )0 . 7 2 2 Wt R R C R Rq T R R C R Rnts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 16 页 3 DC-DC 电压变换器的设计 3.1 设计要求 利用 NE555 芯片设计一个直流升压电路，要求输入直流电压 5V，输出直流电压 24V。 3.2 设计思路 设计电路图如图 3-1所示： 图 3-1 设计电路图 该电路由 NE555芯片构成的多谐振荡器和 Boost电路以及可 调节 输出电压的后级电路组成。 NE555 芯片 与电阻 R1， R2 和电容 C1 构成多谐振荡器， 由 NE555芯片的三管脚 输出一个方波，以此方波控制 Boost 电路中开关晶体管 Q1 的通断状态 （其中 R3 是保护电阻，防止从三管脚输出的电流过大而烧坏 Q1）， 改变方波的占空比可以 控制 Boost电路的电压增益，以达到将直流低电压（ 5V）升至直流高电压（ 24V）的设计要求。 后级 可调 节 输出电压的电路 由电阻 R5、 滑线变阻器 RP、稳压管 VS 和开关晶体管 Q2 组成， 主要起稳 压作用。当输出电压超出设计的要求时， 稳压管 VS两端的电压过大，稳压管被击穿而使晶体管 Q2导通 （电阻 R4是防止 Q2导通时把电源短路）， 这时 NE555芯片的置位端 （ 4 管脚） 置位，输出端 （ 3 管脚） 输出低电平，输出电压下降，从而起到稳压的作用。调节 RP可改变稳压管 VS两端电压， 使输出电压值不会超出预定的范围。 3.3 计算及取值 比较 图三和图六可以 得到：1SDT=1Wt，2 SDT=2Wt，ST= T 。 结合上式再由nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 16 页 公式（ 2-2）和公式（ 2-3）可得： 22 2221 2 1 20 . 7 ( 3 1 )0 . 7 ( 2 ) 2 WWStt R C RD T T R R C R R 由公式（ 1-1） 和公式（ 3-1）可得出电压增益 与 R1和 R2的关系 122221 ( 3 2 ) RRM DR 因为设计要求 Vin=5V， Vo=24V， 则 24 4 . 8 ( 3 3 )5 OinVM V 即： 1224 . 8 ( 3 4 ) RRR R2 取一个定值电阻， 为了方便计算，可 取 R2=1K ，由公式（ 3-4）可计算得到R1=2.8 K 。考虑到实际电阻的阻值和标称值有误差， 在实际中 可以用一个滑线变阻器（调节范围为 010 K ）来代替 R1， 这样便起 到调节占空比的作用。 3.4 用 Multisim2001 的仿真电路 仿真电路如图 3-2 所示： 图 3-2 Multisim2001 仿真电路图 4 PCB 电路板的制作 4.1 原理图的设计 原理图的设计与 PCB 图的生成，主要通过 Protel 99se 软件编辑 。 原理图的设计流程 ：设置原理图设计环境 放置元件 原理图布线 检查调nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 16 页 整原理图 生成网络表格。 设置原理图设计环境：运行 Protel 99se，执行 File|New 命令新建一个设计管理数据库文件 Mydesign。 ddb， 然后单击主菜单的 File|New 命令，选择 Schematic Document 图标，单击 OK 按钮进入原理图编辑窗口。 放置元件：在电路中放置元件之前，必须加载元件库文件。执行主菜单的Design|ADD Remove Library 命令或单击左侧设计管理器的 Add|Remove 按钮，在出现的对话框中的“搜寻”下拉列表框中选择库文件所在路径。在 Selected Files列表框中选择 Miscellaneous Devices 元件库，单击 Add 按钮加载库文件。执行Place|Part 命令，输入元件名字，即可将元件放置到电路图上。 原理图布 线： 元件的连接比较 简单，只需单击源引脚和目的引脚就可以完成元件的连接。 检查调整原理图：双击元件可修改元件的参数。调整元件时， 移动和旋转元件， Multisim 2001 仍可以保持它们的连接。连线可以任意拖动和微调。 生成网络表格：网络表格 (SPICE netlist)是电路原理图设计 (Sch)与印制电路板设计 (PCB)之间的一座桥梁 ， SPICE netlist 可从电路原理图中获得。执行Design|Create Netlist 命令，在 Ooutput Format 下拉框中选择 Sheet Symbol|Port Connections 和 Active project 选项。单击 OK 生成 SPICE netlist。 其原理图见附录 1。 4.2 PCB 图的生成 PCB制作流程：插入原理图网络表格生成 PCB 手动调整元件位置 布线 打印输出。 插入原理图网络表格生成 PCB:执行 File|New 命令，选择 PCB Document 建立一个新的 PCB文件，进入电路板图编辑环境。采用系统默认参数。执行Design|Netlist命令，单击 Browse按钮，选择与原理图对应的 SPICE netlist 文件 ， 单击 Execute 按钮， 加载元件。 手动调整元件位置 ：加载元件后，此时元件堆在一起，尚未布局。由于这次的元件不多，所以不采用自动布局，使用手动布局。 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起 ，注意元件间距离不要太近，而且元件间的连线尽量少交叉。 布线 ：元件位置调整好了以后，布线可以 先采用 局部 自动布线，再手动布线 。为了使得电路板的线路比较好看，可以将自动布线中太多折点的线用手动布直。 打印输出：将完成的 PCB保存，用特定的油纸打印输出。 PCB图见附录 2。 nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 16 页 4.3 电路板制作 选择合适 尺寸的铜板，先将铜板的表面用沙纸打磨干净，将打印输出的 PCB油纸用熨斗熨上去。注意要等冷却后再将油纸撕下，太早撕下会使 PCB 印到铜板上的效果不好，油墨会掉 ，在腐蚀时会把线腐蚀断 。在铜板上印好 PCB油墨后，用三氯化铁溶液腐蚀 铜板 ，溶液的温度可适当加高，容易腐蚀。将腐蚀好的铜板钻好孔， 把油墨用沙纸擦掉， 按照 PCB图放上元件，然后焊接。在电子制作过程中，焊接工作是挺重要的。它不但要求将元件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固、圆滑。焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路 。 5 电路板的调 试 与结果分析 按电路图从输入端输入直流电压 5V， 在输出端接入不同的负载电阻 ， 测得输入电压、输入电流、输出电压和输出电流数据如表 5-1： 表 5-1 测试数据记录 负载 / K 输入电压 /V 输出电压 /V 输入电流 /mA 输出电流 /mA 50 5 23.9 112.5 0.478 100 5 24.0 90.2 0.240 140 5 24.0 80.2 0.171 150 5 24.0 73.5 0.160 分析表 2的数据，可计算出该电路 的效率 ， 如表 5-2： 表 5-2 电路效率计算分析 负载 / K 输入功率 /mW 输出功率 /mW 效率 /% 50 562.5 11.42 2.030% 100 451.0 5.76 1.277% 140 401.0 4.104 1.023% 150 367.5 3.84 1.045% nts桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 16 页 6 设计体会 在本次的电
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