焦义强 21320210121 开关电源 - 图文

电气与电子信息工程学院

《电力电子装置设计与制作》

设计报告

名 称： 开关直流升压电源(BOOST)设计

专业名称： 电气工程及其自动化

班 级： 2013级（专升本）班

学 号： 201320210121 姓 名： 焦义强 指导教师： 胡国珍

设计时间： 2014年9月15日——9月26日 设计地点： 3号楼 404教室

电力电子装置设计与制作报告成绩评定表

姓 名 专业班级 焦义强 学号 201320210121 电气工程及其自动化（专升本）班 题目：开关直流升压电源(BOOST)设计 答辩记录： 1、问：电感电流在持续工作模式t2~t3时段的状态？ 答：当电路处于开关状态t3时，电感电流减小到零并保持为零，二极管VD截止，且电感两端电压也为零，知道开关S再次开通，下个周期才开始。 2、问：升压电路为什么不应空载？ 答：电感电流断续时，总是有Uo?Ui/(1?D)，且负载电流越小，Uo越高；输出空载时，Uo?1，故升压电路不应空载，否则会产生很高的电压造成器件烧坏。 成绩评定及依据： 1. 考勤情况（10%）： 2. 设计调试情况（50%）： 3. 设计答辩（10%）： 4. 设计报告（完成情况、报告规范性等情况30%）： 最终评定成绩（以分数和优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字：

任务书

设计题目： 开关直流升压电源(BOOST)设计 学生姓名： 焦义强 教学院： 电气与电子信息工程学院 专业班级：2013级（专升本）班 学号： 201320210121 指导教师： 胡国珍

一、课程设计题目：

开关直流升压电源(BOOST)设计；输入交流220V，输入的直流电12V，升压到15V直流电输出设计，利用PWM进行调制。

二、课程设计内容

根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。

设计题目选：

题目一：开关直流降压电源（BUCK）设计 主要技术指标：

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。 2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压5-16V，输出电压纹波小于2%。 4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

题目二：开关直流升压电源(BOOST)设计 主要技术指标：

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。 2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。 4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

三、进度安排

序号 1 2 3 名 称 下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。 掌握锯齿波产生电路、电压反馈电路、控制电路的工作原理 掌握稳压电源电路工作原理 时 间 一 天 一 天 半 天 1

4 5 6 绘出原理框图以及各部分电路的详细连接图 学会借用电子线路CAD正确绘制电路图； 掌握焊接技术以及MOSFET、二极管、三极管等器件的检测方法 7 8 9 10 11 12 掌握电路的安装与调试 根据直流稳压电源电路的工作原理设计电路图 了解电子电路板的制作过程 学习电路原理图及印制电路板图的读图方法 掌握稳压开关电源的检测与调试 书写课程设计报告 一 天 一 天 半 天 半 天 一 天 一 天 一 天 一 天 半 天 四、基本要求

1、独立设计原理图各部分电路的设计； 2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。

3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。

4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。

1封面、课程设计任务书 ○

2摘要，关键词（中英文） ○

3方案选择，方案论证 ○

4系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图） ○

5各模块的功能，原理，器件选择 ○

6实验结果以及分析 ○

7设计小结 ○

8附录---参考文献 ○

教研室主任： 胡学芝

2014年9月 1 日

2

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

摘要

BOOST电路,是一种DC-DC直流斩波电路，又称为升压型电路。它可以是输出电压比输入电压高。可以分为充电过程和放电过程。本次采用matlab仿真分析方法，可直观、详细的描述BOOST电路由启动到达稳态的工作过程,并对其中各种现象进行细致深入的分析,便于我们真正掌握BOOST电路的工作特性。

在非隔离型DC-DC电路即各种直流斩波电路，根据电路的形式不同，可以分为降压型电路、降压型电路、丘克电路、Sepic型电路和Zeta型电路。BOOST电路存在电感电流连续和电感电流断续工作模式。在充电过程中，IGBT导通，IGBT处用导线代替。这时输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。在放电过程中，当IGBT截止时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。

BOOST电路有电路简单 、电源侧电流波动小的优点，同时在开关电源领域内占有非常重要的地位, 长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。对它工作过程的理解掌握关系到对整个开关电源领域各种电路工作过程的理解。

关键词：斩波电路；BOOST电路；导通；充电；放电

I

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

目录

一、系统方案设计 .................................................................................... 1 二、电路的工作原理 ................................................................................ 1 3.1设计要求 ........................................................................................ 2 3.2电感L的计算 ................................................................................ 2 3.3输出滤波电容的选择 .................................................................... 3 3.4二极管VD的选择 ......................................................................... 3 四、电路分析 ............................................................................................ 3 五、matlab仿真分析 ............................................................................... 5 六、各模块功能及元器件选型 ................................................................ 6 6.1 TL494工作原理 ............................................................................. 6 6.2开关频率的计算 ............................................................................ 8 七、系统总设计原理图 ............................................................................ 9 八、设计结果与分析 .............................................................................. 10 8.1比较基准波形图 .......................................................................... 10 8.2 TL494输出波形 ........................................................................... 10 8.3输出纹波波形 .............................................................................. 11 8.4电感输出波形 .............................................................................. 11 九、实验小结 .......................................................................................... 12 参考文献 .................................................................................................. 12

II

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

一、系统方案设计

本系统需要对一直流电源进行直流斩波，通过控制开关管的导通时间，来控制最终输出的电压。整个系统包括BOOST主电路、闭环调节模块、电压反馈模块。系统方框图如图1所示：

Boost升压电路

直流电源 闭环调节 图1 系统方框图

电压反馈 二、电路的工作原理

Boost电路可称为升压斩波电路，假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1,同时C上的电压向负载R供电，因为C也很大，基本保持输出电压为恒值U0.设V通态时间为ton ,此阶段L积蓄能量为 E I1ton 。当V处于断态时E和L共同向C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态时间为toff,则这期间电感L释放能量为（U0-E）I1toff.一周期T中，电感L积蓄的能量和释放的能量相等，即

E I1 ton =（U0-E）I1toff 化简得： U0=T/ toff E 输出电压高于电源电压。电路结构如下图2所示。

图2 BOOST电路的结构 三、参数计算

升压斩波电路的设计主要是确定关键元件:输出滤波电容、电感L、开关晶体管V以及二极管VD。由于电感L中流过直流电流，它必须设计在最大负载电流下不至于饱和。此外，晶体管上所承受的电压必须在其额定电流值以内。IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。

1

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计 3.1设计要求

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。 2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。 4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

3.2电感L的计算

由Boost的伏秒平衡，可得：

Vin*D?(Vo?Vin)*(1?D)………………………………………………………………①

?Vo?Vin 1?D?D?1?Vin Vo又根据能量守恒，可得：

Vin*Imid*T?Vo*Io*T (Imid为CCM Boost电感的电流中心值) ………………②

?Imid?Vo*IoI?o Vin1?D当输出最小负载Iomin，即?I?2Imid，也就是Boost处于临界状态，可得：

Imid?Iomin?I?……………………………………………………………………………③ 1?D2?Vin*D*TIomin?

2L1?D?L?Vin*(1?D)*D*T

2IominVo*(1?D)2*D ?L?2Iomin*fVo*(1?Dmin)2*Dmin………………………………………………………………④ ?L?2Iomin*f

2

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

VS?12V

取错误！未找到引用源。=15V,f≥2000Hz错误！未找到引用源。 D=错误！未找到引用源。=0.8 L= 120uH

所以取电感值大于120uH即可。

3.3输出滤波电容的选择

假如输出滤波电容C必须在V开启的ton期间供给全部负载电流，设在ton期间，C上的电压降≤纹波电压ΔVo，由式得 C=Io*(ton/ΔVo)

求得ton=T*(Vo-Vi)/Vo

故有 C= T*Io*(Vo-Vi)/Vo*ΔVo = Io*(Vo-Vi)/f*Vo*ΔVo ΔVo≤15*2%=0.3v f≥2000Hz C≤1*(15-12)/2000*0.3*15=333mF

3.4二极管VD的选择

在晶体管V导通间,二极管VD截止,这时VD上承受的电压为Vo (忽略V的正向饱和压降Vces)。在晶体管V导通期间，二极管VD导通，VD中流过的电流为输出电流Io与电容C充电电流之和，也就是toff期间电感L中流过的电流，即输入电流Ii= Io（Vo/ Vi）。自然在选择管子的电压、电流额定值时，都应该考虑安全因素，留有一定的余量。

Ii=1A*（15/12）=1.25A ； 耐压要50V以上

在升压斩波电路中，二极管是起整流的作用，因为此电源是一个高频开关电源，因此可选择快速恢复硅整流二极管。

四、电路分析

BOOST 电路的工作模式分为电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。其中电流连续模式的电路工作状态如图4-1 所示,

3

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式

di1L?Ri1?Em （1） dt式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i1的初值为I10，解上式得

i1?I10e?t?Em?Rt???1?e???????

（2）

当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：

di2L?Ri2?Em?E （3） dt设i2的初值为I20，解上式得：

ti2?I20e??E?Em?Rt???1?e????? （4） ??

图4-1电流断续升压斩波电路波形图 4-2电流连续升压斩波电路波形

当电流连续时，从图4-2的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，

t=toff时刻i2=I10，由此可得：

toff??Em?1?e?I10???T?R??1?e???E?1?e???m???????R1?e????E??R （5） ? 4

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

Ton??t??Em?e?e????T?R??1?e?I20??E?e????e??m???????R1?e????E??R? （6）

把上面两式用泰勒级数线性近似，得

I10?I20??m???E （7） R该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即

EEm??EIo??m???? （8）

RR对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为

1?e???m?1?e?? （9）

根据此式可对电路的工作状态作出判断。

五、matlab仿真分析

matlab 是一种功能强大的仿真软件, 它可以进行各种各样的模拟电路和数字电路仿真，并给出波形输出和数据输出, 无论对哪种器件和哪种电路进行仿真, 均可以得到精确的仿真结果。本文应用基于matlab软件对BOO ST 电路仿真, 仿真图如图3 所示, 其中IGBT作为开关, 以脉冲发生器脉冲周期T=0.2ms,脉冲宽度为50%的通断来仿真图5 中开关S的通断过程。

5

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

图5 BOOST 电路的PSpice 模型

六、各模块功能及元器件选型

6.1 TL494工作原理

TL494的说明：TL494是 一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下：TL494主要特征集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻一个电容）。内置误差放大器。内置5V参考电压源。可调死区时间。内置功率晶体管可提供500MA的驱动能力。推或拉两种方式。 TL494引脚图如图6-1所示：

6

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

图6-1 TL494引脚分布图

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

focs?1.1

RT?CT输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。参见图6-2。

7

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

图6-2 TL494控制器时序波形图

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

6.2开关频率的计算

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

系统采用RC振荡器参数值分别为R=10K，C=4700PF，通过上式计算得，f=19.3K。

8

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

图6-3 TL494闭环调节

TL494的闭环调节，如图6-3所示，TL494的IN2通道与feedback引脚构成一个闭环的PID调节。

七、系统总设计原理图

系统总设计原理图如图7所示：

图7 系统总设计原理图

9

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

八、设计结果与分析

8.1比较基准波形图

TL494的5、6号脚与外围电阻电容构成一个RC振荡器，为系统提供了比较基准源，其波形如图7-1所示：

图7-1 比较基准波形图

8.2 TL494输出波形

TL494的9、10号脚的输出波形为驱动MOS开关管波形，如图7-2所示：

图7-2 MOS驱动波形

10

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计 8.3输出纹波波形

由于Boost电路中的开关管的开断以及电感电容的充放电，导致系统输出有较大的纹波，根据设置的电容值大小，最后输出的纹波波形，测试时示波器采用交流挡测试，所测试的波形如图7-3所示：

图7-3 输出纹波波形

8.4电感输出波形

当开关管开通和关断过程中，电感处的输出波形与输入波形有很大的区别，输入波形为系统电源输入波形，为直流波形。其波形如图7-4所示：

图7-4 电感输出波形

11

湖北理工学院电气学院 开关电源课程设计

九、实验小结

短短两周的课程设计已经结束了，通过这次的课程设计锻炼了我们的实践能力，也是对我们以后的实际工作能力的具体训练。此次课程设计，从理论到实践，两个星期里，学到了很多的东西。同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这次的课程设计还让我学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃。

设计过程中，因为是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富。

参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社.2011.

[2] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京.高等教育出版社.2010. [3] 石玉等.电力电子技术题例与电路设计指.北京：机械工业出版社，1998. [4] 邓北川.浅谈模拟PID电路学习与识别.西安航空技术高等专科学校学

报.2007.

[5]裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用.机械工业出版社.2012.

12

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2iip.html