【《基于Altium Designer软件的同步整流Buck电路样机的制作案例》4000字】

基于AltiumDesigner软件的同步整流Buck电路样机的制作案例目录TOC\o"1-3"\h\u29034基于AltiumDesigner软件的同步整流Buck电路样机的制作案例 152431.1硬件电路设计 1305991.1.1主电路 149501.1.2采样电路 3133101.1.3控制电路 4279001.1.4驱动电路 6193491.1.5其它电路 8173421.1.6硬件电路 9198021.2电路的测试 1142061.3小结 15在绘制电路板的过程中，其原理图同进行电路仿真实验时的原理图有些差别，并不是同一个电路，因此要对已经设计完成的仿真电路进行调整。例如，在AltiumDesigner中绘制原理图时，需要用零欧姆的电阻将模拟地GND和数字地SGND连接起来[25]，以减少地回路的相互干扰，实现消除两地的电压差，同时阻止了电荷的积累。这主要是因为仿真电路是在理想情况下进行的，而硬件电路要进行实物测试。1.1硬件电路设计硬件电路由主电路、采样电路、控制电路、驱动电路、和电源电路等其它辅助电路构成。1.1.1主电路1.电路简介主电路如图4-1所示，按照同步整流Buck电路的拓扑结构如上图2-2进行搭建并修改。CON1和CON3两端接电源，CON2和CON4两端接负载，L1为滤波电感，C1,C2为滤波电容，开关器件Q1，Q2为MOSFET管，选用DF23MR12W1M1。P1-P10均为测试点，VL+,VL-接采样电路。图4-1主电路原理图2.器件选型开关器件MOSFET选用2个DF23MR12W1M1,该器件为碳化硅MOSFET模块。碳化硅MOSFET模块的外观如下面图中4-2所示，碳化硅MOSFET模块的内部结构如下面图中4-3所示。如图4-3所示，DF203MR12W1M1模块内部有一热敏电阻，连接Tref端子，进行温度控制。同时含有体二极管和寄生二极管。耐压为1200V,可承受的最大电流为50A。阈值电压VGS(th)典型值为1.5V,最大值和最小值分别为5.55V和3.45V。图4-2器件外观图4-3内部结构导通电阻RDSon典型值为45.0m，59.0m，66.0m。开通损耗Eon典型值0.222mJ,0.227mJ,0.22mJ。关断损耗Eoff典型值0.045mJ,0.045mJ,0.04mJ。这种器件可应用于太阳能发电，它的电气特性如下：（1）它具有第5代CoolSiCTM肖特基二极管；（2）它具有高电流密度；（3）本身设计有低电感（4）它具有低开关损耗。它的机械特性如下：（1）集成NTC温度传感器；（2）使用压装接触技术；（3）由于集成安装夹，所以具有坚固的安装。1.1.2采样电路图4-4采样电路原理图电路简介采样电路如上图4-4所示，VL+,VL-与主电路连接，实现电压信号的采集，采集的信号通过电压霍尔传感器LV-25P，经过Uref2进行与32单片机的连接，从而接入控制电路。器件选型电压霍尔传感器选择型号为LV-25P的器件。该器件常用于当一次回路同二次回路之间有电流的分离现象时的电子电流的测量，例如直流电流，交流电流以及脉冲电流等。它利用了是霍尔效应的工作原理，同时采用闭环(补偿)原理。该器件的使用原则为：测量电压时会相应的产生一个电流，该电流与被测电压有一个正比例关系，要求必须使用一个外部电阻R1，与LV-25P电压传感器电路相互串联就可得到图4-10的采样电路，该电阻大小由用户决定。该器件具有如下优势：（1）良好的精度；（2）线性度比较良好；（3）热漂移低（4）响应的时间比较短；（5）带宽高；（6）有较强的抵御外界的干扰的能力；（7）共模干扰比较小。常应用于：1)AC情况下的变速驱动；2）使用直流电机实现驱动，然后完成静态转换器的实现；3）供应电池的应用；4）UPS(UninterruptiblePowerSupplies)；5）伺服电机驱动等。其电气参数如下表4-1和4-2所示：表4-1LV-25P电气参数参数数值IPN原边额定电流的有效值10mAIPM原边电流的测量范围0…±14mAISN副边额定有效值电流25mAKN转换率2500:1000UC电源电压(±5%)±15VIC电流消耗10(@±15)+ISmAUd电压有效值（用于交流绝缘检测）50Hz,1分钟2.5kV表4-2LV-25P电气参数RM测量电阻RMminRMmax单位@±10mAmax100350@±14mAmax1001901.1.3控制电路图4-5单片机STM32F103C8T6原理图电路简介控制电路利用型号为STM32F103C8T6的32单片机进行控制。如图4-5所示为其原理图，如下图4-6所示为其核心板的尺寸。器件特性STM32F103C8T6核心板的内核基于ARMCortex-M3，大小为32位，工作频率最高可达72MHz，存储器包括64K或128K字节的闪存型程序存储器和高达20K字节的SRAM。STM32F103C8T6的功耗非常低，有三种不同工作模式。拥有一个可为RTC和备份寄存器进行临时供电的专用电源VBAT，两个高精度12位AD转换器，仅用短短1μs就可实现AD转换。具备7个不同功能的定时器，其中包括3个16位定时器，每个定时器具有多达4个通道，可作为PWM信号的输入端；1个16位且带死区的高级PWM控制定时器，可满足电机控制所需的各种功能；两个watchtimer电路和一个定时器系统本身自带的24位自递减型计数器。图4-6核心板尺寸图1.1.4驱动电路图4-7驱动电路原理图电路简介驱动电路的原理图如上图4-7所示，E1，E2是驱动芯片，选用1EDC20H12AH驱动芯片，将PWM调制波经过驱动芯片后得到驱动信号，对开关器件进行驱动。器件选型1EDC20H12AH是宽体封装的单通道IGBT栅极驱动IC芯片，其内部结构如下图4-8所示，其引脚配置如表4-3所示。具有如下特征：它是单通道隔离IGBT驱动器，可用于600V/650V/1200V的IGBT、MOSFET和SiCMOSFET，输出的典型峰值电流达到了10A，有独立的源，无芯变压器驱动器通过电隔离，输入电压的工作范围宽，适合在高环境温度下运行，根据UL1577认证，绝缘测试电压为VISO=3000V，持续1s。可应用于电机的驱动等。图4-81EDC20H12AH芯片典型应用原理图表4-31EDC20H12AH引脚配置引脚编号名称功能1VCC1正逻辑电源2IN+非反转驱动器输入（高电平有效）3IN-驱动器反向输入（低电平有效）4GND1逻辑地5GND2电源接地6VCC2电源正输出侧7OUT+驱动源输出8OUT-驱动接收器输出图4-9单极供电应用实例参考上图4-9单极供电应用实例，可绘制采样电路原理图。对于单极电源，驱动器通常需要在VCC2处提供15V大小的正压。驱动信号高低电平输入阈值随VCC1的变化曲线如图4-10所示，其中高电平阈值随VCC1的变化曲线为绿色曲线，低电平阈值随VCC1变化的曲线为红色曲线，例如，当VCC1为5V时，输入驱动电路的信号大于3.5V时就为高电平，小于1.5V时就为低电平。而STM32单片机的输出电压最大为3.3V[31]，在VCC1为5V时，STM输出的信号都被当做低电平，无法实现PWM控制，因此，本设计将VCC1设置为3.3V，由图中曲线可知，当VCC1为3.3V时，输入驱动电路的信号大于2.31V时为高电平，小于0.99V时为低电平，此时STM输出的信号都被当高电平，可以实现PWM控制。图4-10VCC1按比例输入IN+和IN-的阈值电压1.1.5其它电路稳压电路如下图4-11所示，选用AMS117稳压芯片，可以实现5V到3.3V的转换；外部电源电路如下图4-12所示，选择±15V的电源给电路供电；插座电路如下图4-13所示，插座为牛角座；15V变5V开关电压调节电路如下图4-14所示，选择的开关电压调节器为LM2596；隔离电路如下图4-15所示,选择的隔离芯片为ISE1515A。图4-11稳压电路原理图图4-12外部供电电源原理图图4-13插座电路原理图图4-14开关电压调节电路原理图图4-15隔离电路原理图1.1.6硬件电路如图4-16和4-17所示为功率电路原理图和PCB图，实验中将功率电路及采样电路制作在一个PCB板上，如图4-18和4-19所示为驱动控制电路原理图，将控制、驱动及电源等电路制作在一个PCB板上。图4-16功率电路原理图图4-17功率电路PCB图图4-18驱动电路及控制电路原理图图4-19驱动电路及控制电路PCB图进行电路板的焊接并测试，焊接后的电路板如图4-20所示。图4-20焊接完成的电路板1.2电路的测试在样机制作完成之后，需要对焊接完成的硬件电路性能与正确性做测试实验。搭建完成的完整的测试平台如图4-21所示：主要包括直流电源、信号发生器、示波器、电路板、单片机、PC机、散热器等。图4-21测试平台为验证本设计Buck变换器的实用性，设计了相应的Buck变换器硬件电路，硬件电路分为两大部分，一部分为控制、驱动及电源电路，另一部分为功率及采样电路。驱控电路的实物图如图4-22所示，接线端子连接一个220V交流转±15V直流的开关电源，来给整个Buck变换器的控制器，驱动芯片，传感器等提供电能。要用开环闭环两种控制方式验证电路的正确性。功率及采样电路的实物图如图4-23所示，为测试采样电路是否工作正常，将一个0-30V输出电压可调的直流稳压电源接到电压霍尔传感器LV的电压输入端，不断改变稳压电源输出电压的值，可得到对应的传感器输出端电压信号与电感电流信号波形。图4-22驱控电路的实物图图4-23功率及采样电路的实物图利用信号发生器，将一个脉宽为29.4%，幅值为3.3V，频率为10kHz的方波信号输入到STM32核心板对应的PWM端，来作为驱动芯片的信号输入，牛角座对应的驱动信号输出端信号如图4-23所示，可以看到，驱动电路将输入的3.3V开通控制信号变为15V的开通驱动信号，0V的关断信号依旧是0V，说明驱动电路设计正确。图4-23驱动信号不断改变稳压电源输出电压的值，调节输入电压从0-30V变化，对应的传感器输出端电压信号与电感电流信号波形如图4-24(a)-(d)所示，黄色表示输出电压，绿色表示电感电流，可以观察到两者与输入电压呈现相当好的线性关系。当输入电压为25V，占空比为29.4%，开关频率为10kHz时，输出电压波形如图4-24（a）所示，有效值约为6.71V，说明所设计的硬件电路可实现降压的目的，其中由于探头原因有大量毛刺出现，理论上Buck电路在25V输入，29.4%占空比下应输出7.35直流电，而实际电路中由于功率管本身具有一定的导通阻抗，线路中的连接线、电感等也同样具有阻抗，因此输出电压未能输出7.35V。当输入电压为20V，占空比为29.4%，开关频率为10kHz时，输出电压波形如图4-24（b）所示，有效值约为5.13V，说明所设计的硬件电路可实现降压的目的，其中由于探头原因有大量毛刺出现，理论上Buck电路在20V输入，29.4%占空比下应输出5.88V直流电，而实际电路中由于功率管本身具有一定的导通阻抗，线路中的连接线、电感等也同样具有阻抗，因此输出电压未能输出5.88V。当输入电压为15V，占空比为29.4%，开关频率为10kHz时，输出电压波形如图4-24（c）所示，有效值约为6.71V，说明所设计的硬件电路可实现降压的目的，其中由于探头原因有大量毛刺出现，理论上Buck电路在15V输入，29.4%占空比下应输出1.41直流电，而实际电路中由于功率管本身具有一定的导通阻抗，线路中的连接线、电感等也同样具有阻抗，因此输出电压未能输出1.41V。(a)(b)(c)(d)图4-24当输入电压为10V，占空比为29.4%，开关频率为10kHz时，输出电压波形如图4-24（a）所示，