电气与电子信息工程学院《电力电子装置设计与制作》课程设计报告名称：开关直流降压电源（BUCK）设计专业名称：电气工程及其自动化班级： 14级专升本（1）班学号： 201420210125姓名：指导教师：南光群、张智泉、叶天凤课程设计时间： 2015年11月30日—12月10日课程设计地点：K2-414和K2-306实验室电力电子装置设计与制课程设计成绩评定表姓名学号201420210125指导教师签字：年月日《电力电子装置设计与制作》课程设计任务书2015～2016学年第一学期学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化14级专升本1班指导教师：南光群、张智泉、叶天凤工作部门：电气与电子信息工程学院一、课程设计题目：开关直流降压电源（BUCK）设计二、课程设计内容根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。
如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。
设计题目选：题目一：开关直流降压电源（BUCK）设计主要技术指标：1）输入交流电压220V（可省略此环节）。
2）输入直流电压在14-18V之间。
3）输出直流电压11V，输出电压纹波小于2%。
4）输出电流1A。
5）采用脉宽调制PWM电路控制。
三、进度安排四、基本要求1、独立设计原理图各部分电路的设计；2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。
3、写出课程设计报告。
内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。
4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。
○1封面、课程设计任务书○2摘要，关键词（中英文）○3方案选择，方案论证○4系统功能及原理。
（系统组成框图、电路原理图）○5各模块的功能，原理，器件选择○6实验结果以及分析○7设计小结○8附录---参考文献目录目录 0摘要 0Abstract 01 方案设计与论证 (1)1.1 总体方案的设计与论证 (1)1.2 开关管的选择 (1)1.3 模拟控制芯片的选择 (1)2 系统设计 (2)2.1 系统总体组成框图 (2)2.2 电路原理图 (2)3 功能及器件的选择 (3)3.1 主电路元器件的选择 (3)3.1.1 电感的选择 (3)3.1.2 输出滤波电容的选择 (4)3.1.3 MOSFET开关管的选择 (4)3.1.4 二极管的选择 (5)3.2 PWM控制的设计 (5)3.2.1 锯齿波的频率的计算 (5)4 仿真分析 (6)4.1仿真模型 (6)4.2 仿真结果及分析 (7)5 实物结果及分析 (9)5.1 实物图 (9)5.2 实物结果及分析 (9)6 设计小结 (14)参考文献 (15)摘要本次电力电子装置设计与制作，利用BUCK型转换器来实现14V-18V的开关直流降压电源的设计。
使用TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。
为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了推挽式放大电路。
另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态,采用模拟PI调节器实现对电路的快速调节作用，使系统稳定工作；TL494采用RC振荡电路来产生锯齿波来作为驱动信号的载波，控制开关管的开关频率。
关键字：降压电源推挽式放大电路开关频率AbstractThis Power electronic equipment design is used by BUCK t o catch the goal of 16V-8VSwitch dc step-down power supply design. Use TL494 as control chip output pulse signal to control the opening of MOS tube and shut off. In orderto make the MOS tube G pole and S pole separate, this de sign uses a push-pull amplifier circuit. In addition, the d esign also joined the feedback link to make the circuit mo re accurate and stable,PI analog regulator circuit for fast regulation of that system stability;TL494 RC oscillator circuit to generate a sawtooth wave as the carrier drive signal, control the switching frequency of the switching tube.KeyWord:step-down power supply push-pull amplifier circuit Switching frequency1 方案设计与论证1.1 总体方案的设计与论证方案一：采用低压线性稳压管（LDO）来设计电路。
其优点是输出波形稳定，噪音小，所以外部电路比较简单。
不足之处在于输入和输出电压的差值不能太大，效率较低，其负载电流相对较小。
方案二：采用BUCK降压电路。
该电路是负载电流大，效率高，发热小。
由于是通过开关管的开通和关断来实现能量的转换，所以纹波和噪音较大，需要较多额电容滤波。
但考虑本次设计的需求，所以选择该方案。
综上所述，故选择BUCK降压电路。
1.2 开关管的选择方案一：采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
IGBT的功率容量大，但是开关频率较低，同时在关断时存在拖尾电流，需要加一个负电压让IGBT可靠的关断，对驱动电路要求较高。
方案二：采用电力MOSFET。
电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单；又由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，而在本电路中功率不是很大。
综上所述，故选择电力MOSFET器件。
1.3 模拟控制芯片的选择方案一：采用UC3842模拟控制芯片。
UC3842是采用峰值电流模式控制的集成PWM控制器，专们用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。
驱动电路的结构为图腾柱结构的跟随电路，其输出峰值电流可达1000mA，可以直接驱动主电路的开关器件，但是在芯片欠压保护后再次启动的电压为16V，在本设计中启动电压较高，故不选择该芯片。
方案二：采用TL494模拟控制芯片。
TL494采用固定频率的PWM波的控制方式可以根据需要选择输出最大占空比和输出的频率，同时也可以根据需要调节死区时间的大小，驱动输出端也可以采用单端模式或者推拉模式，电路的启动电压为7V，最大工作电压为40V，具有较宽的工作电压范围。
考虑到实际情况所以在本设计中采用TL494。
综上所述，故选择TL494作为模拟控制芯片。
华南理工大学广州汽车学院2 系统设计2.1 系统总体组成框图系统总体组成框图如图2-1所示。
该系统中由BUCK主电路、反馈采样电路、控制电路和驱动电路组成。
从而构成了一个电压闭环控制系统。
图2-1 系统总体框图2.2 电路原理图总体电路原理图如图2-2所示。
图2-2 电路原理图3 功能及器件的选择3.1 主电路元器件的选择3.1.1 电感的选择在进行电感的计算上，首先介绍一个关键参数r 的说明，r 称为电流纹波率。
它表示电感电流的交流分量与直流分量的几何比例。
因此，有 DC AC L I I I I r ⨯≡∆=2 (3-1)上式中I ∆为电流纹波，DC I 为电感电流直流分量，AC I 为交流分量，L I 为平均电感电流。
在工程中r 的取值一般在5.0~3.0之间，并且它与特定工况、开关频率、甚至拓扑本身都无关。
所以在实际设计中，它一般按0.4取值。
在大多数实际应用中，输入电压会在INMAX INMIN V V ~之间的某一范围内变化。
因此，还需要知道电流的交、直流分量及其峰值在输入电压变化时如何随之变化。
最重要的是：需要知道在此变化范围内，哪个特定输入电压值对应峰值电流最大值。
如前所述，峰值电流对于保证电感工作时不发生磁饱和是极其重要的。
所以对于电感设计而言，“最恶劣”电压定义为峰值电流达到最大值时所对应的输入电压。
该特定电压将用于电感设计或选择。
对于降压变压换器，总是优先从IMAX V （即最小占空比）开始设计电感。
在本设计中电压的输入范围为：14~18V ，输出电压为11V ，开关频率为25KHz ，输出电流为1A 所以对于buck 电路而言，需要从IMAX V （20V ）开始设计电感。
所以最小占空比为： 61.01811===IN O V V D (3-2) 再由公式计算的L 为：uH A V D f I r V L O O 429)61.01(2500014.011)1(=-⨯⨯=-⨯⨯= (3-3) 一般实际的电感量为计算值的3倍左右，故所选的电感量为1.29mH 。
磁芯选择铁氧体磁环绿色喷涂环，导磁率为15k nH ，由公式：2*N A L L = (3-4) 可以推出所需的匝数大约为N=10匝。
3.1.2 输出滤波电容的选择选择输出电容的经典法则是：额定纹波电流要等于或大于输出电容最大有效值电流。
通常，选择的额定电压比应用中要求的输出电压高出至少20%~50%。
变换器的输出电压纹波也是一个需要考虑的问题。
输出电容产生的输出电压纹波峰值等于其等效串联电阻与最大输出电流峰峰值的乘积（忽略电容的等效串联电感）。
在本设计中输出电压纹波的要求是2%，输出纹波电压O U ∆=11*2%=0.22V ，所以由公式： uF T U L D U C O O 1.3)1025(122.0109.1878.01118)1(2332=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-=-）（ (3-5)考虑考实际中电容的标称值所以选择4.7uF 电解电容。
3.1.3 MOSFET 开关管的选择选择开关管的经验法则是：额定电流至少等于（最好至少两倍于）上述计算的最大开关管有效值电流，这是为了降低损耗，因其开关正向压降额定电流增加而大幅减小。
对于降压变换器，最高开关电压为INMAX V ，通常，选择的额定电压要比最高开关电压高出至少20%（降额至80%左右，即留出安全裕量）。
在本电路中最高输入电压为20V ，考虑裕量，所以计算的开关管的耐压值为100V 。
计算MOSFET 导通损耗的简单方程如下：W R I P ds RMS COND 2= (3-6)公式中，ds R 是MOSFET 的导通电阻，RMS I 是开关管电流波形的有效值，等于 )121(2r D I I O RMS +⨯⨯= (3-7) 式中，O I 是buck 电路的负载电流，D 是占空比。
