基于BUCK變換電路的恒流源設(shè)計(jì)

1、一設(shè)計(jì)要求1. 輸入電壓直流200V。2. 阻性負(fù)載，負(fù)載電阻在520范圍內(nèi)變化。3. 輸出電流恒定于5A。4. 紋波電流（紋波電壓）低于1%。5. 控制電路可用數(shù)字電路（單片機(jī)為核心），也可用模擬電路（PWM發(fā)生芯片為核心，如SG3525）二、基于buck變換電路的穩(wěn)壓電源：1.關(guān)于buck變換器目前高頻高效的buck變換器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常系統(tǒng)在滿輸出負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)工作于ccm即連續(xù)電流模式。但是，當(dāng)系統(tǒng)的輸出負(fù)載從滿載到輕載然后到空載變化的過(guò)程中，系統(tǒng)的工作模式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)buck電路拓?fù)浣忉屓缦拢?T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，當(dāng) 時(shí)，T導(dǎo)通。 D

2、：續(xù)流二極管。 L和C組成LPF。（1） 其工作原理如下： 當(dāng) 時(shí)，控制信號(hào)使得T導(dǎo)通，D截止，向L充磁,向C充電；當(dāng) 時(shí)，T截止，D續(xù)流，U0靠C放電和L中電流下降維持。（2） 主要波形為：（3） 假設(shè)及參數(shù)計(jì)算 T，D均為理想器件，L較大，使得在一個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)且無(wú)內(nèi)阻，直流輸出電壓U0為恒定，整個(gè)電路無(wú)功耗，電路已達(dá)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)晶體管T導(dǎo)通工作模式：（0tt1=KT）二極管D導(dǎo)通工作模式：（t1tT）則由上式可得：如果假定buck電路為無(wú)損的： 即 開關(guān)周期T可表示為 可求得 的表達(dá)為 或 及因此，電容上電壓峰-峰脈動(dòng)值為：得：或電流斷續(xù)時(shí)狀況： 求Av 根據(jù)伏秒平衡律： 求Dp 平均電流

3、為： 據(jù)此可得： 方案一：采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源，系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖。MC7805 為三端固定式集成穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié)w R ，可以改變電流的大小，其輸出電流為： L OUT W q I = (U / R ) + I，式中q I 為MC7805 的靜態(tài)電流，小于10mA。當(dāng)w R 較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略q I ，當(dāng)負(fù)載電阻L R 變化時(shí)，MC7805 改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負(fù)載的電流不變。優(yōu)點(diǎn)：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高缺點(diǎn)：無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)控。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電流源該方案恒流源電路由N溝道的MOSFET、高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻等組成，利用功率MOSFET 的恒流特性，再加上電流反饋電路

4、，使得該電路的精度很高。該電流源電路可以結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控電流源。介于單片機(jī)應(yīng)用的廣泛性及智能性，便捷性，采用方案二。單片機(jī)為核心的控制電路：（1）本系統(tǒng)采用SPCE061A 單片機(jī)作為控制核心。SPCE061A 是16 位單片機(jī)，指令周期短，工作速率快，功耗低，具有豐富的片上資源，集成了可編程音頻處理電路，可以在線下載，易于調(diào)試。SPCE061A 單片機(jī)擁有獨(dú)立的時(shí)基發(fā)生器，無(wú)需占用定時(shí)器。系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)1024Hz 的時(shí)基中斷，為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)行節(jié)拍，保證了各個(gè)任務(wù)能有條不紊的工作。 （2）主程序設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括I/O 口，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器/

5、計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)變量賦初值等工作；完成系統(tǒng)初始化后打開中斷。程序流程為：開始，系統(tǒng)初始化，開中斷，發(fā)出通斷信號(hào)控制MOSFET的通斷對(duì)于51單片機(jī)，若程序如下：#include <reg51.h>#define uchar unsigned charuchar period 250;uchar high 50;void timer0( ) interupt1 using1th0=-8333/256;tl0=-8333%256;if（+time=high)P1.0=0;else if(time=period)time=0; P1.0=1main( ）tmod=0x01;t

6、h0=-8333/256;tl0=-8333%256;ea=1;et=1;tr0=1;dowhile(1);對(duì)于凌陽(yáng)單片機(jī)只需根據(jù)不同的型號(hào)選擇相應(yīng)引腳及晶振對(duì)上述程序進(jìn)行修改即可。功率MOSFET的輸入阻抗極高，因此，柵極需極小功率可驅(qū)動(dòng)元件工作。驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)一個(gè)容抗網(wǎng)絡(luò)。元器件電容，驅(qū)動(dòng)阻抗都直接影響開關(guān)速度。一般驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就是圍繞著如何充分發(fā)揮功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，并使電路簡(jiǎn)單，快速且具有保護(hù)功能。功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)考慮到，柵極電荷特性，柵極正負(fù)電壓，柵極電阻與電源功率。左圖為理想柵極驅(qū)動(dòng)電路的等效電路三、紋波電壓：1、紋波電壓的定義狹義上的紋波電

7、壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。我國(guó)工頻頻率是50Hz，所以紋波電壓以工頻50Hz或50Hz的整數(shù)倍計(jì)取。具體取50Hz還是50Hz的倍數(shù)，取決于整流電路的類型。對(duì)于半波整流，取50Hz；對(duì)于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；對(duì)于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；對(duì)于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。對(duì)于日本、美國(guó)等國(guó)家，使用60Hz工頻，計(jì)取方式只需把上述的50改為60即可。紋波電壓通常用有效值或峰值表示。2、紋波的害處：（1）、容易在用設(shè)備中產(chǎn)生不期望的諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生較多的危害； （2）、降低了電源的效率；（3）、較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生

8、，導(dǎo)致燒毀用設(shè)備。（4）、會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作； （5）、會(huì)帶來(lái)噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。3、抵制紋波電壓的方法，常見(jiàn)的有以下幾種：（1）、在成本、體積允許的情況下，盡可能采用全波或三相全波整流電路；（2）、加大濾波電路中電容容量，條件許可時(shí)使用效果更好的LC濾波電路；（3）、使用效果好的穩(wěn)壓電路，對(duì)紋波抑制要求很高的地方使用模擬穩(wěn)壓電源而不使用開關(guān)電源；（4）、合理布線。四恒流源框圖 五 心得體會(huì) 通過(guò)緊張的兩個(gè)星期的積極準(zhǔn)備與不斷實(shí)驗(yàn)，翻閱大量相關(guān)資料，終于完成了本學(xué)期的“基于buck電路恒流源”的設(shè)計(jì)任務(wù)。再設(shè)計(jì)中，遇到了不少困難與問(wèn)題，但最終在同學(xué)

9、與老師的幫助下都一一化解?？梢哉f(shuō)本次的課程設(shè)計(jì)，對(duì)自己來(lái)說(shuō)，不僅是一次知識(shí)上的擴(kuò)展，更是意志與信心上的一種鍛煉。在剛接到題目時(shí)，看到是基于buck電路的設(shè)計(jì)，認(rèn)為比較簡(jiǎn)單，掉以輕心。當(dāng)開始著手準(zhǔn)備是，卻發(fā)現(xiàn)事情并非如此。首先是題目要求不僅僅是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的buck電路，還有多種要求。什么是紋波？電感，電容等值怎么計(jì)算？然后到底選用單片機(jī)為核心的控制電路還是以模擬電路為核心的控制電路？種種問(wèn)題擺在眼前。經(jīng)過(guò)翻閱資料，對(duì)紋波有了一定了解，也查到了相關(guān)的計(jì)算公式。另外剛剛學(xué)過(guò)的單片機(jī)c語(yǔ)言對(duì)這次的單片機(jī)編程也提供了大大幫助。但設(shè)計(jì)出的恒流源是否符合要求，方案是否可行，還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用單片機(jī)為核心的控制電路，提高了效率，但應(yīng)有許多值得改進(jìn)之處，比如：既然使用了單片機(jī)，那么就可以利用單片