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1、内及容主要要求毕业设计(论文)任务书专业班级班姓名 下发日期 2014年 3月 1 日题目高效 DC-DC 升压电路设计专题电源类主要内容: 1.概括开关稳压电源的发展背景以及 DC-DC 升压电路基本工作原 理，并概括论文的主要研究内容。2.概括论文的主要设计思想和方案论证。3. 电路的硬件设计与分析:PWM 开关电源、隔离与驱动电路、整流与滤波电路、 DC-DC 变换器等电路的设计与实现。4.电路的整体分析，性能指标的测试以及 制作与调试。5.电源的测试及仿真:开关稳压电源的实现与验证，并得出相应 的波形图。6.总结与展望:总结本论文的主要内容、设计过程遇到的问题和解 决方法以及对所研究问
2、题的展望。设计要求: 1.掌握 DC-DC 电路变换的基本知识; 2.熟练掌握 pro阳l 或者 DXP 软件对电路原理图及 PCB 的绘制，及电路板的腐蚀制作;3.论文必须全面完整， 对各模块论述清晰;4.必须要有详细的方案论证以及实际数据记录; 5.具有简洁可行的软件程序及相关调试记录。1.输出电压 U。可调范围: 30V36V;主 1 2能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值 肌要技 1 3.同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能;术 1 4.u2 从 15V 变到 21V 肘 ，电压调整率 SrtSO.2%;: 1 5输出噪声纹波电压峰-峰值 U以 V6.DC-DC 变换器的效
3、率 唯85%;具有过流保护功能，动作电流 10 th) =2.5土O.2A3 月 1 日 - 3 月 15 日 在老师的指导下完成开题报告进3 月 16 日 - 4 月 15 日 查阅资料，方案设计以及可行性分析度及 4 月 16 日- 4 月 30 日 系统硬件设计以及各模块调试7虐t5 月 1 日- 5 月 15 日 软件调试，各项指标的进一步完善成日 5 月 16 日 - 5 月 31 日 完成论文电子版初稿，并发给老师做进一步修改期 6 月 1 日 - 6 月 15 日 完成论文设计，将论文打印交给老师并准备答辩教学院长签字日期 教研室主任签字 日期 指导教师签字 日期第 1 页摘要随
4、着开关稳压电源市场的迅猛发展，以及开关电源在计算机、通信、仪器仪 表等方面的广泛应用，与之相适应，对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面 提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐 步取代了效率低、体积大的线性电源。同时随着电子系统的渐趋小型化，供电系 统渐渐由分散的 DC-DC 电源模块所代替。本文设计了一种高效 DC-DC 升压电源模块，能够满足供电系统对供电电源 高效率、小体积、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等的需求。设计系统由 主电路、驱动电路、采样电路、供电电路组成。采用 STM32FI03为主控芯片， 以BOOST斩波电路为主电路，用芯片 IR210
5、4输出两路 PWM驱动 MOS 管，采用同步整流技术取代原来的二极管，从而达到更高效率。采样电路由电阻分压，经过电压跟随器将分压值送入单片机。电流采样电路由 INA282 采康铜丝电压， 根据电压电阻之比计算电流。供电模块由两片胃S5430芯片及其外围电路构成， 产生 15V 与 5V 的稳定供电电压。通过理论分析研究以及实验调试结果，本文设计的系统可以满足高效DC-DC 升压电路的各项性能指标要求。关键词: 开关稳压电源，BOOST斩波电路，高效率，STM32FI03ABSTRACTWith the rapid development of switching power supply ma
6、rket，as well as the wide application of switching power supply in 由e computer，communication， instrumentation，and in conformity with which put forward 趾gher req山rements for efficiency，volume，weight and reliability of power supply. Switching power supply with its high efficiency，small size，light weigh
7、t and other advantages in many 缸eas gradually replaced the linear power supply，for its low efficiencyand large volume. At the same time，along with the electronic system is miniaturization，power supplysystem by DC-DC power module dispersed gradually replaced.In由is dissertation describes the design of
8、 a high efficiency DC-DC boost power supply module，which can satisfy 由e power supply system for supply power effciency，small volume，low nonlinear distortion，the output voltage and current stability requirements. The design of the system consists of the main circuit，drive circuit，sampling c让cuit，powe
9、r supply circuit.Using STM32F103 as the main control chip，with boost chopper circuit of main circuit，with the chip IR2104 output twoPWM 由ive 由e MOS，to replace the original diode using synchronous rectification technology，so as to achieve higher efficiency. The sampling circuit comprises a resistor d
10、ivider，through a voltage follower will pressure value into the one chip computer. The c山Tent sampling circuit composed of INA282 mining constantan wire voltage according to the voltage，resistance ratio calculation of current. The power supply module is composed of two pieces of TPS5430 chip and its
11、peripheral circuit， stable power supply voltage 15V and 5V.Through theoretical analysis and experimental results，也is system can meet 由e requ让ements of various performance indicators for efficient DC-DC boost circuit.KEY WORDS: switching power supply，BOOST chopper circuit，high efficiency，sM32F103目录摘要
12、. .1ABSTRACT.II第 1章绪论.11.1 开关电源的定义与分类.11.2 开关电源的基本工作原理与应用.11.2.1 开关电源的基本工作原理.11.2.2 开关电源的应用 .31.3 开关稳压电源发展趋势及优点.51.4 研究意义内容及技术要求.61.5 本章小结.7第 2 章 DC-DC 升压拓扑选择及原理分析.82.1 升压斩波电路的基本原理.82.2 带隔离的直流一直流变流电路.92.3 同步整流技术.102.4 本章小结.11第 3 章硬件电路设计及分析计算.123.1 高效 DC-DC 升压电路主回路分析.123.2MOS 管驱动电路.143.3 电压电流采样电路.143
13、.4 过压过流报警电路.153.5 供电模块设计.153.6 设计电路 saber 仿真图形 .163.7 开关电源 PCB 排版要点及本设计PCB 布局 .173.7.1 电容并联高频特性.173.7.2 电感特性.183.7.3 焊盘和旁路电容的放置.193.7.4 功率器件组成的电流回路设计.193.8 本章小结.到第 4 章软件设计以及调试记录.224.1 程序流程简介.224.2 程序具体清单.234.3 实验验证与测试结果.23田4.3.1 输出电压测试结果. .234.2.2 电压调整率测试结果.234.2.3 负载调整率测试结果.234.2.4 噪声及纹波测试.244.2.5
14、效率测试.244.4 本章小结.24第 5 章 总结与展望.万.5.1 毕业设计总结.255.2 未来展望.25 致谢.错误! 未定义书签。 参考文献.27 附录.28附录一电路各模块原理图. 附录二 设计实物图.错误! 未定义书签。 附录三程序清单.IV第 1 章绪论1. 1 开关电源的定义与分类电是工业的动力，是现代社会生活的源泉。电源是电力装置的一种，同时， 也是很多电子设备如变频器、仪器仪表、照明器等的重要组成单元。开关电源以 其效率高、重量轻、体积小等优势在许多方面渐渐取代了效率低体积大的线性电源。随着许多电器设备尺寸的不断减小，供电电源所占的尺寸便显得大了许多， 人们在降低开关电源
15、的体积重量等方面做了很多工作。发展小型便携式电源尤为 重要。为了实现高功率密度，就必需要提高 PWM 开关电源的工作频率。在 1980 年以前，功率变换器的开关频率在 20-5OkHz 到 20 世纪 80 年代起，提高开关 频率渐渐成为减小开关尺寸的有效手段，同时也改善了电源的动态性能。现在200-500kHz 己成为 l00W 输出的 DC-DC 功率变换器的标准开关频率。随着开 关电源工作频率的提高，开关电源的功率体积也不断减小。尽管通信基础的电源系统容量比较大，但还是紧跟开关电源技术的发展而在 不断进步。各种开关电源的发展方向基本上都是采用更先进的新器件、新技术、 新材料、新工艺逐步减
16、少开关电源的体积和重量，改善其电气性能指标，提高工 作可靠性，消除对其他设备的干扰，增强智能化程度等等。按照电子理论，所谓 AC/DC 就是交流转直流即使整流;AC/AC 称为交流变交流即交交变频; DC/AC 直流变交流即为逆变; DC/DC 直流变直流即为斩波。 在开关电源技术领域，随着电力电子器件的不断发展，与此同时开关变频技术也 在不断提高，两者相互推动着开关电源向着轻、小、薄、低噪声、高可靠性、抗 干扰的方向发展。1.2 开关电源的基本工作原理与应用1. 2. 1 开关电源的基本工作原理 开关电源由主回路和控制回路两大部分构成，它们的主环节是输入滤波器、整流器、高频变压器、功率因数校
17、正环节、低通滤波器、主开关管、反馈电阻分 压器、给定环节、误差放大器、驱动模块、电流采样模块等构成。由它们组成电压负反馈、电流负反馈或前馈补偿。因 1.1 (a) 所示结构图，在电阻分压器后，可以按实线所示组成闭环控制系统，也可以按照虚线所示构成控制回路，均由所 选元件决定。图 1.1 ( b ) 是结构框图和代号，其中Gj( S) 代表了误差放大器占空2比的传递函数，G (s) 代表了主回路、低通滤波器等的传递函数。8(s)i才五Ed/LiJ 甲品运王军 民-给定环节(a)(b)ER(s)乓(s)(c)图 1.1 开关电源结构图、框图及代号在图 1.1 (b) 中 A 点断开，R(s)作用下
18、，系统的偏差传递函数(见图 1.1 (c)为E( s ) 1仇。)= _R. 一 = _ /， / ，(1.1)R( s ) 1+G1 (s )G2 (s )H(s )当只有扰动 N(s)输入，而 R(s)= 0 的闭环系统，系统的闭环扰动传递函数为一一一化 (s) = EN ( s ) =-G2 ( s )H( s )(1.2)N(s)1+ Gt (s)G2 ( s )H( s )1 . 2. 2开关电源的应用随着电力电子技术的发展，尤其是大功率 MOS 管技术的迅速发展，将开关 电源的开关工作频率提高到了 150200阻z，这使得开关电源的功率损耗更小， 电源的效率也越高，基本可以达到 9
19、0%95%甚至更高。用高频变压器取代工频 变压器可以降低重量，同时还可以大大减小体积:而且输出电压纹波能够降到0.05%以内，稳定度可达 0.5%1%，抗干扰能力强且稳定性好智能化程度高。由 于这些优良的特性，高功率开关稳压电源被广泛应到工业和军事上。如电磁发射 器、粒子加速器、微波武器等脉冲功率应用领域，电源设备的平均功率通常在几 百千瓦甚至儿兆瓦以上，而且其体积和重量也只有线性电源的儿十分之一。通信电源 通信行业的迅速发展极大地促进了通信电源的发展。高频轻型化的开关电源技术己逐渐成为现代通信用电系统的主流。在供电领域中，通常将整流器称为一 次电源，而将 DC/DC 变换器称为二次电源。一次
20、电源是把单相或三相交流电网 电压变换为标称值为 48V 及以下的直流电源。通信设备的运行速率不断提高， 使得时钟频率不断上升，所采用的集成电路种类繁多且体积小，其对电源电压要 求也各不相同，在通信供电系统中采用大功率密度的高频 DC- DC 隔离电源模块， 从中间母线电压(一般为 48V 直流)变换成所需的各种直流电压，这样可大大减 小损耗、方便维护，且安装使用非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二 次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增 加。高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向
21、。由于 IGBT 大容量模块的商用化，这种电源更有着 广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流 (AC- DC-AC-DC) 变换的 方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流，IGBT 组成的 P阳高频变换部分将直流 电逆变成 20kHz 的高频矩形波，经高频变压器藕合，整流滤波后成为稳定的直流， 供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题，也是用户最关心 的问题。采用微处理器作为脉冲宽度调制( PWM) 的相关控制器，通过对多参 数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的
22、，进而提前对系统做 出调整和处理，解决了目前大功率 IGBT 逆变电源可靠性。国外逆变焊机己可做 到额定焊接电流 300A，负载持续率 60%，全载电压 60-75V，电流调节范围 5-300A，重量29kg。大功率开关型高压直流开关电源 大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用 X 光机和 CT 机等大型设备。电压高达 到-159kV，电流达到 0.5A 以上，功率可达到100kW。自从上个世纪 70 年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整 流后逆变为 3kHz 左右的中频，然后升压。进入 80 年代，高频开关电源技术迅速 发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主
23、开关元件，将电源的开关频率提高到20旺Iz 以上，并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变 压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全 桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器 升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到 55kV，电流达到 15时，工作频率为 25.6阻z。 电力操作电源在上个世纪 90 年代之前，电力操作电源几乎全部选用相控电源， 即采用 可控硅整流充电设备，由于可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意，监 控系统也不够完善，尤其现在变电所逐步采用
24、微机保护和监控，对直流系统的性能和可靠性要求更高，因此90 年代之后更新换代为开关电源。 变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的，它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。它的性能优劣直接关系 到变电所的正常安全供电，进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后， 输出电压精度高，其输出纹波系数从 2%提高到 0.1%，电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%，能够保证对蓄电池的平稳充放电，延长了电池使用寿命。由于采用模块化结构和 N+l 备份方式，可根据实际负载容量的大小，选择合适的整 流模块数量。当 1 台电源故障时，只需将该模块退出检修，而其它模块仍可继
25、续运行，在保证系统充电容量的前提下，为负载的正常供电提供了更加可靠的 保障。以往的可控硅整流相控电源系统，其备件需要 1 个同样大小的硅整流模块，而改用高频开关后，只需备 1-2 个高频开关单元就可以了，减少了备件储备成本。由于高频开关电源的功率因数大于 0.9，而常规整流功率因数仅为 0.7左右，对同样的负载，采用高频开关模块可节省输入功率 30%。1.3 开关稳压电源发展趋势及优点(1)非隔离 DC / DC 技术迅速发展近年来，非隔离 DC / DC 技术发展迅速。 现在的非隔离的 DC，DC 基本上分成两大类。一是在内部含有功率开关元件， 称 DC，DC 转换器:二是不含功率开关. 需
26、要外接功率 MOSFET，称 DC，DC 控制器按照电路功能划分有降压的 BUCK、升压的 BOOST，还有升降压的 BUCK- BOOST 等.以及正压转负压的 的VERTOR 等。其中品种最多发展最 快的是 BUCK 型。控制方式以 PWM 为主。(2) 初级PWM控制IC不断优化有源箱位技术自从2002年VICOR公司此项专 利技术到期解禁之后新型有源辛苦位控制IC纷纷涌现。在大功率领域，全桥移相 ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。INTERSIL公司推出的PWM 对称全桥的ZVS控制IC-ISL6752，既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作 状态，又能准确地给出控制
27、二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用 这种IC制作的100W 的DC，DC再加上先进的功率MOSFET，转换效率可达到95% 。小功率的开关电源仍用反激变换器的PWM 来控制IC。低压DC，DC领 域Linear公司的LTC3806不仅能控制好PWM，还给出准确的二次侧同步整流驱动 信号，是比较好的低压小功率电源控制IC 。(3)数字化开关稳压电源，传统的开关稳压电源中最基本的稳压电源有六种: BUCK、BOOST、 BUCK- BOOST、CUK 、ZETA 、SEPIC 。其中以 BUCK 和 BOOST 最基本，其它四种是从中派生的。许多模拟电源系统能满足当今电子 系统的要求
28、。但以目前电子信息发展趋势，未来电源系统将朝向两极化方向发展: 模块化微型电源和具有多功能用途的大型电源。大型电源的发展将趋向大型化、 模块化、智能化、网络化。大型电源设备组成复杂，同时又需要以模块化方式满 足不同的应用需求，因此应用数字控制技术于电源控制将是未来发展的趋势。数 字化开关稳压电源是数字信号处理与模拟技术的新结合点。数字信号处理近年来 在理论取得了重大的发展而且在应用上日益扩大。DSP 是为实现数字信号处理的 专用处理器， DSP 器件具有较高的集成度以及更高的效率可以高速处理极为大 量的数字化数据，因而应用到广泛数字化器件当中。其中 TI 推出的数字电源的 新产品包括 UCD9
29、K、UCD8K 及 UCD7K 系列辅助器件。开关稳压电源的应用前景越来越广，技术也在不断提高，有着下列优点:(1)可编程:比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现(2) 易于设计配置稳定调节:通过编写几行简单的代码，就可以将数字集成电 路配置成各种需要的稳压器，如升压、降压，负输出、SEPIC、反激式等。(3) 有直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。( 4 ) 通过远程诊断确保持续的系统可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避 免停机等。1.4 研究意义内容及技术要求随着我国开关稳压电源市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研 发亦成为业内关注的焦点。特
30、别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后， 各种电子设备都要求稳定的电源供电，并且电网直接供电己不能满足需要，因此 正向着小功率直流稳压电源发展。越来越多的人开始关注电源变换器的设计，高 效 DC- DC 升压变换器可以方便、精确地由低压变换到高压，在低损耗的同时 达到高效地为各种电子设备供电的目的。高效DC-DC升压变换器主要由Boost升压电路的拓扑结构与脉宽调制器组 成。Boost升压电路由升压电感、续流二极管、滤波电容及全控型开关管(增强 型MOS管等几部分组成。当关闭全控型开关管时，电感将电能转换为磁场能 储存起来，当MOS断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，这个能量在和输 入电
31、源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载， 这个电压是输入电源电压和电感的磁场能转换为电能的叠加后形成的，所以达到 直流到直流的升压目的。从而可以高效地将直流输入电源电压升到所要求的电压 范围，给电动车及其他直流设备供电。通过外部AD对Boost电路取样转化为低压 直流信号，送入误差比较器，与内部的基准电压比较，根据比较结果通过PID调 节，从而达到输出稳定电压的目的。本设计的技术指标要求:1.输出电压 U 可调范围: 30V ，._.36V;2.能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值 lV;3.同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能:4.U2 从 15V 变到
32、 21V 时，电压调整率 S;O.2%;5.输出噪声纹波电压峰-峰值 Uopp三lV;6.DC-DC 变换器的效率 唯85%;具有过流保护功能，动作电流 Io(由)=2.5:!:O.2A。1.5 本章小结本章主要介绍了开关电源的定义与分类，开关稳压电源的工作原理及其在各 方面的广泛应用，同时介绍了开关电源的发展趋势及优点。最后，本章说明了本 设计的设计目的以及主要设计内容和各技术指标要求。第 2章 DC-DC升压拓扑选择及原理分析2. 1 升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的原理图及工作波形如图 2.1 所示，该电路中使用全控型 MOS管。LERL(a)。UGEtlO .口 门 门I(b)图
33、2-1 升压斩波电路原理及其工作波形a)电路图 b) 波形分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感 L 值很大，电容 C的值也很大。当可控开关 V 处于通态时 ，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本 恒定为人 同时电容 C 上的电压向负载R 供电。因 C 值很大，基本保持输出电压u。为恒定值，记为Uo 。设 V 处于通态的时间为切，此阶段电感 L 上积蓄的 能量为 EIJtm，。当 V 处于断态时 E 和 L 共同向电容 C 充电并向负载 R 提供能量。设 V 处于断态的时间为to町 则在此期间电感 L 释放的能量为(U() -E)IJtorf 。当电路工作于稳态时 ，一个周期 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即、60忏化简得E1lO1J = (Uo -E)Ilo.仔( 2.1)UI= tOIl + toffE=E( 2.2)tofftoff式中，王三1，输出电压高于电U源电压，故称该电路为升压斩波电路，用英文名=称称之为即 boost 变换器 ( Boost Con一v1erter )。E式 咔表示升压比，调节其-大-一-小，即可改变输出电压矶的大小，
