BUCK电路方案设计

项目名称  基于PWM控制 Buck变换器设计

一、目的 

    1．熟悉Buck变换电路工作原理,探究PID闭环调压系统设计方法。

2．熟悉专用PWM控制芯片工作原理，

3．探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。

二、内容 

设计基于PWM控制的Buck变换器，指标参数如下:

⏹输入电压：9V~12V；

⏹输出电压：5V,纹波〈1%；

⏹输出功率：10W

⏹开关频率:40kHz

⏹具有过流、短路保护和过压保护功能,并设计报警电路。

⏹具有软启动功能。

⏹进行Buck变换电路的设计、仿真(选择项)与电路调试.

三、实验仪器设备

    1. 示波器                 2。 稳压电源

    3. 电烙铁                 4。 PC817隔离

5。 计算机                 6. PWM控制芯片SG3525

7。 IRF540_MOSFET          8。 MUR1560快恢复整流二极管

    9。 74HC74N_D触发器       10。 LM358放大器   

    11。 万用表                12。 电容、电感、电阻

四、研究内容

（一）方案设计

  基于PWM控制的Buck变换器主要由五部分构成，功率主电路、PWM发生电路、MOSFET驱动电路、隔离电路和保护电路组成.Buck变换器的基本控制思路框图如图1。1所示，总体电路图如图1.2所示。

图1.1   Buck变换器控制框图

图1。2  总体电路图

1、功率主电路

图1。3   功率主电路

   功率主电路图如图1.3所示，在功率管导通时电管L上电压为（Vd-Vo），当功率管关断时时电管L上电压为(-Vo），由于一个周期之内电感两端电压的积分为0，从而得到：

从而通过控制占空比D就可以控制使Vd从9V到12V变化时输出电压Vo保持在5V[1］.

    输入电压Vd=9至12V，输出电压Vo=5V，电压纹波△Vo/Vo〈1％,输出功率P=10W，开关频率=40kHz

参数设定：

开关管选择TRF540_MOSFET，在其栅源级之间加上一定电压MOSFET导通,当所加压小于导通电压MOSFET关断;二极管选择MUR1560快恢复整流二极管(NFE516U1560）,2。5Ω电阻负载由滑动变阻器提供。

2、 PWM发生电路

图1。4      PWM波发生电路

PWM波发生电路见图1。4。PWM的产生主要靠PWM控制芯片SG3525，SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化［2]。

2.1pwm调制波与载波的比较

   将从负载段输出的电压分压经过隔离反馈到1脚，与从16脚5。1V通过电阻分压到2脚的标准电压进行比较，结果在芯片内部与载波形成pwm控制波。

2.2开关管频率设定

在SG3525中的振荡器有CT（引脚5）和RT（引脚6)两个引脚和一个放电端(引脚7).RT的阻值决定了内部恒流源对CT充电电流的大小,而CT的放电则由引脚5和引脚7之间的外接电阻决定.将充电回路和放电回路分开，有利于通过引脚5和引脚7之间的外接电阻来调节死区时间。这样SG3525的振荡频率

在SG3525中的振荡器除了CT和RT两个引脚外，又增加了一个同步端（引脚3）和一个放电端(引脚7)。RT的阻值决定了内部恒流源对CT充电电流的大小，而CT的放电则由引脚5和引脚7之间的外接电阻决定。将充电回路和放电回路分开，有利于通过引脚5和引脚7之间的外接电阻来调节死区时间。

这样SG3525的振荡频率由下式进行计算:

 FOSC=1/[(0。7*RT+RD）*CT］                

   取

同步端（引脚3)主要用于多只SG3525之间的外部同步,同步脉冲的频率应比震荡频率FOSC略低一些，在本次设计中引脚3悬空。 

2。3PID控制环

  由SG3525的引脚9和引脚1进行PID调节如图1.5所示，负载反馈到引脚1接20Ω电阻，引脚1和引脚9之间接20Ω电阻（实验中用5KΩ滑动变阻器）和0。101μF电容形成比例微分环节，使该闭环系统调节更稳定而快速。

图1。5  PID反馈控制

2.4软启动环节

 SG3525的软启动接入端（引脚8)上通常接一个1μF的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时,PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作［3］。

  2。5 PWM波输出

   SG3525的引脚11和引脚14时两路PWM波互补输出端，两者仅最大能输出占空比为0。5的PWM波，所以将两者通过二极管并联输出，以得到满足要求的PWM波。

3、MOSFET驱动电路

   MOSFET驱动电路图如图1.6。

图1.6   MOSFET 驱动电路

采用两个晶体管连接成的推挽输出.左边接SG3525引脚11和引脚14的并联输出，右边输出接主电路MOSFET的控制端。

R3选100Ω限流电阻,通过10kΩ电阻接地，起接地参考作用否则,推挽输出一直为高。两个晶体管NPN的集电极通过1kΩ电阻接电源,PNP的集电极通过1kΩ电阻接地,两者发射极并接通过一个100Ω电阻输出,作用是保护MOSFET。

推挽电路将PWM的低电压拉低以确保MOSFET的可靠关断。

4、隔离电路

   隔离电路图如图1.7所示，采用PC817芯片进行隔离。在负载端并接上两个串联的20kΩ电阻进行分压,PC817原边引脚1接在两个20kΩ电阻中间,引脚2通过20kΩ电阻接地(与主电路共地）起到限流的作用。其副边的引脚4接到SG3525的引脚16获得5.1V稳压供电，引脚3通过两个3。3kΩ电阻接地（控制电路SG3525的地）,从两个3。3kΩ电阻之间引线到SG3525的引脚1从而实现系统的闭环反馈调节和主电路与控制电路的“地”隔离。

图1.7   隔离电路

5、保护电路

  主要实现过压保护，利用SG3525的外部关断信号输入端引脚10(Shutdown该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护）控制过压保护.利用D触发器进行过压保护信号的锁存，与电源断电后的复位.利用比较器将所采信号和预设信号比较产生过压信号。保护电路图如图1.8所示。

图1。8   保护电路

  比较器利用芯片LM358放大器 ，引脚8接SG3525的16引脚5。1V稳压输出，引脚4接地（控制电路的地），（仿真中利用比较器实现该功能).将隔离电路相控制电路引脚1的输出信号接到引脚5，引脚2通过一个1kΩ一个3。3kΩ电阻分压出3.91V输入，引脚7输出到D触发器（仿真图中利用简单的D触发器实现该功能）的引脚3上.D触发器74HC74N供电利用SG3525引脚16的5。1V稳压输出，引脚2引脚4接5.1V，引脚1通过1kΩ电阻接5。1V电源通过25μF电容接地（与控制电路共地），其作用是当电源断电时将引脚1放电使D触发器复位，过压信号清除。从引脚5输出到SG3525的引脚10进行pwm禁止控制，同时通过3.3kΩ（或1kΩ）电阻连接发光二极管接地（仿真图中用接地发光器代替）.当隔离芯片向控制电路反馈信号大于3。91V时,比较器输出高电平，从而D触发器维持高电平输出,首先使得SG3525引脚10为高电平芯片关断主电路关断，其次D触发器输出的高电平使得发光二极管点亮进行过压报警，在关掉电源后,由于D触发器放电复位，发光二极管熄灭,SG3525芯片重新使能。