降压型DCDC开关电源的研究应用与设计.doc
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1、降压型DC/DC开关电源研究与设计摘 要: 随着开关电源技术迅速发展,DC/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。近年来,电池供电便携式设备需求越来越大,对DC/DC开关电源需求也日益增大,同步对其性能规定也是越来越高。本文设计了一款降压型DC/DC开关电源电路。一方面详细分析和阐述了降压型转换器电路拓扑和工作原理,依照系统性能设计了电路整体框图。然后对电路各个模块进行了分析和设计,涉及输入电路,降压电路和显示电路。通过Protues和SwitcherPro仿真工具对整体电路都进行了仿真验证,成果表白该电路工作稳定,各项指标都达到了设计规定。具备7V-40V电源电
2、压输入范畴,输出电压在1V-20V之间持续可调,转换效率达到85以上。该电路可满足小封装规定,可应用在单片机以及USB电源等便携式电子产品中。核心词:开关电源;降压型;DC/DC转换Buck type DC/DC switch power supply research and designAbstract:With the rapid development of the switching power supply technology,the DC/DC switching power has already obtained the widespread application in
3、domains such as communication,computer,and consumptive electronics. In recent years,the demand for portable equipment with battery power supply is growing increasingly,so does the DC/DC switching power,thus,its performance is required to become better and better. A buck DC/DC switching power circuit
4、 was presented in this paper. First,a buck converter topology and its principle were analyse in details,and the overall circuitry frame was introduced. Then each module of the circuitry was analyzed and designed,including the input circuitry,the voltage down circuitry,and the display circuitry.By me
5、ans of simulation tools,e.g. Protues and SwitcherPro,the whole circuitry was simulated and verified. The results show that this circuitry worked stably and every design index met the design requirements. The conversion efficiency reached to 85% with the input voltage range from 7V to 40V and the out
6、put votage range from 1V to 20V. This circuitry met the requirement of small package,and could be applied to portable electronic products,such as MCU and USB power supply.Key words:Switching Power Supply ; Buck ; DC/DC switch目 录1 开关电源现状及前景11.1 国内外开关电源发展状况11.2 国内开关电源发展状况11.3 开关电源发展前景11.4 本论文重要工作目22 开
7、关电源基本理论32.1 稳压电源简介32.2 隔离型开关电源简介32.3 非隔离型开关电源理论基本42.4 开关电源基本构成52.5 开关电源基本工作原理62.6 开关电源优缺陷72.7 开关电源电路拓扑构造82.7.1 Buck变换器82.7.2 Boost变换器102.7.3 Buck-Boost变换器112.7.4 Cuk变换器113 DC/DC降压型开关电源设计133.1 DC/DC降压电路设计133.2 交流电压转换电路153.3 整流电路153.4 滤波电路163.5 AD转换电路173.6 数字显示194电源电路仿真204.1 电源电路输出电压波形仿真204.2 电源转换效率仿真
8、与稳定性仿真21参照文献23致 谢241 开关电源现状及前景1.1 国内外开关电源发展状况电源管理芯片市场品牌构成仍是国外厂商处在领先地位,市场排名前十公司无一例外所有为外资公司,其中美国厂商优势明显。国外开发电源管理芯片厂商诸多,重要有NCP、IR、MAXIM、ST、TI、PI等,她们产品都已经非常成熟可以提供高质量、全系列电源管理芯片。在非隔离DC/DC转换技术中,TI公司预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK,转换效率高达97%,其中TPS40071等是其代表产品。在电源数字化方面走在前面公司有TI和Microchip,TI公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用48V输出大
9、功率电源模块,其中PFM和PWM某些完全为数字式控制。1.2 国内开关电源发展状况近5年来,在下游电子产品整机产量高速增长带动下,中华人民共和国电源管理芯片市场保持了迅速增长,从到,市场复合增长率达到25%。随着电源管理芯片技术门槛减少,越来越多Fabless(芯片设计公司)开始涉及该领域,特别是台湾和中华人民共和国内地厂商,近年来发展迅速,已经在中低端电源管理管理芯片领域获得较大成功。消费、网络通信和计算机始终是电源管理芯片市场最重要应用领域,三大领域依然占据了中华人民共和国电源管理芯片市场近80%市场份额。国产开关电源已占据了相称市场,某些大公司如中兴通讯自主开发电源系列产品已获得广泛认同
10、,在电源市场竞争中颇具优势,并有少量开始出口6。1.3 开关电源发展前景当前开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天,军事以及家电等领域应用非常广泛一种电力电子装置。可以说开关电源技术是当前中小功率直流电能变换装置主流技术。据市场调研公司Databcans报道,模仿IC市场增长约15,销售额从319亿美元增至370亿美元。在模仿领域诸多产品种类中,电源管理芯片市场空间最大,这重要源于电源管理芯片极为广泛应用。电源管理约占整个模仿IC市场312份额,其中从销售收入来看,贡献最大是开关电源7。1.4 本论文重要工作目电源管理芯片产品发展趋势体现为多样化,涉及同步提供各种不同供电电压趋势、产品设
11、计周期缩短趋势、产品面积缩小趋势以及低成本趋势等等。本论文就是按照这种趋势做一种降压型DC/DC电源设计与研究。由系统性能研究开始,设计各模块电路。运用在Protues和SwitcherPro下对各个子电路进行参数修正及仿真验证。基于以上讨论分析,结合降压式DC/DC开关电源实际应用,在本设计中一方面设定了如下设计目的: (1)电源电压输入为24V(范畴为7-40V)。 (2)输出电压在1.0V-20.0V范畴内持续可调。 (3)较小外围器件条件下,电路转换效率为85以上。最后将完毕所有功能单元电路以及整体电路设计与仿真,并生成网表,完毕某些电路版图设计和验证。为完毕以上设计目的,建立设计环境
12、如下:在硬件方面:一台工作在WindowsXP环境下PC机。在软件方面:电路设计工具是Protel DXP设计工具;仿真工具是Protues和TI环境下SwitcherPro;辅助设计软件是Microsoft Visio和Auto CAD。本论文重要简介了电源管理概念、开关电源发展以及应用前景;对开关电源工作原理进行了详细简介,作为后续设计理论基本;对降压式DC/DC开关电源整体电路构造进行设计,对整体电路进行仿真。2 开关电源基本理论2.1 稳压电源简介在开关电源浮现之前,线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后,开关电源是作为线性稳压电源一种代替品浮现,开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电
13、源而产生。线性稳压电源基本原理框图如图1所示。图1 线性稳压电源图2-1中核心元器件是调节管V,工作时检测输出电压得到Uo,将其和Uref进行比较,用其误差对调节管V基极电流进行反馈控制。这样当输入电压Ui发生变化,或负载变化引起电源输出电压Uo变化时,就可以通过变化调节管V管压降Uv来使输出电压Uo稳定。为了使调节管V可以发挥足够调节作用,它必要工作在线性放大状态,且保持一定管压降。线性稳压电源直流输入电路是由工作在工频下整流变压器T和二极管整流加电容滤波构成。整流变压器T作用有两个:一是通过对电压比合理设计使Ui比Uo高一种适当值,保证调节管V工作在放大状态;二是使输出电压和交流输入电压实
14、现电气隔离。2.2 隔离型开关电源简介开关电源就是为了克服线性稳压电源缺陷而浮现,而隔离型是其中一种类型电路,应用于AC/DC开关电源中。其典型构造如图2所示,由于有高频变压器隔离,因而叫做隔离型构造。图中整流电路是把交流电源直接通过二极管整流电路和电容C滤波后到直流电压Ui,再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。由于人耳可听到音频范畴大体为20Hz-20kHz,因而逆变器开关频率大多在20kHz以上,这样避免了令人烦躁噪声污染。逆变器输出经高频变压器T隔离并变换成恰当交流电压,再通过整流和滤波变成所需要直流输出电压Uo。当交流输入电压、负载等变化时,直流输出电压Uo也会变化。这时可以调节逆变
15、器输出方波脉冲电压宽度,使直流输出电压Uo保持稳定。逆变器是隔离型开关电源核心某些,逆变器中电力电子器件都工作在开关状态,开关电源由此得名,损耗很小,使得电源效率可达到90以上。另一方面,电路中起隔离和电压变换作用变压器T是高频变压器,其工作频率多在20kHz以上。图2 AC/DC开关电源2.3 非隔离型开关电源理论基本非隔离型电路通惯用于各种DC/DC转换器,这种电路重要特点是功率管工作在开关状态。它运用电感元件和电容元件能量存储特性,随着功率管不断地导通、关断,具备较大电压波动直流电源能量断续地通过开关管,暂时以磁场能形式存储在电感器中,然后经电容滤波得到持续能量传送到负载,得到经变换后电
16、压脉动较小直流电能,实现DC/DC变换。DC/DC转换器系统由主电路和控制电路构成,构成开关电源主电路元件,涉及输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载,它们共同完毕电能转换和传递,合称为功率级;控制电路则通过控制功率开关管通断实现调节输出电压恒定在设定值,从而控制主电路工作状态,使主电路从输入电源处获得能量和传送到负载能量维持平衡。普通,当输入电池电压及输出端负载在一定范畴内变化时,负载电压可以维持恒定。DC/DC转换器调节过程如图3所示,它将电池电压Vin变成所盼望较稳定直流输出电压Vo。原理如下:图中单箭头开关由调制器控制产生一种方波,这个方波平均电压等于所盼望直流输出电压,
17、低通滤波器用来削弱方波中交流量,使得输出为所需直流电压,输出电压Vo与基准电压相比较,产生控制调制器信号,从而达到调节方波宽度或者频率目,这样整个系统形成一种负反馈回路,使得输出电压稳定在设计值。图3 DC/DC转换器调节过程DC/DC转换器拓扑构造是指能用于转换、控制和调节输出电压功率开关元件和储能元件不同配备。正是由于有各种拓扑构造存在,使得DC/DC转换器具备灵活正负极性和升、降压方式,这一特性使其明显优于线性稳压器和电荷泵5。2.4 开关电源基本构成开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性间断工作,控制开关器件占空比来调节输出电压。开关电源基本构成如图4所示。 图4 开关电源
18、基本构成图图2.4中DC/DC转换器进行功率转换,它是开关电源核心某些,此外尚有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1,R2检测输出电压变化,与基准电压Ur比较,误差电压通过放大及脉宽调制(PWM)电路,再通过驱动电路控制功率器件占空比,从而达到调节输出电压大小目。对于串联线性稳压电源,输出对输入瞬态响应特性重要由调节管频率特性决定。但对于开关电源,输入瞬态变化比较多地体当前输出端。提高开关频率同步,由于反馈放大器频率特性得到改进,开关电源瞬态响应问题也能得到改进。负载变化瞬态响应重要由输出端LC滤波器特性决定,因此可以运用提高开关频率、减少LC滤波器体积办法来改进瞬态响应特
19、性89。2.5 开关电源基本工作原理开关电源基本原理如图5所示。图5 开关电源基本原理图对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由如下公式计算: 2-1式中Um矩形脉冲最大电压值;T矩形脉冲周期;T1矩形脉冲宽度。从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压增高而变窄,就可以达到稳定电压目。开关电源基本电路框图如图6所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成具有一定脉动成分直流电压,该电压进入高频变换器被转换成所需电压值方波,最后再将这个方波
20、电压经整流滤波变为所需要直流电压。图6 开关电源基本电路框图控制电路为一脉冲宽度调制器,它重要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这某些电路当前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调节高频开关元件开关时间比例,以达到稳定输出电压目1011。2.6 开关电源优缺陷开关电源长处:1)功耗小,效率高。在图6所示开关电源电路中,晶体管在勉励信号勉励下,它交替地工作在导通一截止和截止一导通开关状态,转换速度不久。这使得开关晶体管功耗很小,电源效率可以大幅度地提高,其效率可达到80%。2)体积小,质量小。开关电源没有采用笨重工频变压器。由于晶体管上耗散功率大幅度减少后,
21、又省去了较大散热片。由于这两方面因素,使开关电源实现了体积小,质量小。3)滤波效率大为提高,使滤波电容容量和体积大为减少。开关电源工作频率当前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源1000倍,这使整流后滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500倍。开关电源缺陷:开关电源缺陷是存在较为严重开关干扰。在开关电源中,功率调节开关晶体管工作在开关状态,在其开关过程中产生交流电压和电流通过电路中其她元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采用一定办法进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机正常工作。2.7 开关电源电路拓扑构造DC-DC开关功率变换器按照主回路
22、拓扑可以分为四种:Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器和Cuk变换器。2.7.1 Buck变换器Buck型开关电源将输入电压Vin变换成0VoVin稳定输出电压Vo,因此又称降压开关电源。图7(a)是Buck开关电源主电路图:Vin为输入电源,普通为电池或电池组。Mp是主开关管,因其源端接电源Vin,适当选用低电平导通PMOS管。二极管D是辅助开关管,也称为整流管,普通使用品有较低正向导通电压肖特基二极管。Vp是Mp栅极控制信号,由控制电路提供,Ro表达负载电阻。(a)拓扑电路 (b)工作阶段一 (c)工作阶段二图2.7 BUCK电路在一种开关周期中,电路工作在两阶段下
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- 降压 DCDC 开关电源 研究 应用 设计
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