DC-DC电源变换器的设计与制作

南京工业职业技术学院实训技术报告-1-DC-DC电源变换器的设计与制作综合实训技术报告姓名：卜宗阳朱峰学号：10040231061004023101班级：电子1011班指导老师：何强李从宏提交日期：2011年12月28日南京工业职业技术学院实训技术报告-2-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南京工业职业技术学院实训技术报告-3-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40V~3V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。南京工业职业技术学院实训技术报告-4-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.Vpp3.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3～40V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10HZ～100KHZ，本设计振荡频率选择20KHZ。c.电压调整率≤1%（输入电压范围为3～40V）。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.南京工业职业技术学院实训技术报告-5-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。南京工业职业技术学院实训技术报告-6-第三章：原理图设制南京工业职业技术学院实训技术报告-7-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南京工业职业技术学院实训技术报告-8-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0.1～1μf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。南京工业职业技术学院实训技术报告-9-(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：Ｑ=n/N*100%式中：N——受试样品总数；n——被剔除的样品数。如果Ｑ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，电感的感应系数应南京工业职业技术学院实训技术报告-10-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300mA～1A，同时直流电阻小于0.4Ω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-VINMIN)(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：E7PL/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0.8Ω)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