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中南大学毕业设计调研报告___模板

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本科毕业设计(调研报告)
GRADUATION DESIGN(THESIS) MATERIAL

题目宽电压输入 buck 变换器
的优化设计研究

学生姓名赫玉莹 指导教师裘智峰韩华 学院信息科学与工程学院 专业班级电气工程及其自动化 1104 班

本科生院制
2015 年 4 月

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宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究

宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究 摘要
随着科技的发展,电子产品已与人的生活息息相关,而开关电源作为其中的核心更 是成为研究热点。开关电源的应用场合不断增加,不同的应用对通过对开关电源的性能 要求和优化设计也提出了越来越高的要求。基于前期的文献阅读和学习,现将主要内容 和课题研究规划做如下报告。 第一章简述了社会和科技发展对电源管理芯片的要求,提出了研究开关型降压 DC/DC 变换器的研究背景和意义。 第二章针对电力电子开关器件的研究现状做了总结, 对过去 10 年的电力电子技术研究热点做了回顾。Buck 开关电源的工作原理在第三章进 行了简单说明。第四章在第三章原理的基础上,基本确定了各个模块的设计方案。第五 章简述了本课题进行中,对 buck 变换器优化设计和制作样机所需要使用的软件。第六 章将详述论文主要工作与重点难题。在上述分析之后,给出课题研究预期进展与时间规 划。

关键词:BUCK 变换器同步整流电磁兼容

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宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究

Design of BUCK converter with wide input voltage range applications ABSTRACT
With the development of science and technology, digital products have been the indispensable part of life, and the research of switch power supply has becoming more and more popular. As switch power supply applications increased, higher demand of performance and optimization design are required. Based on the preview of literatures, the main content and research plan will be shown in this report. The development of power electronics is introduced at first, and the research background and significance of power supplies are proposed. The research situation and focuses of switching power supplies are summarized in the second chapter. And then the basic principle and control methods of buck dc-dc converter are shown. Based on the third chapter, schemes of each module is proposed. Several softwares that will be used in the design are described simply next, and the six chapter discuss some key point in the design. Finally, the ideal research progress and time management are introduced in the last chapter.

Keywords: DC-DC buck converter synchronous rectify electromagnetic compatibility

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宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究

目录
第 1 章研究背景与意义 .................................................................................................... 5 第 2 章研究现状 ................................................................................................................ 6 2.1 开关变换器研究现状 ......................................................................................... 6 2.2 电源控制新技术 ................................................................................................. 6 第 3 章 BUCK 变换器理论基础 ...................................................................................... 8 3.1 buck 变换器工作原理 ......................................................................................... 8 3.2 控制方法简述 ................................................................................................... 10 3.2.1 PWM 控制............................................................................................... 10 3.2.2 PFM 控制 ................................................................................................ 10 3.2.3 PWM/PFM 混合控制 ............................................................................. 11 3.3 电压模式控制与电流模式控制 ....................................................................... 11 3.4 buck 变换器的限制 ........................................................................................... 12 第 4 章系统设计方案 ...................................................................................................... 13 4.1 系统设计要求 ................................................................................................... 13 4.2 设计方案论述 ................................................................................................... 13 4.2.1 控制回路设计方案 ................................................................................ 13 4.2.2 开关管方案 ............................................................................................. 13 4.2.3 驱动电路设计 ........................................................................................ 14 第 5 章课题研究所需软件介绍 ...................................................................................... 20 5.1 matlab 软件 simulink 仿真介绍 ........................................................................ 20 5.2 protues 软件 ....................................................................................................... 21 5.3 IAR 编译器 ........................................................................................................ 22 第 6 章论文主要工作和重点难点 .................................................................................. 24 6.1 论文重点难点 ................................................................................................... 24 6.2 课题研究计划 ................................................................................................... 24 参考文献 .......................................................................................................................... 25
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第 1 章研究背景与意义
近年来,随着科学技术的迅猛发展,电子产品如笔记本电脑、移动电话、PDA 等走 入每一个家庭,电力电子设备与人们的生活、工作息息相关。而 DC/DC 开关变换器也 因其转换效率高、功率密度比大、稳压范围宽、正负极的灵活性广泛应用与各类电子产 品中。现如今,在人们日常生活应用中电子设备的种类越来越多,进而对电源各性能指 标的要求也越来越高。 最传统的是晶体管串联调整稳压电源模块。现已有大量集成化的线性稳压模块,它 在享有着可靠性高、输出纹波电压小、稳定性好等优点的同时,也有着很大的缺陷:效 率问题和散热问题。调整管需要工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,集电极 和发射极之间的电压差比较大,电源效率较低;其次,由于调整管静态损耗大,散热严 重,往往需要安装一个很大的散热器,这对电源的体积要求增加了障碍,无法满足电力 电子发展的需求[1]。于是,在 20 世纪 50 年代,美国宇航局开发了开关电源,并逐渐取 代了线性稳压电源得到广泛应用。开关电源具有效率高、可靠性和稳定性好、体积小、 重量轻、对供电电网电压波动不敏感的优点,但也有瞬变响应差、电磁干扰等缺点,但 随着技术发展,这些不足正在不断得到改善[1]。到 20 世纪 80 年代,开关电源化已经在 计算机上实现,之后,到 20 世纪 90 年代,开关电源就已在电气设备、家电领域、航空 航天等得到了广泛的应用,开关电源技术发展突飞猛进。 对于我国,在开关电源方面起步较晚,还有较大的发展空间。开关电源技术是在 20 世纪 80 年代引入我国,随着计算机、汽车、通讯等行业的迅猛发展,开关电源市场也 不断增长,而开关电源的控制研究更是受到广泛关注,成为国内功率电子学领域的关注 热点。我国目前能源紧缺,随着可再生能源的发展,对电力变换器的研究和优化发展更 是迫切[2]。 直流变换器广泛应用于稳压开关模式的直流电源以及直流电动机驱动。变换器的输 入一般为线电压整流后的非稳压直流电压,因此线电压幅值的变化会引起输入电压波动
[3]

。通过开关模式,DC-DC 变换器可将输入的非稳压直流电压变换为期望输出的可控直

流电压。随着电子产品的功能变得更多,对适用于这类产品的 buck 变换器的性能提出 了很高的要求,因此,研究 buck 变换器并进行优化设计具有重要的理论和现实意义。
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第 2 章研究现状
2.1 开关变换器研究现状 DC/DC 开关变换器的研究,是电力电子技术中开关电源技术的一部分,运用功率变 换器进行电能变换,以满足用户的用电需求。自其问世,在过去 20 年里,高频化和软 开关技术是国际电力电子届的研究热点之一,到了 90 年代中期,集成电力电子模块和 集成电力电子应用技术开始应用发展,使得电源产品更加标准化、模块化、可制造性、 低成本等得以实现[3]。 总的来说,在过去近 50 年开关电源技术进步和发展进程中,有三大标志: ? 功率半导体开关器件——功率 MOSFET 和 IGBT 取代了之前的普通功率晶体管 ? 高频化 PWM 和 PFM 控制技术的应用和软开关技术的应用 ? 开关电源系统的集成应用 国外在集成化的研究上已开展了近 20 年, 但随着全球集成电路设计和工艺水平的不 断进步,对系用设计相关技术也产生了新的挑战,对于中国,起步较晚,而且由于我国 半导体技术和工艺跟不上时代的发展,导致开关稳压电源中的关键器件,如功率开关晶 体管、高频开关变压器磁性材料、储能电感、快恢复续流二极管还都是从国外引进。 而对于开关电源技术的发展趋势,可以归纳为以下四点[4]: ? 小型化、轻量化、薄型化、高频化。 ? 提高可靠性和集成度,提高平均无故障时间。 ? 在提高频率的同时,降低开关噪声 ? 采用计算机软件对设计过程和开关电源性能的优化 2.2 电源控制新技术 1)软开关技术 软开关技术是实现高频化的一个转折点,它是应用谐振的原理,使开关器件中的电 流或电压按照正弦规律变化,通过零电压开通、零电流关断实现减少开关损耗的效果, 它不仅可以解决硬开关变换器的开关损耗问题、二极管反向恢复问题,还能解决相关的 电磁兼容性问题[5]。 在开关频率增大到兆赫兹级,开关应力和噪声将不能忽略,其中的谐振变换器便会
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产生较大的循环能量,为了解决这一问题,发展了很多软开关技术。其中,为了改善零 开关条件,有人提出将谐振网络并联在主开关管上,后发展会零转换 PWM 软开关变换 器,取软开关技术之所长,并弥补了前述的不足。目前,无源无损缓冲电路将成为实现 软开关技术的重要技术之一,在直流开关电源中也广泛应用。 2)交错并联技术 大功率电源采用交错运行, 可以较好地解决纹波问题。 交错运行属于并联运行方式, 若 N 模块并联交错运行,要求各模块同频率,开关导通时刻依次滞后 N 分之一个开关 周期[6]。这种方式,使得输出电流电压纹波峰值大为减小,从而减小了所需的滤波电感 值,减小了电源的体积,提高了其功率密度。 3)多电平变换器的控制方法 多电平变换器的控制方法包括: 三角载波 PWM 法、 空间电压矢量 PWM (SVPWM) 法。三角载波 PWM 法又可分为:消谐波(SHPWM) 、三角载波移相(PSPWM)法和 开关频率最优 PWM(SFOPWM)法。 当各级联单元利用率一致时,逆变器的效能比最大。当直流电源为电池组时,均衡 电池组的放电具有特别重要的意义,均衡控制主要包括直流电源的输出功率均衡和开关 器件的利用率均衡,为此,提出了循环分配和交替分配两种均衡控制方法[7]。 4)均流技术 设计分布式并联电源系统时,需采取必要措施使得每个模块平均分担输出电流,以 保证系统稳定可靠地工作,充分发挥并联电源的优点。均流技术通过控制电路调整各模 块的输出电压,从而调整输出电流,常见的均流控制方法有:输出阻抗法(即调节变换 器的输出阻抗来实现均流) ;主从设置法(定义其中一个电源模块为主模块,其余为从 模块,从模块跟随主模块调整输出电流,属于闭环控制方法) ;平均电流均流法(将各 模块的电流放大器输出端通过电阻 R 接到均流母线上实现均流) ;最大电流均流法(将 输出电流最大的模块自动变为主模块,其他为从模块,依次整定) 。 5)功率因数校正(PFC) 为解决谐波污染问题,需要降低电源设备自身的谐波污染,提高功率因数。PFC 的 目的是将设备的输入端口对交流电网呈现纯阻性,使得输入电流和电网电压为同频同相 的正弦波,功率因数接近 1[7]。PFC 技术分为无源功率因数校正和有源功率因数校正两 种。

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第 3 章 BUCK 变换器理论基础
3.1 buck 变换器工作原理 如下图 3-1 所示,为 buck 变换器工作原理图。它是由一个功率晶体管开关 Q 与负 载串联构成的。 驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止, 当晶体管导通时, 若忽略其饱和压降,输出电压 uo 等于输入电压;当晶体管截止时,若忽略晶体管的漏 电流,输出电压为 0[8]。这样的一个电压方波平均值等于所期望的直流输出电压,后面 的 LC 低通滤波器用来削弱方波中的交流量,使输出为所需的直流电压,输出电压与参 考电压作比较,生成响应的控制 PWM 波,输入给 MOS 管的控制端,从而控制开关管 的占空比,形成一个负反馈。该电路的基本特征是:在电压值上,输出电压低于输入电 压;在电流值上,输出电流为连续的,输入电流是脉动的。其工作分连续模式和断续模 式,开关转换线路是否工作在 CCM 或者 DCM,主要取决于流过电感电流是否连续。
L Q

Ub

C V

Vg

D

图 3-1 buck 变换器工作原理图

如下图 3-2 所示,为 buck 电路工作时的理想波形[6-8]。
VR

IL
Vg-V

VL

t -V Ts

Vgs
DTs t

图 3-2 buck 电路工作时的理想波形图
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其中所做的理想假设为: ? MOS 管为理想开关器件,导通压降为 0,截止漏电流为 0。 ? 电感电容为理想元件, 电感工作在线性区, 寄生电阻为 0, 电容 ESR 也为 0。 ? 输出电压纹波可以忽略不计。

0 ? t ? DTs :开关管导通时,输出电感储能,流过电感的电流线性增加,同时给负
载提供能量;
L di ? Vg ? V dt

(3-1)

关管关断, 输出电感通过 diode 进行续流, 流过电感的电流线性减小。 DTs ? t ? Ts :
L di ?V dt

(3-2)

依据电感伏秒平衡原理可得:

(Vg ? V )DTs ? V (1 ? D)Ts
由式(3)可得:

(3-3)

D?
当开关转换线路工作于 CCM/DCM 边界: 可得边界条件为:

V Vg

(3-4)

K ? 1? D ?

2 Lf s R

(3-5)

即: 当1 ? D ?
2 Lf s 时,buck 变换器工作在 CCM 模式; R 2 Lf s 时,buck 变换器工作在 DCM 模式; R 2 Lf s 时,buck 变换器工作在 CCM/DCM 边界; R

当1 ? D ?

当1 ? D ?

1 V02 边界条件也可写为:LC ? ? 该值为临界电感, 当 R、 D、 f s 固定时, ? (1 ? D) , 2 P0 ? f s
若 L ? LC ,则系统由 CCM 状态转为 DCM 状态,当 f s 增大时, LC 值降低。
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3.2 控制方法简述 为了保证一个系统的稳定性、快速性、准确性,并综合考虑体积成本、控制效率等 因素,需要对系统采用合适的控制策略。DC-DC 变换器的控制方法可分为 PWM 控制 (pulse-width-modulation)、 PFM 控制(pulse-frequency-modulation)、 PWM/PFM 混合控制。 下面将分别对这三种控制方式进行简要的说明。 3.2.1 PWM 控制 PWM 控制即脉冲宽度控制,通过改变在固定工作周期内的开关管导通关断时间来 改变占空比,通过调整占空比使得输出电压稳定。如下图 3-3 所示,为 PWM 模式下稳 定状态的工作波形,对应的状态等效图如图 3-4 所示。在开关周期初始,开关管导通, 电感两端产生稳定的正向压降 Vin ? Vout ,流过电感的电流开始增大,电感中储存了一部 分能量;之后,当开关管关断,二极管导通续流,电感电流减小,其中储存的能量传送 到电容和负载上。在一个开关周期中,开关管持续地开通和关断,于是在负载端形成连 续的电流。在这个过程中,由于被调制的是方波的占空比 D,即脉冲宽度,所以将这种 工作模式叫做脉冲宽度调制控制。
Ts Vx △I iL Io

VP

VN DTs (1-D)Ts

图 3-3 PWM 控制下稳定状态的工作波形
RDS(on) L
L

Vin

Cin

CL

Vin

Cin

CL

图 3-4 buck 电路状态图

3.2.2 PFM 控制 PFM 控制即脉冲频率调整,与 PWM 相对比,其工作周期不固定,通过改变开关管
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的开通和关断脉冲的频率来改变占空比,从而通过调整占空比使得输出电压稳定。PFM 控制中,一个工作周期一般分为 3 个阶段:电感电流为 0、电感电流上升、电感电流下 降[9]。在实现 PFM 控制时有两种方式: 电感电流上升和下降的频率固定,当负载变轻时,电感电流为 0 的时间增加,系统 工作频率变小,此时通过调整这一频率实现输出稳定。 利用单稳态触发器代替振荡器,当电感电流不为 0 时,单稳态触发器和电流检测电 路共同形成占空比信号,系统的输出控制何时电感电流为 0。 3.2.3 PWM/PFM 混合控制 对于 PFM 控制,在轻载时,开关工作频率降低,开关损耗减小,而对于 PWM 控 制,导通损耗与负载成正比,开关损耗与负载无关,因此,轻载时 PFM 控制方式的效 率相对较高。 但由于 PFM 控制方式是通过几个周期时间的改变才能完全响应负载变化, PWM 控制在每个周期内都可改变占空比,因此,前者具有更大的开关噪声。 在考虑高效率和低噪声两个因素下,一般采用 PWM/PFM 混合控制:重载时采用 PWM 控制,轻载时采用 PFM 控制。这样将大大提高系统的灵活性和效率[10]。 3.3 电压模式控制与电流模式控制 电压模式控制和电流模式控制是按照控制电学参数来分的,这两者都有输出电压反 馈和电压反馈, 不同之处在于: 电压模式控制只有一个电压环, 而电流模式控制是双环: 电压环和电流环。电压环作为外环,电流环作为内环[11]。 电流控制模式比较复杂, 它把输出电压与基准电压相比较后产生的控制电压与电流 反馈信号相叠加,再与振荡器产生的三角波进行比较,最终产生占空比可变的 PWM 方 波来控制开关管和整流管的开断。结构虽然复杂,但性能更好,其优点为: ? 系统的稳定性增强 ? 系统的动态特性改善,对输入电压的抗扰性增强。电压环的响应速度较慢, 低频的纹波很难消除,而采用电流控制环后对纹波的处理能力将明显增强。 ? 具有快速限制电流的能力。 通过对电流给定的信号的限幅, 可以很容易地限 制电路中的电流,有效降低电流冲击。 当然,电流模式控制也有一定的局限性。 一般电流模式控制用电阻来检测电流,并把电流信号反馈,但是当负载电流减小的 时候,检测到的电流自然也随着减小,如果负载过轻,电流信号就可以忽略不计,系统

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就变成了电压模式控制。如果负载是变化的,且变化范围约为 10:1,就不能用电流控制 模式,否则会引起不稳定。 当电流模式控制变换器的占空比超过 50%时, 变换器会在开关频率的次谐波频率点 出现震荡,次谐波频率点一般是在开关频率一半的地方[1,2,12]。引起这种现象的原因为: 在电流模式控制下,当电流达到一定大小时,开关关断,如果占空比大于 50%,电感电 流的上升时间大于整个周期的 50%,则当开关关断器件,电流还没有来得及回到静态初 始值,下一个周期又开始了。在下一个周期中,初始电流变大了,很快就会上升到参考 值, 导通时间变短, 占空比变得更窄; 和上一个周期相比, 这个周期的占空比小于 50%。 以此循环往复,间隔一个周期过大一个周期过小,从而会产生次谐波震荡。解决该问题 的方案是在电流上叠加一个固定斜坡的信号,由于所叠加的斜坡是一个固定值,电流闭 环的影响可以得到较好抑制。 系统稳定的一般要求时外环电压环的带宽要比内环电流环校,电流环的带宽可以等 于开关频率[1,2]。 3.4 buck 变换器的限制 1)Buck 变换器电路中没有隔离变压器,且只能有一路输出; 2)Buck 变换器只能对输入电压进行降压变换,即输入电压必须高于输出电压,否 则变换器就不能正常工作; 3)虽然 Buck 变换器的工作状态即可以在电流连续状态,又可以在电流断续状态, 但是对输入电流来说,该电流值总是断续的。在每个周期内,当开关关断时,输入电流 为 0,这使得 EMI 滤波器的设计更加复杂。 4)Buck 变换器的门级驱动比较麻烦。难点在于驱动 N 沟道 MOSFET 时,门级电 压至少要比输入电压高 5V,甚至要求高出 10V,最简单的方案是避开这个问题,采用 P 沟道 MOSFET, 这样只要把门级电平拉到地就可以使开关管开通。 但是, P 沟道 MOSFET 的导通电阻比 N 沟道 MOSFET 要大,损耗也会更大。此外,使用 P 沟道通常会使用下 拉关断电阻,开关管的开关速度会受到影响。

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第 4 章系统设计方案
4.1 系统设计要求 根据毕业设计任务书,要求实现如下 Buck 变换器性能指标: ? 输入电压:Vin = 36V~72V ? 输出性能:Vout = 12V ? Vout(p-p)< 100mV ? Iout = 2.5A ? 效率达到 0.85 以上 4.2 设计方案论述 基于第 3 章对 buck 电路工作原理和限制性的分析,分别针对控制回路、开关管的 选择、驱动电路的设计提出以下几种方案,接下来将对几种设计方案进行对比论证。为 了提高开关电源的效率,采用同步整流的 buck 变换器,采用 MOSFET 代替肖特基二极 管续流。 4.2.1 控制回路设计方案 系统检测到输出电压和电流,通过控制回路输出 PWM 控制信号,从而控制开关管 占空比。控制回路可以通过由 AD 采样信号输送给 PWM 控制芯片来实现,PWM 控制 芯片包括电压控制型和电流控制型,技术已经比较成熟,但是对于反馈回路的补偿设计 等相对比较复杂,对于电流控制型芯片,还需要加入斜坡补偿。另一种方式,是将输出 信号采样后传给微处理器,通过软件编程,输出相应的控制信号。这种方式的灵活性较 高,但成本较高。在本设计中,为了实现系统的优化,采用了后者,即通过微处理器构 成控制反馈回路,反馈回路采用微处理器进行,一般是采用 PI 控制,在此通过软件修 正可找到最优的 PI 参数;也可以设法优化控制算法。 4.2.2 开关管方案 早期的大部分电源采用双极型晶体管,现代开关电源更多采用 MOSFET。下面将针 对 MOS 与 BJT 进行对比: 1. 驱动 MOSFET 比驱动 BJT 容易[13-15]。BJT 需要更大的驱动电流来使其导通,而 且需要持续注入才能使它保持导通状态,而 MOSFET 只需要在栅极外加合适的电压并 维持住,就可以保持导通。简单地说,MOSFET 为压控型器件,BJT 为流控性器件。实

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际上,现代 MOSFET 在开关转换过程中也需要一定的栅极电流,因此实际上往往要在 栅极注入或抽出大量电流,以加快响应速度。 2. BJT 的驱动要求更容易满足。对于 N 沟道的 MOSFET,栅极电压必须必源级电 压高几伏才行,在某些类型的 DC-DC 变换器中,N 沟道 MOSFET 所需驱动电压可能比 变换器输入电压还要高很多,这时就要用到自举电路。 3. BJT 虽然在电磁兼容、噪声和纹波方面比 MOSFET 占有优势,但这是以牺牲开 关速度为代价的。 4. BJT 更适合于大电流装置,因为即使开关电流很大,其正向导通压降基本不变, 开关损耗显著降低,开关频率越低,效果越明显。 综合两者,出现了 IGBT,它的驱动特性与 MOSFET 类似,但是在其他方面如正向 压降和开关速度与 BJT 类似。IGBT 是采用 MOS 结构的双极性器件,导通压降很小, 但由于其存储电荷的增强与耗散产生了开关损耗,且关断时集电极拖尾电流和较大的集 射间电压进一步增大开关损耗,因此,IGBT 的频率不能太大,适合于高压高功率的场 合。基于本设计,要求输出电压为 12V,功率为 30W,即电流为 2.5A,综合考虑,在 此选用 MOSFET。 4.2.3 驱动电路设计 由微处理器产生 PWM 控制信号后,高电平还不足以使开关管开通,需要通过驱动 电路。对于开关电源的设计,市场上已广泛存在响应的驱动芯片,也有将驱动电路和 PWM 产生电路集成在一起的 PWMIC, 但由于本设计为了更好地研究学习, 采用了单片 机,因此放弃了集成 PWM 控制芯片的方案。对于驱动芯片,选用 IR2110 进行驱动。 设计方案 1:MOS 管选用 PMOS,采用一个 NMOS 去驱动该 PMOS,中间采用大功 率的电阻进行分压配比,使得 MOS 的极间电压满足要求。如下图 4-1 所示,设置电阻 值如图, 当输入 Q2 栅极为高电平 (一般额外 12V 或 15V, 依照驱动芯片供电电压而定) , Q2 为 NMOS 可以导通,V1 与 R2、R3、R4 构成通路,根据分压原理,Q1 的栅极电压 约为 V1 的 3/10,从而 PMOS 导通,且 GS 间电压差在其承受范围内。 此设计所存在的问题在于电阻的选取。电阻值不能太小,否则通过电流会很大,发 热很严重。同时,电阻值还不能太大,否则电流值会很小,使得驱动能力差,进而影响 开关速度。当开关速度过慢,就会增大开关损耗。 因此, 驱动电阻的选取必须折中。 折中 buck 电路的驱动设计针对本毕设要求应该是

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合理的, 但若输入电压进一步加大, 范围进一步拓宽, 则这种设计就又不适用了。 此外, 电阻值一般会随着工作时间有一定的变化,这对开关管的工作状态会造成影响,而且, 电阻上会分担一定的功率,使得开关电源的效率很低。

图 4-1 采用 PMOS 的设计方案

此设计所存在的问题在于电阻的选取。电阻值不能太小,否则通过电流会很大,发 热很严重。同时,电阻值还不能太大,否则电流值会很小,使得驱动能力差。如下图 4-2 所示, 对驱动电阻的仿真图, 绿线表示驱动电阻很大时, MOS 的 G 极电压波形上升沿。

图 4-2 不同驱动电阻的 MOS 栅极电压波形图

从图中可以看出,当驱动电阻很大时,驱动能力有些力不从心。同理,下降沿也是 如此的效果。电阻太大会影响驱动快慢,进而影响开关速度。当开关速度过慢,就会增
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大开关损耗。然而,驱动电阻大还有着可以利用的优点。有人曾针对驱动电阻做过傅里 叶仿真分析,在此引用其结论:驱动电阻增加可以降低 MOS 管开关时的电压电流变化 率,比较慢的开关速度,有利于 EMI,高频谐波明显减小。如下图 4-3 所示。

图 4-3 不同驱动电阻下 DS 电压波形傅里叶分析图

因此, 驱动电阻的选取必须折中。 这个值将在实际设计操作中进行把握确定。 此外, 折中 buck 电路的驱动设计针对本毕设要求应该是合理的,但若输入电压进一步加大, 范围进一步拓宽,则这种设计就又不适用了。 综合以上的分析,本种设计思路是不适合的。 设计方案 2:采用 NMOS 作为开关器件,采用下图 4-3 和图 4-4 所示的驱动电路。 这两个图是被提出的针对低压应用、宽电压应用、双电压应用都相对比较适用的结构。 在这三种场合,图腾柱结构不能满足需求,而现成的驱动芯片也没有包含门级电压的限 制。但图 4-5 和 4-6 都比较复杂,在实际应用中还需要很多改进,不好调试。

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图 4-5 驱动电路设计方案 2

图 4-6 驱动电路设计方案 3

:设计方案 3:采用自举电路。如下图 4-7 所示,增加二极管、L2、C3,以提供一个 在 MOS 导通期间保持足够的、相对 S 脚的驱动电压,其中,二极管正向为电容充电, 反向保证电容电压不变,电感 L2 是为了保证 buck 拓扑不高频短路,要远大于 buck 电 感,C3 的大小要稳定驱动电压就可以了。

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图 4-7 驱动电路设计方案 4

基于此原理,一些公司开发出了相应的高压门极驱动芯片,一般用于半桥变换器的 高低侧驱动,其工作示意图如下图 4-8 所示。要求对自举电路反复充电放电,因此在占 空比和导通时间上会有一定的局限性。关键在于对自举电容、门极开通电阻和关断电阻 的选取。

图 4-8 高压门级驱动芯片自举电路示意图

综合以上几种设计方案,方案 1 效率低,开关响应慢且损耗大,不可行;方案 2 适 应性强,但结构比较复杂,实际调节较麻烦,相比而言,方案 3 更为简便,且相应的驱 动芯片已将复杂的电路部分集成化,体积更小,效率也比较高。因此,在本设计中,选 取方案 3。 4.2.4 检测电路设计方案
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要对 buck 电路实现控制,需要检测其负载侧电压和电感电流,实现闭环控制。在 本设计中,电压采样通过输出电压经过运放将电压精确缩小到 MSP430 单片机 AD 口可 以检测到的值,放大器设计为高阻抗输入低阻抗输出起到隔离的作用。电流检测采用了 20mΩ 康铜丝,并且用单电源仪表放大器 INA118 对采样电压信号进行放大,以提高精 度。如下图 4-9 所示为电压检测电路图,图 4-10 所示为电流检测电路图。

图 4-9 电压检测电路图

图 4-10 电流检测电路图 整个系统的设计思路如下图 4-11 所示。

图 4-11 系统设计思路

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宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究

第 5 章课题研究所需软件介绍
总体来说,本课题研究过程中所需要的软件有:matlab 或 Pspice 仿真分析软件; protues 电路板设计软件和相应的嵌入式编程软件。 5.1 matlab 软件 simulink 仿真介绍 SIMULINK 是一个对动态系统(包括连续系统、离散系统和混合系统)进行建模、 仿真和综合分析的集成软件包,是 MATLAB 的一个附加组件,其特点是模块化操作、 易学易用, 而且能够使用 MATLAB 提供的丰富的仿真资源[14]。 在 SIMULINK 环境中, 用户不仅可以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响,而且也可 以在仿真进程中改变感兴趣的参数,实时地观察系统行为的变化。因此 SIMULINK 已 然成为目前控制工程界的通用软件, 而且在许多其他的领域, 如通信、 信号处理、 DSP、 电力、金融、生物系统等,也获得重要应用[19]。 Simulink 的模块库有两部分组成:基本模块和各种应用工具箱。 在 simulink 中创建系统模型的步骤: ① 新建一个空白的模型窗口(只有在模型窗口中才能创建用户自己的系统模型) 。

方式是:依次单击 simulink 模块库浏览器的“File”菜单 New Model,将弹出一个如 图 5-1 所示的模型窗口。 ② 在 simulink 模块库浏览器中,将创建系统模型所需要的功能模块用鼠标拖放到

新建的模型窗口中,如图 5-1 所示。

图 5-1 模型窗口示意图
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③ ④

将各个模块用信号线连接,设置仿真参数,保存所创建的模型(后缀名.mdl) 。 点击模型窗口中的 按钮,运行仿真。

仿真时需根据情况选择相应的算法,设置仿真参数。在仿真前必须对模型的仿真参 数进行相关的设置才能保证仿真的有效性。在模型窗口中依次点击顶层菜单 Simulation?Configuration Parameters,弹出如下图 5-2 所示对话框:

图 5-2 仿真参数设置界面

5.2 protues 软件 Protues 软件具有一个功能强大的 ISIS 原理图布局工具,以及 SPICE 仿真和 PCB 板 设计,并提供了丰富的资源: 1)Protues 仿真元器件包括 30 多个元件库:仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器 件。 2)Protues 仿真仪表资源:示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、 信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。 3)除了现实存在的仪器外,Protues 还提供了一个图形显示功能,可以将线路上变化的 信号,以图形的方式实时地显示出来,其作用与示波器相似,但功能更多。这些虚拟仪 器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减 少了仪器对测量结果的影响。 4)Protues 调试 Protues 提供了比较丰富的测试信号(模拟信号和数字信号)用于电路的 测试。

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软件仿真: 支持当前的主流单片机,如 51 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列、68000 系列等。 1)提供软件调试功能 2)提供丰富的外围接口器件及其仿真 3)提供丰富的虚拟仪器 4)具有强大的原理图绘制功能 在 PROTUES 绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码文件: *.HEX ,可在 PROTUES 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 5.3 IAR 编译器 本设计拟使用 MSP430,内置 A/D 为 10 位,为 16 位单片机,基本可以满足题目需 求。编译器采用 IAR 编译器,其 C 编译器 IAR Embedded Workbench 支持众多知名半导 体公司的微处理器,应用在各种领域中。下面针对嵌入式系统开发过程中,如何用 IAR 建立、配置、编译和下载进行简要介绍,如图 5-3 至 5-7 所示。

图 5-3 新建工程图 5-4 新建分组图 5-5 新建文件

图 5-6 将文件添加进工程
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图 5-7 工程配置图

图 5-8 link 属性配置

其他如代码的编写、调试、链接等都很简单,在此不再赘述。

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第 6 章论文主要工作和重点难点
基于前几章的分析,对本课题进行的基本原理、拓扑结构、使用工具都有了一定的 了解。在此,分析列出本设计进行的主要工作和重点难点并给出课题研究计划。 6.1 论文重点难点 整体来说, 需设计整流器将交流市电整流为要求输入的 36V~72V 范围, 设计滤波电 路, 其次, 设计 DC/DC buck 变换器, 实现输出 12V 直流电, 并进行滤波。 详细工作为: ? 在 simulink 软件或 saber 软件上搭建仿真模型, 实现要求效果, 并确定电感、 电容、变压器等各参数值,确定选型。 ? 通过 Autium designer 软件绘制电路板,进行焊接 ? 编写控制算法,根据文献调研,拟采用电压外环反馈、电流内环反馈,内环 频率为外环的 N 倍。 ? 在硬件搭建和软件设计的基础上进行调试、优化。 课题进行的重点难点在于:宽电压范围输入的同时,对效率和控制的要求;当输入 电压从 36V 向 72V 变化时,对扰动的响应和消除;整个系统对电磁干扰的抗扰处理和 设计;控制算法的优化。 6.2 课题研究计划 ? 3 月 25 号--4 月 10 号完成主电路、控制电路、驱动电路、反馈电路等的设 计,并进行仿真。 ? 4 月 10 号--4 月 30 号完成 PCB 板的绘制和焊接,软件基本框架搭建完成 ? 4 月 25 号--5 月 15 号编写控制算法,调试系统 ? 5 月 15 号--6 月 1 号完成毕业设计论文的书写,准备答辩

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参考文献
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