(完整word版)基于Buck变换器的开关电源设计【适合做课程设计】

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。

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。Q1导通时V1点电压为，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。LC滤波器接于V1与Vo之间，它使输出点Vo成为幅值等于的直流电压.

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

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

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=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。

在本次设计中选择IRF530N， 。

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

    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，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

而且

式中接近，所以

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。

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.

利用典型ESR-容值关系,根据公式得：

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,耐压值大于输入电压,同时为了使截止到导通时间尽量短，选择超快恢复二极管,根据本设计的要求，选择正向电流不小于1A的超快恢复二极管.此处选择HER101，最短恢复时间为50ns。

第四章 电路图与产品工艺

4.1 整体电路图

图4—1 电路图

4-2 元器件清单

表4—1 元器件清单

    在方案选择过程中,因为考虑到是非隔离电源,使用集成PWM调制芯片简化电路设计，在分析了UC3842,SG3525等芯片的功能与参数后，选择MC34063作为控制方案，该芯片本身也有较强的驱动能力，可直接外接滤波电路与反馈电路来进行电源设计。在本方案中,通过外接场效应管的方式极大增强了驱动能力，该场效应管最大电流可到达17A以上，设计中仅利用不到1A，如果更换滤波电路中的元器件，输出功率可以得到数倍的提升。如果将采样电阻改为电位器，还可以灵活调节输出电压。

通过本次课程设计，对模拟电子技术，电力电子技术和电子产品工艺等有了更深刻的认识，解决了很多实际性的问题。熟悉了一些电源芯片的结构与应用,并与Buck拓扑相结合，设计出符合要求的电路。在大量浏览课本、课外书籍与互联网资料的过程中逐步积累知识，为今后的设计提供了宝贵的经验。

参考文献

［1] Abraham I。Pressman等. 开关电源设计。北京:电子工业出版社，2007

[2］ 童诗白 等。模拟电子技术基础。北京:高等教育出版社,2009

［3] Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计.北京：人民邮电出版社，2008