综合实训技术报告-DC-DC电源变换器的设计与制作.doc

南京工业职业技术学院实训技术报告dc-dc电源变换器的设计与制作 综合实训技术报告 姓名： 学号：班级：电子1011班 指导老师： 提交日期：2011年12月28日目录第一章：概要3第二章: 技术要求、技术参数4第三章: 原理图设制6第四章: 元器件的选择7第五章: 封装、pcb板17第六章：应用范围、发展趋势21第七章：致谢22第八章：参考文献23第九章：附录25第一章：概要dc-dc电源变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被应用于无轨电车，地铁列车，电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳，快速响应的性能，并能同时收到节约电能的效果。开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主要地位，为了以更低的功耗获得更高的速度和更加的性能，半导体器件正在向1v工作电压发展，这也对dc/dc变换器提出了更高的要求。除了需要增添更多的功能外，还需要延长电池的寿命，并缩小系统体积。目前仍以pwm型dc/dc产品为主流产品。dc-dc变换器是通信设备中最常用的功能电路之一，其质量和效率直接影响通信设备的正常运行。本设计采用功能完善的mc34063控制芯片，设计了dc-dc变换电路，完成从40v3v的电压变换，为载波机提供了较为理想的直流电源。具有电路简单，调试方便的优点。本设计对一种新颖的dc/dc变换器的设计和实现进行了论述，设计实现了输出为12v/0.1a和3.6v/0.5a的集成dc/dc变换器mc34063。第二章：技术要求，技术参数dc-dc电源变更换器技术要求：12v/2a开关切换开关电源28v/0.2a5v/0.8a线性电源5v/1a3.3v/0.5a2v/9vdc-dc电源变更换器技术参数：1.纹波 2.vpp 3.电压调整率 4.负载调整率 5.效率设计技术指标要求:在输入电压为340v的条件下:本设计输入电压选择3v。a.输出电压为12v时，输出电流为100ma ；输出电压为3.6v时，输出电流为500ma。b.振荡频率10hz100khz，本设计振荡频率选择20 khz。c.电压调整率1%（输入电压范围为340v）。d.负载调整率1%（输入电压3v下，空载到满载）。e.纹波电压（峰峰值）100mv，本设计选择40mv.设计电路要求:此设计在输出电流、高效率、小型化，输出电压的要求：1.需求的输出电流较小，可选择fet内置型；输出电流需要较大时，选择外接fet类型。2.关于效率有如下考虑：如果需优先考虑重负荷时的纹波电压及消除噪声音，可选择pwm控制型；如果同时亦需重视低负荷时的效率，即可选择pfm/pwm切换控制型。3.如果要求小型化，则可选择能使用小型线圈的高频产品。通过使用高效率的产品，相对可使用较低电感值的线圈。即使用小型线圈，即使用的是小型线圈也可得到相同的效率及输出电流。但是因为当dc/dc变换器高频化后由于开关次数随之增加的原因。开关损失也会增大，从而导致效率会有所降低。因此效率是由线圈性能提升与开关损失增加两方面折中决定的。线圈：如果追求高效率，最好选择直流电阻和电感值较小的线圈。但是如果电感值较小的线圈由于频率较低的dc/dc，就会超过线圈的额定电流，线圈会产生磁饱和现象，引起效率恶化或损坏线圈。而且如果电感值太小，也会引起纹波电压变大。所以在选择线圈时，则流向线圈的电流不要超过线圈的额定电流。4.在输出电压方面，如果输出电压需要达到固定电压以上，或需要不固定的输出电压时，则可选择输出可变的vdd/vout分离型产品。5.有力的技术支持工具。技术支持的方式为2部分：一部分为硬件，包括提供评估线路、外接组件支持；另一部分为提供一些摸板软件以便在实际测试前可以做出评估，节省设计时间。采用该dc/dc变换器作为主变换电路的直流开关电源具有以下特点：1. 变换电路结构简单，具有明确的工作模式，易于实现模拟或数字控制。2. 具有升降压和反转功能，正负极性输出，源效应好，能适应大范围的输入电压变化。3. 仅有一个储能电感，具有可靠性好、效率高、体积小及重量轻等特点。4. 适用于飞轮储能、电动机制动再生能量回馈、风力发电等直流母线电压变化范围大且需进行直流变换处理的中小功率应用场合。第三章：原理图设制第四章：元器件选择dc-dc电源变换器的元器件的选择一、三个元件：（1）、开关：无论哪一种dc/dc变换器主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小，目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有igbt管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。（2）、电感:电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因此理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续性”，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题，多数情况下，电感工作在线性区，此时电感值为一常数，不随端电压与流过的电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起的两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的；其二是分布式杂散电容，随绕线工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随频率提高而渐显出来，到一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容集成为一个，则从电感的等效电路可看出在一角频率后的电容性。（3）、电容：电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件。但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具平滑电压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引线，形成一个等效串联内电阻esr。这种等效串联内电阻在开关电源中小信号控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电路器滤波效果时非常重要。有时加大电容值并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻与接点和引出线有关，也与电解液有关。常见铝电解电容的成分为al2o3，导电率比空气的大七倍，为了能提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大，加入的电解液可在凸凹面上流动。普通的铝电解电容在高频脉动电流大幅度增加下，高频阻抗温度上升较大，成了开关电源长寿命的瓶颈。所谓好电容耐反波电流，耐温升，esr值小。电容电解液受温度影响，温度升高，电阻减小，即电容串联电阻减小，则是理想的。温度升高，等效串联电阻加大，导致电容寿命减短，这是普通铝电解电容的缺点。为改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将 其干燥形成固体式电解质电容，即“钽电容”。二、器件选择要点：只如果外接开关管，最好选择开关三极管或功率mos 管，注意耐压和功耗。如果开关频率很高，电感可选用多线并绕的，以降低趋肤效应的影响。续流二极管一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管，但要注意耐压。如果输出电压很小(零点几伏)，就必须使用mos管续流。输出滤波电容一般使用高频电容，可减小输出纹波同时降低电容的温升。在取样电路的上臂电阻并一个0.11f电容，可以改善瞬态响应。电源设计的器件选择需要注意以下几点：（1）选择设计灵活性較大的dc/dc变换器，扩大电路设计的范围。 （2） 低消耗电流、高效率可延长电池的使用寿命。 （3） 可使用小型的外接元器件，实现产品小型化。 （4）有力的技术支持工具。三、元器件的选用：因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器失效主要集中在以下四个方面。质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不符合的可以通过严格的检查加以剔除，在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品。(1)元器件可靠问题:元器件可靠性问题，即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：a.电阻在湿温下按技术条件进行100%的测试，剔除不合格品。b.普通电容器. 按技术条件进行100%的测试，剔除不合格品。c.接插件按技术条件抽样检测各种参数。d.半导体器件按以下程序进行筛选：目检、初测、高温储存、高低温冲击、电功率老化、高温测试、低温测试、常温测试。筛选结束后应计算剔除率：=n/n*100%式中：n受试样品总数； n被剔除的样品数。如果超过标准规定的上限值，则本批元器件全部不准上机，并按规定处理。(2) 设计问题:首先是恰当地选用合适的元器件：a.尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。b.开关管选用mosfet能简化驱动电路，减少损耗。c.输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。d.应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器 件e.集成电路必须是一类品或符合mil-m-38510、mil-s-19500标准封装b-1 以上质量等级的军品。f.设计时尽量少用继电器，确有必要时选用接触良好的密封继电器。g.则上不选用继电器，必须保留的应进行固封处理。h.吸收电容器与开关整流管的距离应当接近，因流过高频电流，鼓易升温， 所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。i.多采用集成电路，减少分离器件的数目。(1)如何选择电感: dc-dc变换器的本质是将电能以磁通量的形式储存在电感中，然后再将该能量转移到负载上。正因为储存的是磁通量，而不是充电电荷，所以只要选择恰当的开关策略，就能使输出电压比输入电压高、低或者极性相反。为实现高效的能量转移，配合mc34063使用的电感应该满足三个要求：首先，电感的感应系数应当很小，以保证在最差情况下(输入电压最低、功率开关打开的时间最短)电感中能存储到足够的能量，但感应系数也不是越小越好，因为还要保证在另一极端情况下(输入电压最高、开关打开时间最长)mc34063及电感的最大(开关)电流指标不至于被突破；其次，电感必须能够存得下需求的磁通量，也就是电感不能进入饱和状态。在基于mc34063的常规设计中，可以使用铁氧体工艺制造的可表面贴装的小型电感，只要它们满足饱和电流为300ma1a，同时直流电阻小于0.4的条件；最后，电感的直流电阻越小越好，以保证电感线圈不会消耗过多的能量，因为这会使电感产生过多热量。在选用电感时还应考虑到电磁干扰的问题，一般圆弧形状的电感对减少电磁干扰有比较好的作用。还有一点也是最重要的，就是在选择电感前一定要先确定整个电源电路的输入电压、输出电压、输出电流的最小值和最大值。a.在升压变换器设计中如何选择电感 在一个升压变换器中，电感中存储的能量如下式所示： pl=(vout+vd-vin min)(iout) 式中，vd是二极管的压降(对1n5818肖特基二极管来说是0.5v)。为保证变换器能调整输出电压，每个周期中由电感提供的能量必须不小于： e7 pl/fosc 其中fosc即为lt1111内置振荡器的固有振荡频率72khz。当开关关闭时，电感中的电流可由下式表示： 其中r表示功率开关的等效电阻(25时的典型值为0.8)与电感直流电阻的和。如果功率开关上的压降和vin相比很小，则可得到一个简化的公式： 上面这个公式假设的前提是t=0，而且电感中的电流为0。这种情况的电感工作于“不连续模式”，因为电感中的电流被我们假设为0了。实际上，电感中的电流是不可能突然降至0的。将t的取值改为mc34063参数表中所示的开关打开的时间(典型值为7s)，就可以求出针对某个特定的l值和vin的ipeak值。求出ipeak值后，在开关即将关闭前电感中存储的能量就可以用下式求出： 式中，el的值必须大于pl/fosc以保证变换器能传递(或者说转移)需求的能量。为提高效率，ipeak值必须保持在1a以下，更高的开关电流只会导致开关上的压降增加而使总的效率降低。总之，开关电流应尽可能小，这样会使开关、二极管及电感上的损耗也会相应低一些。 b. 正压变负压的设计如何选择电感 所有的输出功率都来自电感l1。这时： 在这种变换器模式下，功率开关被接成共集电极接法(与降压模式相同)。功率开关上的压降可以等效为一个0.75v的电压源和一个0.65电阻的串联电路。当开关关闭时，电感中的电流可以表示为： 其中r为电感的直流电阻值加上0.65，而vl为输入电压vin减去0.75v。 2） 如何选择电容 选择合适的输出电容和选择合适的电感同等重要。如果这个滤波电容选择得不好，那么变换器的效率可能会降低，输出纹波也有可能比较大。我们通常使用的普通铝电解电容，虽然比较便宜而且容易买到，但它的等效串联阻抗(esr)和等效串联电感(esl)的特性都比较差，不适合配合mc34063使用。市场上有专为开关式的dc-dc变换器设计的esr值较小的铝电解电容，它们的特性比普通的铝电解电容好很多，特别是esr值可以做得很小。钽电容的特性也非常好，只是价格比较高。通过实验得知，在基于mc34063的变换器中，使用上述三种容量均为100f的电容(假设变换器的最大开关电流为500ma)，不同的电容表现是不一样的。使用普通铝电解电容的变换器的输出过冲最高达到120mv，而使用专用铝电解电容及钽电容的变换器的输出过冲最高就只有35mv左右。 设计工程师应该充分利用ilim特性来降低输出纹波的幅值。以变换器工作于连续模式为例，如果是升压变换器，其连续工作模式的条件是： 一旦输入、输出电压满足上式的关系，在开关关闭时电感的电流就不会回到零。而等到开关再次打开时，电感中的电流将从这个非零值开始增长。电感中的电流在比较器关闭振荡器之前已经增长到一个相当高的值了，这个较高的电流值将会造成输出纹波过大，这显然需要更大的输出滤波电容和电感来抑制。不过，由于有了ilim特性的支持，开关电流可以在到达一个用户预先设定的值处触发功率开关关闭。这样，输出纹波就能减小到最小的程度，对输出滤波电容的要求也就会低得多。 3） 如何选择二极管在mc34063的应用中，选择箝位二极管时必须遵循的三条准则包括开关速度、正向导通时的压降、漏电流。我们通常用来作整流器的二极管，如1n4001是绝不适于开关型电压变换器的，它们的额定电流虽然可以达到1a，但开关时间却长达10s50s，这是不可接受的。如果用户使用这种整流管，那么变换效率将受到严重影响，甚至完全不能工作。 大多数mc34063的应用电路中可以使用1n5818肖特基二极管，或是它的可表面贴装的互换型号mbrs130t3。1n5818在通过1a电流的情况下，其正向导通时的压降为500mv，1n5818的开关时间较快，漏电流只有4a10a，这使得1n5818比较适合mc34063的需要。如果变换器的最大开关电流不超过100ma，那么用户也可以选择1n4148，这种二极管在25时的漏电流只有1na5na，而且比1n5818更便宜，只是它的通过电流较小，因而不允许在1a的开关电流下工作。（dc电路） 第五章：封装，pcb板dc-dc电源变换器的封装pcb板pcb布局和布线的要点:（1）开关导通和关断都存在一个电流环路，这两个环路都是高频、大电流的环路，所以在布局和布线时都要将此二环路面积设计得最小。用于反馈的取样电压要输出电容上引出，并注意芯片或开关管的散热。（2）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。（3）dc/dc变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。1. 直流电源插座d2.1 2. 1n5822 3. 立式功率电阻0.5w 4. 四芯接线柱 5. 船型开关1x2 6. 拨位开关2x37. 带散热器to-2208. 功率电阻 rx27-5w 9. 保险丝5x20_3a10. 电感pcb板:第六章：应用范围、发展趋势（1） dc/dc变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。（2）dc/dc变换器是一种能高效地实现直流到直流功率变换的混合集成功率器件，主要采用了高频功率变换技术，即将直流电压通过功率开关器件变换成高频开关电压，且输入与输出之间完全隔离。该产品主要应用于航空、航天、通信、雷达、以及其他所有采用分布式供电体系的领域。其主要发展方向是：采用多芯片组件技术和新型高导热基板（如ain金刚石和金属等），进一步提高功率密度（3w/cm3以上）和输出功率（达200w以上），工作频率达1mhz，效率为90%以上，实现多路智能化混合集成dc/dc变换器组件。（3）直流-直流变换器（dc/dc）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，dc/dc可分为750w以上、750w1w和1w以下3大类。进入20世纪90年代，dc/dc变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6w25wdc/dc变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，dc/dc变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251w750w的dc/dc变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，dc/dc变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。第七章：致谢本次实训在老师的悉心指导与帮助下顺利的完成，在实训的分析与实践中老师们都给予了细心的指导，老师不紧指导我们学习专业知识，也教会了我们用科学的思维方式和方法发现问题，解决问题。对我们以后的学习和工作起到了很好的指导作用。在这次毕业设计中参阅和引用了有关电子报刊、杂志的技术资料，在此向有关厂家和作者表示衷心的感谢；本设计中还引用了有关dc/dc变换器中所用的mc34063的资料，对那些提供资料的老师表示深切的谢意；另外，对指导我们毕业设计的老师给予我们的帮助和指导表示衷心的感谢。第八章：参考文献1. 张占松,蔡宣三开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社,19982. 周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用.北京：人民邮电出版社，20033程勇，刘纯悦.实用纹压电源.福建：福建科学技术出版社，20034. 沙占友等.新型单片开关电源设计与应用技术.北京：电子工业出版社，20045. 郑国川，李洪英.实用开关电源技术.福建：福建科学技术出版社，20046. 王增福，李等.新编线性直流稳压电源.北京：电子工业出版社，20047. 何希才.新型开关电源设计与应用.北京：科学出版社，20018. 黄正瑾.电子设计竞赛赛题解析.江苏：东南大学出版社，20039. 王水平，田庆安，郭少伟等.pwm控制与驱动器使用指南及应用电路.西安：西安电子科技大学出版社，200410. 苏海滨.电力电子技术.北京：高等教育出版社，200411. 杨振江，蔡德芳.新型集成电路使用指南与典型应用.西安：西安电子科技大学出版社，199812. 曲学基，王增福，曲敬铠等.稳压电源基本原理与工艺设计.北京：电子工业出版社，200413. 周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用. 北京：人民邮电出版社，200514. 沙占友. 单片开关电源最新应用技术. 北京：机械工业出版社，200215. 阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术.北京:科学出版社,2000.116.soft-switching pwm converters.ieee trans.power electron,current switching17.motorola inc.mc34063a dc-dc converter control circiuts motorola inc：,1996第九章：附录1.芯片tda2003tda2003电流输出能力强,谐波失真和交越失真小,各引脚都有交,直流短路保护,使用安全,负载上电压可冲至40v.，最大额定值 tamb=25，电源峰值电压(50ms) vccp 40 v，直流电源电压 vcc 28 v，工作电源电压 vcc 1