基于Buck变换器的开关电源设计适合做课程设计 - 图文

基于Buck变换器的开关电源设计

摘要 一个高可靠性的电源系统需要大功率宽电压输入范围的DC/DC变换，在充分考虑不同DC/DC变换器拓扑特点的基础上，选用Buck作为系统的电路拓扑。本文介绍了Buck电路的工作原理，对整个闭环结构进行设计与研究，并附以相关电路图表示。并选择符合规范的元器件，计算产品的成本。 关键词 Buck拓扑；DC/DC；开关电源；MC34063

第一章 概述

开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件（MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换效率高，体积小，重量轻，控制精度高等优点。

1.1基本要求

输入直流9V-12V，输出5V，5W； 开关振荡频率40KHz。

1.2方案设计

采用MOSFET作为功率转换元件，MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。控制方案采用集成电路MC34063单路PWM控制芯片，极大简化电路设计。

第二章 开关电源输入与控制部分设计

2.1 开关电源工作原理

开关电源是指调整管工作在开关方式，只有导通和截止两个状态，图2-1为工作过程。 基准电压为固定值，由于输入波动或负载变化导致输出电压减小，采样电压将减小，

经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大。同理，当由于输入波动或负载变化导致输入电压增大时，脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。

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图2-1 开关电源原理框图

2.2 Buck调整器的基本工作方式

Buck调整器的基本电路如图2-2所示，晶体管Q1与直流输入电压Vdc串联，通过Q1

的开通与关断，在V1处产生方波电压，采用恒频占空比可调的方式（PWM），在V1出产生方波电压，Q1导通时间为Ton。Q1导通时V1点电压为Vdc，电流通过串接的电感L0流入输出端，Q1关断时，电感L0产生反电动势，使V1点电压迅速下降到0并变负，直至被D1钳位于-0.8V。

假设二极管导通压降为0，则V1点电压为矩形波，该方波电压平均值为VdcTon/T。LC

滤波器接于V1与Vo之间，它使输出点Vo成为幅值等于VdcTon/T的直流电压。

采样电阻R1和R2检测输出电压Vo，并将其输入误差放大器，与参考电压Vref比较，

被放大的误差Vea被输入到脉宽调制器中，因此，PWM输出的脉冲宽度与误差放大器的输出电压成比例，VO?R2/(R1?R2)?Vref。

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图2-2 Buck典型拓扑及主要波形

2.3 电源管理芯片MC34063

MC34063包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。工作电压比较宽。

图2-3 MC34063结构图

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2.3.1 引脚功能

1脚：开关管Q1集电极引出端；2脚：开关管Q1发射极引出端；3脚：定时电容

接线端；调节Ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；4脚：电源地；5脚：电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；6脚：电源端；7脚：负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；8脚：驱动管Q2集电极引出端。

2.3.2 外围电路参数设计

定时电容的选取根据公式：C≈0.000004×Ton，要求40KHz工作频率时，C=100pF。功率MOSFET栅极驱动电阻选择10Ω。以尽量减小方波边沿时间。

过流保护采样电阻：假设输入电流超过1A时，启动过流保护功能。采样电阻设在6、7脚之间，R=U/Imax=0.3Ω，电阻最大热功耗W?I2R=0.3W。此处选择0.5W，0.3Ω大功率电阻。

输出采样电阻设计：要求5V输出，且损耗尽可能小，芯片内部集成1.25V基准电压，输出采用电阻分压方案。分压比为3:1。采用精密电阻10K与30K串联，静态电流0.125mA。

2.3.3 MOSFET的选择

根据要求Vgs?4V,Vds?12V,Id?1A。

在本次设计中选择IRF530N, Vgs?4V,Vds?100V,Id?17A。

第三章 开关电源输出电路设计

输出电路采用LC电路。

图3-1 输出滤波电路模型

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当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关管截止时，由

于电感上的电流不能突变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时续流二极管导通，构成闭合回路。电容起到平滑输出的作用。

假设要求纹波电压小于50mV。直流输出电流为规定电流的10%。

3.1 储能电感的选择

电感电流的斜坡为dI?(I2?I1),如图2-2（d）所示，当直流电流等于电感电流斜坡

峰峰值一半时，进入不连续工作模式，则

Io(min)?(I2?I1)/2

而且

dI?VLTon/L?(V1?V0)Ton/L

式中V1接近Vdc，所以

L?(Vdc?VO)Ton(Vdc?VO)Ton ?dI0.2Ion已知输入电压最大为12V，开关频率为40KHz，输出电压为5V，电流为1A。

5(12?5)?5?25?10?6L??365?H

12?1此处选用470uH，2A的功率电感。

3.2 滤波电容的选择

输出电容C并非理想电容，可等效于串联电阻（ESR）、串联电感（ESL）与纯电容C的串联。对于低频电路，ESL可以忽略。输出纹波主要由ESR来决定。

一般常用铝电解电容的RC值近似为一个常数，为50~80?10?6?F。

利用典型ESR-容值关系，根据公式得：

C?50?10?6/0.05?1000?F

选择16V，1000uF的普通铝电解电容。

3.3 续流二极管的选择

根据Buck变换器的工作原理，开关截止时，续流二极管导通，电感储能转化为电能，二极管起到续流作用，二极管正向额定电流需大于负载电流，耐压值大于输入电

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