20v输出dc-dc开关电源的设计与制作(编辑修改稿)

20v输出dc-dc开关电源的设计与制作(编辑修改稿)内容摘要：

小于输入电压 Ui： UiUo  ， Tton/。 Uo 为输出电压 ， Ui 为输入电压， T 为开关管的导通周期 ， Ton 为开关管一周期的导通时间。 图 Buck 变换电路 工作原理： 当 VT 导通时，输入电源 经 过 L 平波和 C 滤波后向负载提电 ；当VT 断 开 后， L 通 过二极管 来 续流， 使负载端的电流不断开， 保持电流连续。 特点：输出电流是脉动的，只能用于降压， 一般输入端 需要一个滤波器 ， 适用于大电流、中功率 配置。 BuckBoost 变换器 BuckBoost 变换器，如图 所示 ， 也称升降压变换器。 输入 电压极性与 输出电压极性相反，可升压 ， 可降压。 输出电压 Uo 和 输入电压 Ui 的 数量关系为：)1/(   UiUo ， Tton/。 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 5 图 BuckBoost 变换电路 工作原理：在 VT 导通时，电流 经 过电感 L， L 储存 电能。 当 VT 断 开 时，电感向电容充电，同时向负载 端 放电。 特点：由于来自电压源的电流及经过二极管送到输出部分的电流 均 是脉动的，所以 很难 控制其传导的电磁干扰（包括各种开关瞬 间 变 化 ），一般用于几 A 的功率电源。 Cuk 变换器 Cuk 变换器， 所 示， 也称串联变换器。 输入 电压极性与 输出电压极性相反，即 可升压 ，又 可降压，输出电压 Uo 和 输入电压 Ui 的 数量关系为：)1/(   UiUo ， Tton/。 图 Cuk 变换电路 工作原理：在 VT 导通时，二极管 VD 反偏截止， 此 时电感 L1 储 存电 能； C1的放电电流使 L2 储能，并向负载 提 供电 流。 在 VT 断 开 时， VD 正偏导通，这时输入电源和 L1 向 C1 充电；同时 L2 的释 放 能 量的 电流将维持负载 端的 电流。 特点：电路 相对来说比较 复杂，但 是 纹波 的情况 得到改善，可用于高达 kW级甚至更高功率。 降压型 DC/DC 开关电源工 作原理 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 6 DC/DC转换是 将一 个 直流电压变换成另一 个稳定 的 或者 可调 的稳定 直流电压的过程，完成这一 转换过程 的电路称为 DC/DC 转换器。 根据输入与输出电路 之间的关系， DC/DC 转换器 可以分成两种： 非隔离式 与 隔离式。 降压型 DC/DC 开关电源 是 非隔离式的。 利用单端反激拓扑结构可以实现固定电压输出，但是不能实现可调电压输出。 想 要输出 电压可调 ， 需要 利用降压斩波电路 ，把 较高的直流电压变 成 较低的直流电压。 Buck 降压斩波电路可以实现这一功能，通过调节控制脉冲可以方便的调节输出电压，降压式 DC/DC 变换器基本工作原理电路如图 所示。 图 降压式 DC/DC 变换器基本工作原理电路 其中， VT 为开关 管 ，控制电路决定 着 它的导通 或者 关断； 电感 L 和 电容 C为滤波元件。 当 VT 导通时，输入电压 Ui 通过电感 L 向负载 R 提 供电 流 ， 同时输入电压 也 在 向电容 C 充电。 此 过程中， C 及 L 中储存能量。 VT 断开 时， L 中的电能 继续向 负载 R 提 供电 流 ，当输出电压 Uo 要 减小 时， C 中的能量也向 R 提供电 流 ， 由此来 维持输出电压不变。 二极管 VD 为续流二极管，以便构成电路回路。 输出电压 被 R1 和 R2 分压， 同时把 输出电压的信号反馈 到 控制电路，由控制电路控制 改变 VT 的 占空比 ， 由此实现输出稳定的 输出电 压。 为了 让 负载电流连续 不断开并 且 让 脉动小 一些 ， 一般 串联 L 相对 较大的电感。 等到 一个周期 T 完结 ，再控制 VT 导通， 循环 上一周期 T 的 过程。 当电路 运行处 于稳 定状 态时， 一个周期内的 负载电流 的初 值 等于 终值。 负载电压平均值 : ioni UTTUU   /0 (21) 式 21 中 onT 为 VT 处于导通的时间 ， T 为开关管控制信号的周期 ， Uo 为输出电压，南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 7 Ui 为输入电压。 α为 控制信号的占空比。 该式可以看出， α最大为 1，减小 α， Uo总是 小 于 Ui， 所以， 称 之 为降压型 DC/DC 转换器。 负载电流的平均值为： RUI /00 (22) 图 负载电流断流时波形 如果 负载中 的 电感值 比 较小，则 开关 管断 开 后， 负载电流会在一个周期内 出现断 流 的情况 ， 因此降压 型 DC/DC 开关电源有 两种工作模式，分别是 非连续电流模式（ DCM） 与 连续电流模式（ CCM)，波形图如图 与图 所示。 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 8 图 负载电流连续时波形 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及 硬件选型 9 第三章 方案设计及硬件选型 设计要求 研究开关电源的工作原理，基于模拟电路或单片机技术实现一款 20V 输出DCDC 型开关电源，要求设计出电路方案，利用仿真平台验证方案的可行性，并制作实物样机。 功能需求： DCDC 开关电源输出电压 20V，并数码显示输出电压。 性能参数： 开关电源最大输出功率不小于 10W。 利用数码管或液晶屏显示输 出电压。 输出电压纹波不大于 100mv。 整体设计方案 由 220V 交流电压经 变压器和 整流滤波后得到直流的输入电压 24V；将输入电压 输入 Buck降压 电路， 由 控制电路提供 PWM控制信号控制 开关 管 的导通与截止 ，用来 调节直流电压的占空比， 最后得到稳定或者可调的直流输出电压。 输出电压范围为： 0V 至 20V 直流电压。 图 整体设计框图 通过对输出电压的采样，比较和放大，来调节脉冲的宽度，最后达到输出稳定的直流电压的目的。 同时采用 A/D 转换器将输出电压送 LED 数码管进行显示。 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及 硬件选型 10 LM358 LM358 简介 LM358 是双运算放大器。 LM358 内部有两个独立的 ， 内部频率补偿 ， 高增益的双运算放大器，电压范围 比较 宽的单电源 比较适合 使用， 亦或是 双电源。 在 正常 的工作条件下，电源电流与电源电压 没有联系。 它的使用范围 有 :音频放大器 ，直流增益模组 ， 传感放大器 ， DC 增益部件 ， 工业控制和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 图 塑封引脚图引脚功能 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及 硬件选型 11 图 内部电路原理图 IR2103 IR2103 简介 半桥驱动器 IR2103 是高电压，高速功率 MOSFET 和 IGBT 的驱动与依赖的高和低侧参考输出通道。 专 门 的 HVIC 和 无影响锁存 CMOS 技术 确保了单块集成电路结构的耐用。 逻辑输入与标准 CMOS 输出或输入通道兼容，下降到 逻辑。 输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级设计的最小驱动器交叉传导。 悬浮 通道可以驱动高侧的配置高达 600V 的功率 MOSFET 或者 IGBT。 图 典型连接 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及 硬件选型 特点：交叉传导预防逻辑 ， 栅极驱动电压范围 为 到 ， ， 和 的逻辑兼容 ， + 的负瞬态电压 DV/dt 免 疫 ， 匹配的两个通道的传播延迟 ， 内部设置死区时间 ， 相高侧输出显 HIN input， 低端相输出 OUT 与 LIN 输入。 IR2103(S)功能框图 功能框图 IR2103 引脚图 IR2103 引脚图 STC12C5A60S2 单片机介绍 STC12C5A60S2 单片机简介 在 许多 的 51 系列 单片机 中，要算国内 STC 公司的 1T 增强系列 最 具有竞争力，和 传统 8051 指令、管脚完全兼容，而且 STC 单片机 允许编写 串口程序 ， STC 单片机 对 于 开发 的 设备 基本没什么 要求，开发 的 时间 也不需要太多。 写入单片机 里面 的程序 还会有 加密 保护 ， 让开发人员不用担心劳动成果被窃取。 STC12C5A60S2 属于 8051 系列单片机，与普通 的 51 单片机 对 比有以下 几个南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及硬件选型 13 特点： 有 WATCH_DOG。 有 8 路 10 位 AD。 有 PWM 控制 功能 ，比普通的 51 单片机 多两个定时器。 有 EEPROM。 有 SPI 接口。 相比 51 单片机 有 1K 的 内扩 RAM。 同样晶振的情况下，速度是普通 51 单片机 的 8~12 倍。 多一个串口。 IO 口可以定义，有四种状态。 中断优先级有四种状态可定义。 单片机的内部结构 STC12C5A60S2 单片机中 有 SPI 接口 ， 片内 R/C 振荡器 ， 看门狗 ， 定时器 ，UART 串口 ， 外部晶体振荡电路 ， 串口 2， I/O 接口 ， 高速 A/D 转换 ， 程序存储器(Flash) ， PWM/PCA ， 数据存储器 (SRAM) 及 中 央 处理 器 (CPU) 等模块。 STC12C5A60S2 单片机几乎 包括 了数据采集和控制中 需要用到 的所有模块，可 以看做 一个片上 小 系统。 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及硬件选型 14 图 2STC12C5A60S2 单片机的内部结构框图 图 管脚图 STC12C5A60S2 单片机的 A/D 转换器 A/D转换器结构： STC12C5A60S2的 A/D转换口在 P1口 ()，有 8路 10位南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第三章 方案设计及硬件选型 15 高速 A/D转换器 ， 速度可 以 达到 250KHz。 8路电压输入型 A/D，可做频谱检测 ， 电池电压检测 ， 按键扫描 ， 温度检测等。 上电复位后 ， 弱上拉型 I/O口 为 P1口 ， 如若要 将 8路中 的 一路设为 A/D转换，可 使用 软件设置 ，而其他剩余 的口可继续 用作 I/O口。 图 STC12C5A60S2单片机 ADC的结构图 STC12C5A60S2单片机 ADC内部存在多个单元，包括 比较器 ， 转换结果寄存器 ，多 路选择开关 ， 10位 DAC和 逐次比较寄存器 所 构成 的。 南昌大学共青学院毕业设计（论文） 第四章 系统电路设计 第四章 系统电路设计 整流滤波电路 图 整流滤波电路图 220V 交流电压 通过电源变压器 变为 24V 交流电压。 24V 交流电压 经过整流滤波电路转换成 24V 直流电压。 最终 220V 的交流输入电压变为 24V 直流输入电压进入 DCDC 转换电路中。 BUCK 主原理电路 图 BUCK 原理电路图 BUCK 电路图如图 所示， C13 为输入滤波电容， TV1 为开关 MOS 管， VD1为续流二极管， L1 为电感， C15 为输出滤波电容， R22 、 R21 为输出电压的采样电阻， R23 为输出电流采样电阻，该电路图是通过 PWM 波控制 T。