buck变换电路设计

南京工程学院南京工程学院 自动化学院自动化学院 电力电子技术课程设计报告电力电子技术课程设计报告 题 目 Buck 变换电路的设计 专 业 自动化 班 级 自动化 124 学 号 姓 名 陈 猛 指导教师 赵 涛 起迄日期 2014 12 22 2014 12 26 设计地点 工程中心 4 207 目 录 1 引言 2 设计任务及要求 2 1 设计任务 2 2 设计内容 3 设计方案选择及论证 3 1 控制芯片的选择 3 2 驱动芯片的选择 4 总体电路设计 5 功能电路设计 5 1 主电路的设计 5 2 驱动电路的设计 5 3 控制电路的设计 5 4 辅助电源的设计 6 电路仿真与调试 7 设计总结 8 参考文献 BUCKBUCK 变换电路设计变换电路设计 1 1 引言引言 本次本次电力电子装置设计与制作 利用电力电子装置设计与制作 利用 BuckBuck 降压斩波电路 使用降压斩波电路 使用 TL494TL494 作为控制芯片输出脉冲信号从而控制作为控制芯片输出脉冲信号从而控制 MOSMOS 管的开通与关断 管的开通与关断 为了将为了将 MOSMOS 管管 G G 极和极和 S S 极隔离 本设计采用了集成的驱动芯片 另极隔离 本设计采用了集成的驱动芯片 另 外本设计还加入了反馈环节 利用芯片自身的基准电压与反馈信号外本设计还加入了反馈环节 利用芯片自身的基准电压与反馈信号 进行比较来调节输出脉冲的占空比 进而调整主电路的输出电压维进行比较来调节输出脉冲的占空比 进而调整主电路的输出电压维 持在一个稳定的电压状态 根据降压斩波电路设计任务要求设计主持在一个稳定的电压状态 根据降压斩波电路设计任务要求设计主 电路 控制电路 驱动及保护电路 电路 控制电路 驱动及保护电路 2 2 设计任务及要求设计任务及要求 2 12 1 设计任务 设计任务 设计一降压斩波电路 采用 BUCK 电路 输入直流电源 DC18 30V 输出电 压为输入电压 50 100 可调 输出额定电流 2A 电流峰峰值不大于 0 5A 输 出电压纹波不大与 5 2 22 2 设计内容 设计内容 1 主电路的设计 器件的选型 电感和输出电容的选择 2 驱动电路 检测电路和保护电路设计 3 辅助电源设计 要求提供 DC15V 驱动电源和 5V 控制电源 4 控制电路的设计 不同频率 不同脉宽 PWM 波的实现 5 制作驱动和主电路 6 利用提供的控制信号 完成 BUCK 电路的驱动和主电路和调试 3 3 设计方案选择及论证设计方案选择及论证 3 1 控制芯片的选择控制芯片的选择 方案一 采用 SG3525 芯片 它是一款专用的 PWM 控制集成电路芯片 它采用恒 频调宽控制方案 内部包括精密基准源 锯齿波振荡器 误差放大器 比较器 分频器和保护电路等 方案二 采用 TL494 芯片 它是一种固定频率脉宽调制电路 主要为开关 电源电路而设计 在开关电路中比较常见 综合对芯片的熟悉程度以及考虑到本次设计是比较小的手工制作电路 所 以选择 TL494 最为合宜 3 23 2 驱动方式的选择驱动方式的选择 由于老师提供的电力电子器件为 IRF540 为 MOS 管 主电路中只有一个 MOS 管需要控制开关 方案一 采用光耦隔离加放大电路驱动 这是一种常用方法 优点是电路 比较成熟 但光耦次级需要隔离电源 由于光耦的速度不是很快 工作频率不 能太高 并可能降低电源的瞬态响应速度 方案二 IR2103 是一个集成的半桥驱动芯片 能够同时控制 2 个受控器件 它的脉冲质量好 工作频率高 体积较小 且电源与控制芯片同为 15V 这样 不用额外设计辅助电源 它对 3 3V 5V 和 15V 的逻辑兼容 我们选择的控制芯 片 TL494 输出的逻辑高电平为 15V 4 4 总体电路设计总体电路设计 根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路 控制电路 驱动电路及辅助 电 源电路 设计出降压斩波电路的结构框图如下图所示 oi UU dt di L SLS TITi 2 1 控制电路 驱动电路 辅 助 电 源 电源 主电路 原理框图原理框图 在结构框图中 控制电路是用来产生 BUCK 电路的控制信号 控制电路产生 的控制信号传到驱动电路 驱动电路把控制信号转换为加在 MOS 管控制端和公 共 端之间 可以使其开通或关断的信号 通过控制 MOS 的开通和关断来控制降压 斩 波电路的主电路工作 5 5 功能电路设计功能电路设计 5 15 1 主电路的设计主电路的设计 电感计算 电感计算 由于产生脉冲的芯片相应 R 1K 欧姆 C 0 01 F 则芯片产生的脉冲频率 为 f 1 1 RC 计算得 f 110KHZ 在电感充放电一个周期内 得 iIL 2 开通时 LtUUi oi 对于 BUCK 电路 开通时 D Uo Ui 5 8 u fc i T 1 f i 0 5A 所以 iDTUUL soi 故计算得出 mHL139 0 电容计算 电容计算 根据公式 解得 F 89 1 c 本设计取 L 0 2mH C 2 F 在主电路中添加了接口 用来输入直流电压 和方便数据测量 图图 1 1 5 25 2 驱动电路的设计驱动电路的设计 IR2103 是一个集成的半桥驱动芯片 能够同时控制 2 个受控器件 它的脉 冲 质量好 工作频率高 体积较小 且电源与控制芯片同为 15V 这样不用额外 设 RC f 1 1 计辅助电源 它对 3 3V 5V 和 15V 的逻辑兼容 可以同时驱动两个 MOS 管 我 们这里只需使用一个驱动口 再接入门极前串联一个 100 的电阻 根据器件 手 册进行接线 图图 2 2 5 35 3 控制电路的设计控制电路的设计 TL494 控制芯片是一个固定频率的脉冲宽度调制电路内置线性锯齿波振荡 器振荡频率可通过外部的电阻 R T 和电容 C T 来进行 其振荡频 率 为 R 1K 欧姆 C 0 01 F 计算得 KHZf110 芯片 14 脚输出基准电压通过电阻分压进入 15 号脚作来与 16 号反馈信号进 行比较的基值 从主电路输出端引出的反馈信号即 16 号脚 与 15 号脚的基值 进 行比较 从面调节 8 号脚和 11 号脚输出的脉冲信号的占空比 从而达到调节 MOS 管的开通与关断的频率与时间 最终实现输出端输出理想的稳定的电压值 图图 3 3 5 45 4 设计稳压直流电源设计稳压直流电源 15V15V 和直流电压和直流电压 100V100V 由于只提供直流电压 DC 18 30V 而控制芯片 TL494 和驱动芯片 IR2103 需 要 15V 的工作电压 用三端集成稳压器稳压成 15V 的电压输出 其中变压器匝数 比 为 220V 24V 电容 C1 100uF 并且耐压 50V 三端集成稳压器型号为 7815 图图 4 4 6 6 电路仿真与调试电路仿真与调试 电路仿真选择 MATLAB 软件 该软件功能强大 具有专门的电力电子仿真模 块 SimPowerSystem 根据之前计算结果 L 2e 4H C 2e 6F 工作频率 f 110kHz 所以 T 9 1e 6S 占空比选择 D 50 输出波形 从上到下依次为 PWM 波形 受控器件波形 电感电流 负载电压 其中电感电流和负载电压如下 经过放大 由上图可知符合设计任务 输出额定电流 2A 电流峰峰值不大于 0 5A 输出电压纹波不大与 5 7 7 实验总结实验总结 回顾此次电力电子装置课程设计的一个星期 我感慨很多 从理论到时践 我们遇到了很多困难 但是同时也学到了好多东西 它不仅巩固了以前所学的 理论知识 更是学到了很多课外的东西 锻炼了我们解决实际问题的能力 在此次课程设计过程中 我们遇到的问题还是很多的 刚开始拿到这个题 目时 不知道如何下手 课本上涉及这部分的原理知识比较少 光靠自己所学 的知识根本解决不了 于是我们小组去图书馆以及网站找了很多资料 学习了 很多课本上没有的东西 感觉特别充实 然后在做设计的过程中我们学到了很 多东西 也觉得知识掌握得不够牢固 以后还要努力 通过这次课设 也锻炼 了我们将理论知识运用到实际中的能力 受益良多 虽然现在的设计题目比较简单 但通过课程设计的学习工作 使我和组员 接触了很多新的知识 也让我们对这门课有了更深的了解 培养了我们求真务 实的态度 8 8 参考文献参考文献 1 王兆安 刘进军 电力电子技术 第五版 M 北京 机