DC-DC电源转换器_论文.pdf
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IIDC-DC电源转换器设计摘要:
随着电子技术的飞速发展,集成电路工作电压越来越低,工作速度越来越高,需求功率越来越大,要求其电源装置小体积高效率,低电压大电流输出。
这一趋势对供电装置的设计提出了严峻的挑战。
本文对大功率高效率DC-DC转换技术进行研究,设计了一种DC-DC转换器系统。
该系统基于开关电源中的降压型BUCK拓扑变换器结构,以UC3845作为系统的核心控制芯片,以MOSFET器件SPN75NF75作为主功率开关,采用恒频电流模式控制,完成了“DCDC”变换器的应用设计。
设计的DC-DC转换器,能将30-60V的直流电源转换为输出为12V的稳定直流电源,额定输出电流10A,转换效率达到95%,完成了硬件制作。
文中详细介绍了该系统的设计思路和系统调试的方法,给出了系统的电路原理图和PCB图。
关键字:
DC-DC转换;PWM调制;反馈控制;MOSFET75NF75IIIIDesignofDC-DCconversionsystemAbstract:
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,integratedcircuitsworkingvoltageismoreandmorelow,workingspeedismoreandmorehighandthedemandpowerismoreandmorebig.Itspowerdeviceisrequiredtohaveasmallvolume,highefficiency,lowvoltageandhighcurrentoutput.Inthispaper,theDC-DCconversiontechnologyofthehigh-powerandhigh-efficiencyandaDC-DCconversionsystemisintroduced.ThissystemisbasedontheBUCKtopologyconversionstructureintheswitchpowersupply.IttakesUC3845asthecorecontrolchipofthesystem,IttakestheMOSFETapparatusSPN75NF75asitsmainpowerswitch.andusesconstant-frequencycurrentmodecontroltocompletetheapplicationdesignofDC-DCconverter.TheDC-DCconvertercanconvert30-60VDCpowersupplyintostable12VDCpowersupply.Itsratedoutputcurrentis10Aandtheconversionefficiencyis95%.Inthepaper,thedesignanddebuggingmethodsofthesystemareintroducedindetail,andthecircuittheorychartandPCBchartofthesystemisgiven,andthehardwareproductioniscompletedtoo.Keyword:
DC-DCconversion;PWMmodulation;Feedbackcontrol;MOSFTS75nf75IIIIII目录第1章绪论.11.1课题背景、目的及意义.11.1.1课题的背景.11.1.2课题的目的及意义.11.2论文的主要工作和安排.2第2章DC-DC转换技术的选取.32.1DC-DC转换技术基本慨述.32.1.1DC-DC转换技术的介绍.32.1.2DC-DC转换技术的特点.32.2DC-DC转换技术常用的几种基本电路技术介绍.42.2.1典型的DC-DCPWM变换器的组成和基本原理.42.2.2降压型BUCK技术.62.2.3升压型BOOST技术.62.2.4升降压型BUCK-BOOST技术.72.2.5CUK技术.72.3几种常用DC-DC转换技术的比较.82.4本章小结.9第3章DC-DC电源转换器方案设计.103.1DC-DC电源转换器设计.103.1.1系统结构原理图.103.1.2系统工作过程.103.2系统主要器件的选取及介绍.103.2.1电流控制芯片的选取及介绍.103.2.2MOS开关管的选取及介绍.13第4章DC-DC转换器系统硬件设计.174.1整个DC-DC转换系统的工作过程和实现原理.174.2电源电流取样模块的设计.184.3电源电压反馈模块的设计.214.4电流控制芯片外围模块的设计.224.4.1MOSFET脉冲驱动电路模块的设计.224.4.2RC振荡模块的设计.24IVIV4.5提高开关电源效率的设计.244.6本章小结.25第5章硬件制作和调试.265.1计算机辅助设计.265.1.1设计软件介绍.265.1.2硬件电路原理图设计.265.1.3PCB制作.265.2电路板焊接.275.3系统调试.275.3.1电源的调试.275.3.2控制芯片UC3845的测试.275.3.3整个系统的检测.285.4本章小结.30总结.31致谢.33参考文献.34附录1硬件实物图.35附录2硬件PCB图.36附录3系统电路原理图.35附录4元件清单.371第1章绪论1.1课题背景、目的及意义1.1.1课题的背景随着电子技术的飞速发展,集成电路工作电压越来越低,工作速度越来越高,输出电流能力越来越大,要求其供电电路小体积、低电压、高效率、大电流输出,这一趋势对供电电路的设计提出了严峻的挑战。
随着电子设备的微型化,紧凑型电子设备的供电是一个非常重要的问题。
目前DC-DC电源转换器普遍地应用于电池供电的设备和要求省电的紧凑型电子设备中。
应用DC-DC电源转换器的目的一方面是要进行电压转换,给一些器件提供合适的工作电压,并在电压转换的同时保证有较高的系统效率和较小的体积。
在正常情况下优秀的DC-DC电源转换器有高达95%以上的转换效率。
较高的系统效率不仅可以延长电池使用周期,也可以进一步减小设备体积。
经分析不难发现,DC-DC电源电源的系统效率一方面受限于电源系统本身的耗能元件,如电源内阻、滤波器阻抗、连接导线及接触电阻等;另一方面与DC-DC电源转换器的工作状态和电源参数也有很大关系,合理地配置这些设计参数可以改善系统效率。
电源内阻的耗能会使电源本身的效率降低,同时也影响到DC-DC电源转换器的输入电压,因而也影响DC-DC电源转换器的转换效率。
在极端情况下,DC-DC电源转换器会进入非正常状态,严重时系统将完全停止工作,即使能正常工作也会严重损失系统效率。
所以在设计中合理选择电源电压、减小电源内阻、正确选择DC-DC电源转换器的工作点可以有效地改善DC-DC电源电源的系统效率。
DC-DC电源电源系统的优化设计关键在于正确分析电子设备各部分之间(尤其是电源和DC-DC电源转换器之间)的相互作用,找出影响电源系统效率的主要因素。
1.1.2课题的目的及意义本课题的设计要求是:
将电动车车用电池作为输入电压,通过设计的DC-DC转换器,使其能输出适当的电压,电流,为电动车其他部件(车灯,面板等)提供稳定的低压电源。
主要指标要求如下:
输入电压DC30V-60V;输出电压DC11.5V-12.0V;转换效率92%;最大输出电流:
10A。
作为一个通信电子专业的学生,选择电子电路设计这样一个毕业设计题目,可以让自己对大学所学的知识进行综合应用,深入研究并掌握电子电路的技术2规范,学习相关EDA,PROTER等电子电路设计软件的使用,熟悉电子产品的设计流程,提高动手能力。
对于自己以后的工作和学习大有裨益。
1.2论文的主要工作和安排目前DC-DC电源转换器普遍地应用于电池供电的设备和要求省电的紧凑型电子设备中。
应用DC-DC电源转换器的目的一方面是要进行电压转换,给一些器件提供合适的工作电压,但更重要的是在电压转换的同时保证有较高的系统效率和较小的体积,本文在分析一些现有的DC-DC电源转换器技术的基础上,介绍一种基于BUCK基本拓扑的DC-DC电源转换器系统,文章主要针对系统的硬件而言,详细介绍了该系统的硬件设计工作,给出了系统的电路原理图和印刷电路板的设计,并对系统调试予以分析。
论文安排:
第一章绪论第二章介绍一些基本的DC-DC转换技术,并依据设计要求选择适当的技术第三章设计分析DC-DC转换器系统,根据系统需求对关键芯片进行选择,并详细介绍这些芯片的功能第四章介绍DC-DC转换器系统的硬件设计,具体讲解系统各模块的设计及其功能第五章完成系统硬件制作和调试3第第2章章DC-DC转换技术的选取2.1DC-DC转换技术基本慨述DC-DC转换就是转变输入一直流电压后有效输出固定的另一直流电压的电压转换器。
DC-DC转换器分为三类:
升压型DC-DC转换器、降压型DC-DC转换器以及升降压型DC-DC转换器。
2.1.1DC-DC转换技术的介绍电力电子变换技术是一种能量(功率)处理技术,由电力电子开关器件和储能元件(电感,电容)组成电力电子变换器的功率级(PowerStage)主电路。
电力电子变换技术可分为四种:
(1)AC-DC变换,将交流电压变换为某一数值的直流电压,称为正变换,通常简称为变换(Conversion)。
常用的整流(Rectification)技术是最基本,最简单的AC-DC变换。
(2)DC-DC变换,将某一数值的直流电压变换为另一数值的直流电压。
(3)DC-AC变换,将直流电压变换为某种波形,某一频率和某一电压的交流点,称为逆变换,通常简称为逆变(Inversion)。
(4)AC-AC变换,将一种波形,频率,电压的交流电变换为另一种波形,频率,电压的交流电,实现交-交变压,变频(Cyclo-conversion)。
AC-AC变换也可以由整流和逆变电路组成AC-DC-AC变换。
2.1.2DC-DC转换技术的特点DC-DC变换器有下述特点:
(1)DC-DC变换器将某一数值的直流电压变换为所需要的直流电压,可以是升压变换,也可以是降压变换。
(2)DC-DC变换器由电力半导体器件和储能元件组成,控制直流输入电源和负载两个直流侧之间的能量流动。
(3)DC-DC变换器有两类:
一类由两级电路组成DC-AC-DC变换,第一级为逆变,实现DC-AC变换,第二级为整流,实现AC-DC变换。
另一类变换器由晶体管和二极管开关组合成PWM开关,将输入直流电压斩波后,再经滤波后输出。
(4)DC-DC变换器分为隔离式(Isolated)和非隔离式(Non-isolated)两4种;有CCM和DCM两种工作模式。
电力电子变换器是利用高频脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)。
或脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM)的电力电子开关技术,常称为开关变换器。
下面介绍的是常用的DC-DCPWM变换技术。
DC-DC转换技术,其根本过程就是一个DC-AC-DC的转换过程:
由直流先逆变成交流(高频,低频等),通过附加电路控制输出功率,之后交流再整流成直流,通过电容,电抗等,控制输出电流和电压。
其主要作用是稳压,稳流,控制功率,保护直流线路(用电器)。
DC-DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
DC-DC转换器分为三类:
升压型DC-DC转换器、降压型DC-DC转换器以及升降压型DC-DC转换器。
根据需求可采用三类控制。
PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。
PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。
根据电感电流是否连续,DC-DC变换器有两种工作模式:
(1)连续导电模式(CCM,ContinuousConductionMode),DC-DC变换器在重载下通常工作于这种模式。
(2)不连续导电模式(DCM,DiscontinuousConductionMode),DC-DC变换器在轻载下工作于这种模式。
2.2DC-DC转换技术常用的几种基本电路技术介绍2.2.1典型的DC-DCPWM变换器的组成和基本原理如图2-1给出一个典型的DC-DCPWM变换器主电路,图中没有画出高频PWM脉冲控制和晶体开关的驱动电路,吸收和保护电路,软启动电路,EMI滤波电路等,虽然它们对开关变换器的正常运行是不可缺少的,在说明或研究主电路拓扑时可以暂时不考虑。
图2-1是一个隔离式全桥DC-DC变换器。
4个开关晶体管VF1,VF2,VF3,VF4组成全桥(Full-bridge)开关逆变电路,高频PWM脉冲轮流控制开关管的导通和关断,一个开关周期内,第一个半周期VF1,VF4导通,VF2,VF3关断;第二个半周期VF2,VF3导通,VF1,VF4关断。
将直流输入电压Vi变换为高频交流方波电压,实现DC-AC变换,交流方波电压的频率由PWM频率决定。
交流方波电压经高频变压器升降压,再经全波整流和LC低通滤波电路,5得到直流输出电压Vo,实现AC-DC变换。
因此,隔离式DC-DC全桥变换器是逆变和整流两级电路组成的DC-AC-DC变换,输入电压Vi可以是电池,上一级AC-DC或DC-DC变换器输出,或其他直流电源。
如果直流输入电压Vi是从交流电经整流后得到,则输入整流器和后级DC-DC变换器,组成AC-DC-DC变换,形成AC-DC变换器。
图图2-1典型的典型的DC-DCPWM变换器主电路变换器主电路图2-1中全桥DC-DC变换器用了4个开关晶体管,适用于较大功率的场合(例如10KW)。
也可以之用两个开关晶体管组成推挽(Push-pull)或半桥式(Half-bridge)逆变器,再经整流滤波输出。
DC-DCPWM变换器的输出端虽然有滤波元件,但是输出电压Vo并不是纯粹的直流,而含有高频纹波分量,纹波频率与PWM开关频率f有关62.2.2降压型BUCK技术图图2-2降压型(降压型(BUCK)变换器的主电路拓扑)变换器的主电路拓扑BUCKPWM变换器在CCM下的工作原理(如图2-2):
一个开关周期内,开关晶体管的开,关过程将直流输入电压斩波,形成脉宽为onT的方波脉冲(onT为开关管导通时间)。
当开关晶体管导通时,二极管关断,输入端直流电流电源Vi将功率传送到负载,并使用电感储能(电感电流上升):
当开关晶体管关断时,二极管导通,续流,电感储能向负载释放(电感电流下降)。
一个开关周期内,电感电流的平均值等于负载电流OI(忽略滤波电容C的ESR)。
根据原理和电路拓扑可以推导出工作在CCM下的DC-DCPWM变换器的输出-输入电压变换比:
DViVo(2-1)占空比D总是小于1的,所以BUCK变换器是一种降压变换器。
2.2.3升压型BOOST技术图图2-3升压型(升压型(BOOST)变换器主电路拓扑)变换器主电路拓扑如图2-3,主电路由串联在回路中的储能电感L,开关管及整流二极管,滤波电容组成,它是一种可以获得输出电压高于输入电压的DC-DC变换器。
输入与输出负端是公共端。
生涯变换器与降压变换器不同之处在于:
只有在开关管截止期间,才有向输出整流滤波电容的充电电流。
开关管导通期间由储能滤波7电容向负载提供电流。
电容器上的端电压会有所下降。
BOOST变换器除了输出升压外,还常用于功率因数校正。
2.2.4升降压型升降压型BUCK-BOOST技术图图2-4升降压反极性升降压反极性(BUCK-BOOST)变换器电路拓扑变换器电路拓扑如图2-4所示,极性反转型(BUCK-BOOST)变换器主电路如用元器件与BUCK,BOOST变换器相同,由开关管,储能电感,整流二极管及滤波电容等元器件组成。
这种电路具有BUCK变换器降压和BOOST变换器升压的双重作用。
升压还是降压取决与PWM驱动脉冲的占空比D。
虽然输入与输出共用一个连接端,但输出电压的极性与输入电压是相反的,故称为降压反极性变换器。
2.2.5CUK技术图图2-5CUK变换器电路拓扑变换器电路拓扑CUK变换器又叫BOOST-BUCK串联变换器,它是针对BUCK-BOOST升降压变换器存在输入电流和输出电流脉动值大的缺点而提出的一种非隔离式单管DC-DC升降压反极性变换器,CUK变换器和BUCK-BOOST变换器一样,具有升降压功能和输出电压与输入电压反极性功能。
就其工作方式而言,CUK变换器也有电流连续,断续和临界连续三种工作方式,但其含义与前三种不一8样。
在CUK变换器中是指流经二极管中的电流是否连续。
在一个开关周期中开关关截止期间内,如流过二极管的电流大于0,则称为电流连续;如在截止期间内二极管的电流已经为0,则称为电流断续;如在刚好周期时,二极管的电流刚好为0,则称为电流临界连续。
2.3几种常用DC-DC转换技术的比较表表2-1四种变换器电流连续下稳态参数一览表四种变换器电流连续下稳态参数一览表电路参数BUCKBOOSTBUCK-BOOSTCUKV连续DinVinVD11VinDD1VinDD1断续12222LIDVTDVoinSininoSinVLITDV12221222LITDVoSinsinoSinTDVLITDV2122)1(2AVGIiDIooID11oIDD1oIDD1AVGIVTDIooIDD1oIDD1oIDD1AVGIVDoID)1(DIoDIoDIo1(max)VTIinVoVinV+oVinV+oV(max)VDIinVoVinV+oVinV+oV表2-1列出了四种脉宽调制(PWM)DC-DC基本变换器的相关参数,即输出电压,输入平均电流,流过开关的平均电流,流过二极管的平均电流,开关管截止时承受的最大电压,二极管截止时承受的最大电压,流过储能电感的平均电流,临界连续时的输出电流及输出电压纹波。
这些参数值除输出电压在断续9时的表述式外,都是在电流连续条件下的稳态参数。
这些主要参数可以帮助理解四种基本变换器的特性,也是设计基本变换器的依据。
从表中我们可以看到这四种DC-DC转换技术的相关参数,这给我们对DC-DC的设计有很好的帮助,在前面结合对四种DC-DC转换技术的介绍,根据我们的设计要求,是要求把30-60V的直流电压转换到12V的直流电压,那么分析后可得降压型BUCK转换技术最适合这次设计。
也就是说,我们这次的设计就是以降压型BUCK转换技术为基本拓扑,在这个基础上进行变换和设计。
2.4本章小结本章主要介绍了现有的几种常用的DC-DC转换技术,并对它们进行比较,列举了它们的优缺点以及适用的场合,介绍了它们各自的特点,在此基础上,选择了本设计所采用的DC-DC转换技术-降压型BUCK转换技术。
10第3章DC-DC电源转换器方案设计3.1转换器系统的介绍3.1.1系统结构原理图输出电压输入电压图图33-11系统结构原理图系统结构原理图整个系统由输入端和反馈端两个硬件平台共同构成,在输入端和反馈端之间,电信号经由电流控制模块进行分析处理,从而电信号的改变和稳定。
在输入端和反馈端都有一系列的外围协助电路,以便保障整个DC-DC转换系统的稳定准确有效的运行。
3.1.2系统工作过程整个系统的工作过程是:
输入一个3060V的直流电压,经过滤波和稳压后供给电流控制芯片,经作用后会通过一个MOS管输出一个电压,经滤波处理后又反馈给电流控制芯片,同时从输出端反馈回一个电流,通过电流控制芯片对反馈信号的作用,判断输出电压是否满足设计要求,通过电流控制芯片自身的作用及时的调节信号使得输出稳定有效。
最终实现设计要求得到一个改变的,稳定的电信号。
3.2系统主要器件的选取及介绍3.2.1电流控制芯片的选取及介绍电流控制芯片是整个系统的核心控制设备,电流型控制芯片除保留了电压型芯片的输出电压反馈部分外,又增加了一个反馈环节:
把电流信号VS与误差放大器的输出VE进行比较,然后去控制锁存器。
作为系统的控制核心,主控芯片的性能关系到系统的整体性能。
因此,对于主控芯片的选择十分重要。
MOS开关电源控制模块电流反馈模块电压反馈模块11本次设计要求:
UC3845作为控制模块的核心芯片,UC3845是高性能固定频率电流模式控制器,专为离线和直流至直流变换器应用而设计。
该芯片的特点是,具有振荡器,温度补偿的参考,高增益误差放大器,电流取样比较器和大电流图腾柱输出,是驱动功率MOSFET的理想器件。
它的保护特性还包括带滞后的输入和带滞后的参考欠压锁定,逐周电流限制,单个脉冲测量锁存,以及每一个振荡周期将输出消隐的触发器。
UC3845专为低压应用设计的,欠压锁定门限为8.5伏(通)和7.6伏(断):
(1)电流模式工作达500千赫输出开关频率
(2)输出静区时间从50%至70%(3)自动前馈补偿(4)锁存脉宽调制,用于逐周期限流(5)内部微调的参考源,带欠压锁定(6)大电流图腾柱输出(7)输入欠压锁定,带滞后图图3-2核心芯片核心芯片模块图模块图(8)低启动和工作电流表表3-1管脚功能说明管脚功能说明8-管脚功能说明1补偿该管脚为误差放大器输出,并可用于环路补偿。
2电压反馈该管脚是误差放大器的反相输入,通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。
3电流取样一个正比于电感器电流的电压接到这个输入,脉宽调制使用此信息中止输出开关的导通。
5地该管脚是控制电路和电源的公共地6输出该输出直接驱动功率MOSFET的栅极,高达1.0A的峰值电流由此管脚拉和灌,输出开关频率为振荡器频率的一半。
7Vcc该管脚是控制集成电路的正电源。
8Vef该管脚为参考输出,经电阻RT向电容CT提供充电电流。
如模块图3-2,UC3845有8个管脚,表3-1介绍了8个引脚的功能。
UC3845作12为电流模式控制器工作,输出开关的导通由振荡器起始,当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿(管脚1)建立的门限电平时中止。
这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流所用的电流取样比较器脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内,仅有一个单脉冲出现在输出端。
电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考取样电阻Rs转换成电压。
此电流取样输入(管脚3)监视与来自误差放大器的输出电平相比较。
在正常的工作条件下,峰值电感电流由管脚1上的电压控制。
图图3-3U
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