開關電源boost電路課程設計.doc

電氣與電子信息工程學院 課程設計報告設 計： 電力電子裝置設計與制作 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 班 級：2011級電氣工程及其自動化專升本班 學號： 姓 名： 指導教師： 設計時間： 2012/12/032012/12/14 設計地點： K2-電力電子實驗室 完成時間：2012年12月14日電力電子裝置設計與制作程設計成績評定表姓 名 學號201120210107專業(yè)班級課程設計題目：電力電子裝置設計與制作成績評定及依據(jù)：1. 課程設計考勤情況（20%）：2. 課程設計答辯情況（30%）：3. 完成設計任務報告規(guī)范性（50%，其中直流系統(tǒng)部分占60%，交流部分占40%）：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）： 指導教師簽字： 電力電子裝置設計與制作課程設計任務書 20122013學年第一學期學生姓名： 專業(yè)班級：指導教師： 工作部門： 一、課程設計題目：電力電子裝置設計與制作二、課程設計內(nèi)容根據(jù)題目選擇合適的輸入輸出電壓進行電路設計，在Protel或OrCAD軟件上進行原理圖繪制；滿足設計要求后，再進行硬件制作和調(diào)試。如實驗結果不滿足要求，則修改設計，直到滿足要求為止。設計題目：開關直流升壓電源(BOOST)設計主要技術指標：1）輸入交流電壓220V（可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在8-18V之間。3）輸出直流電壓10-25V，輸出電壓相對變化量小于2%。4）輸出電流1A。5）采用脈寬調(diào)制PWM電路控制。三、進度安排序號名 稱時 間1下發(fā)設計任務書，布置設計任務和設計要求、設計時間安排。一 天2掌握鋸齒波產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、控制電路的工作原理一 天3掌握穩(wěn)壓電源電路工作原理半 天4繪出原理框圖以及各部分電路的詳細連接圖一 天45學會借用電子線路CAD正確繪制電路圖；一 天6掌握焊接技術以及MOSFET、二極管、三極管等器件的檢測方法半 天7掌握電路的安裝與調(diào)試一 天8根據(jù)直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理設計電路圖一 天9了解電子電路板的制作過程半 天10學習電路原理圖及印制電路板圖的讀圖方法半 天11掌握穩(wěn)壓開關電源的檢測與調(diào)試一 天12書寫課程設計報告一 天四、基本要求1、獨立設計原理圖各部分電路的設計；2、制作硬件實物，演示設計與調(diào)試的結果。3、寫出課程設計報告。內(nèi)容包括電路圖、工作原理、實際測量波形、調(diào)試分析、測量精度、結論和體會。4、寫出設計報告：不少于3000字，統(tǒng)一復印封面并用4紙寫出報告。封面、課程設計任務書摘要，關鍵詞（中英文）方案選擇，方案論證系統(tǒng)功能及原理。（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）各模塊的功能，原理，器件選擇實驗結果以及分析設計小結 附錄-參考文獻 目錄引言21 升壓斬波工作原理21.1 主電路工作原理22 升壓斬波電路的典型應用43 設計內(nèi)容及要求631輸出值的計算74 硬件電路74.1控制電路74.2 觸發(fā)電路和主電路94.3.元器件的選取及計算105.仿真116結果分析147小結148.參考文獻14 引言近幾年來電力電子技術迅速的發(fā)展，高壓開關穩(wěn)壓電源已廣泛用于計算機、通信、工業(yè)加工和航空航天等領域。所有的電力設備都需要良好穩(wěn)定的供電，而外部提供的能源大多為交流，電源設備擔負著把交流電源轉換為電子設備所需的各種類別直流任務。但有時所供的直流電壓不符合設備需要，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為直流電變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在直流傳動系統(tǒng).、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被廣泛運用開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波能領域得到了廣泛的應用。直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點1 系統(tǒng)方案設計1.1 系統(tǒng)方框圖Boost電路又稱為升壓型斬波器，是一種直流- 直流變換電路,用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流電壓，實現(xiàn)能量從低壓側電源向高壓側負載的傳遞。整個系統(tǒng)包括BOOST主電路、為了更好的控制開關頻率，還增加了閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊和電壓反饋模塊。系統(tǒng)方框圖如圖1-1所示：圖1-1 系統(tǒng)方框圖1.2 boost升壓電路工作原理。在電路中IGBT導通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲能；當IGBT關斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷IGBT導通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關器件V的通斷周期，可以調(diào)整負載側輸出電流和電壓的大小。負載側輸出電壓的平均值為: （3-1） 式（3-1）中T為開關周期, 為導通時間， 為關斷時間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因:一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為開關處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。1.3boost升壓電路原理結構圖Boost升壓電路結構簡單，由直流電源、電感、電容、開關管、二極管以及負載。其基本原理結構如圖1-2所示： 圖1-3 Boost升壓電路結構圖2.電路參數(shù)的計算及元器件選型2.1 系統(tǒng)的要求本系統(tǒng)主要設計一個升壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路，輸入電壓10V，輸出電壓22V，最大電流1.5A，輸出電壓紋波為1%。2.2 TL494工作原理TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。其主要特性如下：TL494主要特征集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)止5V參考基準電壓源。可調(diào)整死區(qū)時間。內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅動能力。推或拉兩種輸出方式。TL494引腳圖如圖2-1所示：圖2-1 TL494引腳分布圖TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖2-2。圖2-2 TL494控制器時序波形圖脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結構，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當需要更高的驅動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494內(nèi)置一個5.0V的基準電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的070溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供5%的精確度。TL494內(nèi)部電路方框圖：2.3 開關頻率的計算振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：系統(tǒng)采用RC振蕩器參數(shù)值分別為R=10K，C=4700PF，通過上式計算得，f=23.4KHZ。2.4TL494的閉環(huán)調(diào)節(jié)如圖2-3所示，TL494的IN2通道與feedback引腳構成一個閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)。圖2-3TL494閉環(huán)調(diào)節(jié)2.4 電感值的計算由Boost的伏秒平衡，可得：又根據(jù)能量守恒，可得： (為CCM Boost電感的電流中心值) 當輸出最小負載，即，也就是Boost處于臨界狀態(tài)，可得：代入數(shù)據(jù)可得，L53uh選用綠色環(huán)形電感，取3倍欲量。根據(jù)公式算電感圈數(shù)：考慮欲量最后去圈數(shù)為9圈，測得電感值為515uH。2.5 二極管選型根據(jù)系統(tǒng)最大電流1.5A，可選取最大允許通過電流2A的二極管，本系統(tǒng)主要選擇FR207。3 系統(tǒng)總設計原理圖系統(tǒng)設計原理圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)總設計原理圖4 設計結果與分析4.1 測試工具泰克示波器TDS1012B雙路穩(wěn)壓電源CALTEKCA17305D數(shù)字萬用表DT92054.2 TL494輸出波形用示波器觸筆接TL494的9、10號腳的輸出波形為驅動MOS開關管波形，如圖4-2所示：圖4-2 MOS驅動波形 TL494的5、6號腳與外圍電阻電容構成一個RC振蕩器，為系統(tǒng)提供了比較基準源，示波器上顯示波形如圖4-1所示：圖4-1 比較基準波形圖4.3輸出紋波波形系統(tǒng)輸出紋波的產(chǎn)生主要由于Boost電路中的開關管的開斷以及電感電容的充放電，根據(jù)設置的電容值大小，最后輸出的紋波波形，測試時示波器采用交流擋測試，所測試的波形如圖4-3所示：圖4-3 輸出紋波波形4.4 電感輸出波形當開關管開通和關斷過程中，電感處的輸出波形與輸入波形有很大的區(qū)別，輸入波形為系統(tǒng)電源輸入波形，為直流波形。其波形如圖4-4所示：圖4-5 電感輸出波形5實驗小結 通過這次對降壓直流斬波電路的課程設計，我對斬波電路有了更加清晰的認識，同時也對驅動電路也有了更深刻的認識，另外，在做設計的過程中我也學會了用一些基本元部件進行建模的基本方法，加深了對課本知識的進一步理解。 同時這次課程設計應用到MATLAB軟件，設計時借助MATLAB軟件進行系統(tǒng)模型仿真，進一步熟悉了MATLAB語言及其應用，用該軟件對該電路進行分析，大大簡化了計算和繪圖步驟。同時該次課程設計。書寫課程設計說明書時使用WORD軟件，使我掌握了許多關于WORD編輯和排版技巧，提高了自身對一些基本軟件的應用技能。 總之，這次課程設計不僅增加了我的知識積累，讓我有機會將課堂上所學的電力電子理論知識運用到實際中，了解了這些知識在電源上豐富而強大的用途，為將來走進工作打下了基礎，還讓我懂得自主學習的重要性，還有做什么事情都要有恒心，有信心，動腦子