1、本科毕业设计（20 届）高效 DC-DC 直流变换器设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2高效 DC-DC 直流变换器设计【摘要】本文分析设计一款高效率的直流电源，效率可达 90%，且电路结构简单，制作方便。在电子线路中，一般都要电压稳定的直流电源供电，小功率稳压电源通常是由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路等四部分组成。为了提高电路转换效率，只能改变稳压电路的结构来提高效率。稳压电路的形式多种多样，性能指标也各不相同。比较经常用的稳压电路主要有并联型硅稳压管稳压电路、串联型稳压电路、三端集成稳压器以及串联（并联）开关型稳压电路等。在文中分析
2、了各个稳压电路的特点，最终集成开关稳压器 LM2596 能达到高效率的指标。本设计最后用 Altium Designer Summer 09 画出电路 PCB【关键词】LM2596；高效率；稳压；电源The Design of High Efficient DC-DC Converter【Abstract】This paper analyzes the design of a high-efficiency DC power efficiency up to 90%, and a simple circuit structure, easy to manufacture. DC power i
3、s the power transformer, rectifier, filter, regulator circuit. In order to improve the conversion efficiency of the circuit, only to change the structure of the regulator circuit to improve efficiency, voltage regulator circuit commonly used silicon voltage regulator circuit, the series DC voltage r
4、egulator circuit, integrated voltage regulator and switching regulator circuit. In the paper analyzes the characteristics of each circuit, and ultimately decided to use the integrated LM2596 switching regulator as the best choice to meet the design requirements. This design using Altium Designer Sum
5、mer 09 final draw circuit PCB【keywords】LM2596; high efficiency; regulators; power3目录1 引言 .12 设计的任务与要求 .12.1 设计指标 .12.2 设计要求 .23 课题分析 .23.1 直流电源的系统方案 .23.2 电源变压器 .23.3 整流电路 .33.4 滤波器 .33.5 稳压电路 .43.6 效率的提高 .44. 稳压器的选择方案论证 .54.1 硅稳压电路的方案论证 .54.2 串联型稳压电路的方案论证 .54.3 三端线性集成稳压器的方案论证 .64.4 集成开关稳压器的方案论证 .84
6、.5 最终方案确定 .95. 器件选择及方案实现 .95.1 工作原理 .105.2 器件选择 .101、输入电容的选择（CIN ） .102、电感的选择（L1） .103、前馈电容（CFF ，见图 1） .114、输出电容的选择（COUT） .115、吸纳二极管的选择（D1） .116、输出电压值的计算 .125.3 使用注意事项 .126. 实装调试 .127. 经验体会 .13致谢.148参考文献： .14附录：电路原理图、PCB 图及实物照片 .15电路原理图：.15PCB 图： .16实物图：.1611 引言我国的开关电源起源于上世纪七十年代末期，到了上世纪八十年代中期，开关电源产品
7、开始了推广与应用。当时的开关电源所用的频率是 20KHz 以下的 pwm 技术，它的效率仅能到达60%70%。经过了 20 年的快速发展，开关电源在新型功率器件的研发基础上高频化，功率MOSFET 和 IGBT 的推广应用使得中小功率的开关电源工作频率达到了 400KHz（AC/DC）和1MHz（ DC/DC） 。后来软开关技术的出现，真正实现开关电源的高频化，软开关技术不仅减少了电源的重量和体积，而且提高了效率！到了现在，采用软开关技术的我国产生的开关电源，效率可以达到 93%。只是，我国目前的软开关电源技术相比世界先进的国家还有一段差距。DC-DC 变换器是把一个固定的直流电压转换为可变的
8、直流电压，这种技术广泛地应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具备有加速平稳、快速响应的性能，并能同时收到节约电能的效果。这种技术被应用在远程和数据通讯、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。一般电子设备都由整流器和蓄电池供电。但各种设备需要的电源电压大不相同。比如：各种通信设备所需的电源电压就有 6V、12V、24V、60V、110V、130V 和 220V 等。由于各种设备需要的电源电压不同，因此，这些设备由电池供电时，势必造成蓄电池组种类繁多，规格不齐，体积庞大，维护不便。如果采用直流变换器，把低压直流变换成高压直流
9、，那么就可省去高压蓄电池组，这样就减少了蓄电池的组数，减轻了蓄电池的维护工作量。由于线性稳压器电路的压降在调整管，故效率低。由于开关稳压器电路电感电容具有储能作用，故效率高，所以选用开关稳压器电路提高效率。开关稳压电源的优点如下：1）功耗小，效率高。2）体积小，质量小。3）稳压范围宽。4）滤波的效率提升，使滤波电容的容量和体积减少。5）电路形式灵活多样，设计者可以根据自己的需要设计出不同的开关电源。DC-DC 变换器是一款比较常用的电源电路，本次设计采用 LM2596 芯片控制电路，电路效率高，输出电流大，最大可达 2.6A，输出电压可调范围宽，范围为 1.3236.2V。具有电路简单，电路转
10、换效率高，调试方便的优点。 2 设计的任务与要求在生活中用到的电子设备一般都需要直流电源来供给。电子设备中用到的直流电源通常需要经过整流、滤波、稳压，对直流稳压电源的要求不仅要根据不同用电设备的要求提供不同的电压电流，而且还要做到纹波小、输出电压保持稳定。当电网电压波动或负载改变时，能保持输出直流电压基本不变，要求电路把交流电转换成直流电时，要求电路转换效率高。2.1 设计指标 1. 达到了解直流稳压电源电路的组成和电路的工作原理；2. 学习和掌握直流稳压电源电路的设计和电路各个参数的计算；3. 了解线性直流稳压集成电路 LM317 的特点和应用；24设计 LM2596 的开关集成应用电路；5
11、、设计出一款电压输出范围宽、转换效率高的直流稳压电源。2.2 设计要求1. 输出直流电压范围： 325V2. 最大输出电流：2A3. 电源调整率：UO 0.1V(输入交流电源电压在 190V230V，25 )4最低效率：85%3 课题分析3.1 直流电源的系统方案在电子线路中，通常需要电压稳定的直流电源供电。稳压电源的组成可以用图 1 表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成 9。如图所示，重点考虑如何提高效率，因此对每部分的要求都很高。图 1 直流稳压电源结构图和稳压过程3.2 电源变压器电网电压提供的一般是交流电 220V，而平常生活中的电子设备需要的电压各种各样，所以，经
12、常需要将电网电压先经过变压器变压变小或变小，然后将变换后的电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压。电源变压器如图 2 所示。它的是由铜线圈组成，中间是铁芯，运用电磁感应定律，可以将电网交流电压 220V 转换为电压值不一样的同频率交流电，而且转换效率很高。3图 2 变压器3.3 整流电路 整流电路的任务是将交流电转变成直流电。完成这个过程主要靠二极管的单向导电作用，所以二极管是构成整流电路的关键部分，在整流电路中，比较常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。二极管整流电路输出的都是直流脉动电压，与理想的平滑的直流电压相差还很远。如图3 是桥式整流电路。图 3 桥式单相全
13、波整流电路3.4 滤波器二极管整流电路输出的都是直流脉动电压。这种脉动电压中含有很大的交流成分，平滑性差，因而不能保证电子设备的正常工作。为此就要把脉动直流电中的纹波成分去掉，这个过程称作滤波，实现滤波功能的电路称作滤波电路，简称滤波器。滤波器主要是由电容、电感等储能元件组成。它的作用是去掉脉动电压中的纹波，使输出的电压变为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压波动或负载改变时，滤波器输出直流电压的幅值也跟着改变。电容和电感是基本的滤波元件，是利用他们的储能作用，在二极管导电时将能量部分储存在电场或磁场中，在另一个周期再逐渐释放出来，从而在负载上得到比较平滑的波形。常用的滤波器有电容滤波器、电感
14、滤波器和复式滤波器 7。图 4 是桥式全波整流、电容滤波电路。4图 4 桥式全波整流、电容滤波电路3.5 稳压电路整流电路是将交流电转变成单向的直流电，而滤波电路减少了单向直流电的纹波成分。但是输出的电压与实际需求的电压还有一段差距，主要存在两个问题：首先，当负载改变时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，所以输出直流电压跟着变化。其次，当电网电压波动时，因整流电路的输出电压与变压器的二次电压有关，所以也要相应的变化。为了达到更加稳定的直流电源，需要在电路的加上稳压电路。稳压电路主要有硅稳压管稳压电路、串联型直流稳压电源和集成稳压电路。图 5 是 78XX 系列稳压集成器件。3.6 效率的提高经过
15、对各个模块的分析后发现变压器是不可调节模块，输入输出效率很高，对于输出小功率，损耗基本可以忽略。在变压器的输出电压恒定，稳压电路输出电压改变时也不能改变变压器的输出电压。造成效率的不稳定。例如，如要输出 3V 到 12V 可调直流电压，由 图 5 78XX 于电路输出的需要只能将变压器输出的电压定为 20V，且变压器的输出电流与负载电流相同。由功率（P）=电压（U）*电流（I） ，效率（）=输出功率（P2）/输入功率（P1） 。因为电流相同，所以功率比等同于电压比，当输出电压为 20V 时电源的效率为 80%，而输出为 5V 时就只能达到 20%。即使将变压器选择为可调变压器，当输出 3V 电
16、压时要求变压器输出电压为 6V，效率只能达到 50%。达不到设计要求。所以不能通过改变变压器来提高效率。整流电路和滤波电路不具备改变电压和电流的条件。所以不能提高效率。所以，只能选用不同的稳压电路来提高效率，从而达到设计的要求。54. 稳压器的选择方案论证稳压电路的质量由以下来定：内阻，稳压系数，电压调整率，电流调整率，最大纹波电压，温度系数以及噪声电压等。常用的稳压电路主要有并联型稳压管稳压电路、串联型稳压电路、三端集成稳压器以及串联（并联）开关型稳压电路4.1 硅稳压电路的方案论证硅稳压管稳压电路（并联型）的原理图如图 6 所示。整流滤波后得到的电压 Ui 作为稳压电路的输入电压，稳压管
17、Vs 与负载 RL 并联。为了保证稳压管工作在反向击穿区，要使稳压管反接。R 是限流电阻，当电网电压波动或负载发生变化时，造成输出电压 Vo 也跟着发生波动。嘉定 Vo 上升，那么稳压管的反向电压 Vz 也同样上升，所以引起 Iz 的急剧上升，流过限流电阻 R 的电流 IR 也上升，导致 R 上的压降 VR 上升，从而 Vo 下降，抵消了刚才的波动。图 6 硅稳压管稳压电源但由于稳压二极管的稳压值恒定，故无法调节输出电压。所以不符合设计要求。4.2 串联型稳压电路的方案论证串联型直流稳压电路，就是在输入直流电压与负载之间串联一个调整三极管，当电网电压或负载波动引起输出电压变化时，输出电压的变化
18、将反映到三极管的输入电压 Ube，所以 Uce 也跟着变化，因而调整输出电压，保持输出电压基本稳定 12。串联型稳压电源如图 75所示，电路包括四个组成部分。6图 7 串联型稳压电源1. 采样电路由电阻 R1、R2 和 R3 组成。当 Uo 变动时，采样电阻对变化量进行采样，并传送到放大电路的反向输入端。2. 放大电路顾名思义，放大电路的作用是将采样电阻送来的变化量进行放大，然后传送到调整管的基极。3. 基准电路基准电路是稳压管供应基准电压，接在放大电路的输入端。采样电压与基准电压进行比较，并将产生的误差电压进行放大。4.调整管调整管接在输入直流电压 Ui 与输出端负载电阻之间，当输出电压 U
19、o 发生波动时，调整管的集电极电压产生相应的变化，使输出电压基本保持稳定。串联型直流稳压电路稳压，实质上是电压负反馈使输出电压保持基本稳定。通过改变采样电阻中的电位器 RP 使得可以输出一定范围的电压。但是因为采用电阻分压的形式，使得电路的效率达不到很高。如果输出 3V，而输入 15V，则会将大部分的能量耗费在电阻上。所以串联型直流稳压电源不适合用来做提高效率的电路。4.3 三端线性集成稳压器的方案论证集成稳压器的优点有：体积小、可靠性高、温度特性好，方便使用、价格便宜。集成稳压器广泛应用于各种仪器仪表和其他电子设备中。三端集成稳压器只有三个引脚，三个脚按顺序接输入端、输出端和公共端，基本上不用外接器件。芯片很小却集成了各种保护电路，使电路越可靠、安全。三端集成稳压器的组成如图 8 所示，电路其实是串联型直流稳压电路的基础上加上保护电路和启动电路。7图 8 三端集成稳压器78XX 系列为三端固定式集成稳压器。可以输出电压值主要有，5V、6V、9V、12V、15V 、18V 和24V。但并不存在可调的 78XX 系列集成稳压器。所以要有可调的电路，还需要做添加些外围器件，具体原理图如下：图 9 可调 78XX 系列集成稳压器LM317 也是三端集成稳压器。而且输出电压可调范围为 1.237V，能够提供超过 1.5A 的电流。满足设计需求，电路也比较简单，如下图所示：
