毕业设计、 隔爆兼本安BUCK变换器的设计

1、编号： 字 号本科生毕业设计论文 隔爆兼本安BUCK变换器设计 电气工程自动化08-3班题目： 二一一年六月毕业论文题目： 隔爆兼本安BUCK变换器的设计毕业论文专题题目： 毕业论文主要内容和要求：1.了解本质平安理论及意义2.掌握BUCK电路的工作原理3.控制芯片的选择及使用4.本质平安变换器的设计 5.本质平安变换器输出保护电路6.转换器的仿真7.完成与毕业设计内容相关的英文翻译近三年的文献，不少于3000汉字院长签字： 指导教师签字： 摘 要开关电源具有高效率、体积小、性能可靠、电路简单，等优点，BUCK变换器是开关电源一种根本拓扑结构，输出电压总是低于它的输入电压，在现代科学研究和工业

2、生产中得到了越来越广泛的应用。工作在含有爆炸性混合物环境的电子设备必须满足防爆的要求，本质平安型是最正确的防爆形式，本质平安变换器是本质平安电源的核心，因此研究本质平安开关变换器是研究本质平安开关电源的根底。本文首先介绍了本质平安电路理论、背景及开展史和电路放电的三种形式，并对BUCK变换器的原理及滤波电感的连续、断续及临界三种状态进行分析说明。本文采用PWM电压型控制芯片UC3573进行控制，它可以使开关电源的元器件数量大幅地减少，提高开关电源的性能，使电路简单等优点 ,并对UC3573芯片的原理和各个管脚的功能做了详细的介绍。对本质平安BUCK变换器的保护原理进行分析，并给出输入、输出过压

3、保护电路和输出过流、短路保护电路及原理分析。最后进行仿真和试验研究，给出了相关实验波形并进行了分析，结果验证了设计的可行性。关键词： 开关电源； 本质平安； BUCK变换器； UC3573AbstractSwitching power supply with high efficiency, small size, reliable performance, simple circuit, etc., BUCK converter is a basic topology switching power supply, the output voltage is always lower tha

4、n its input voltage, in modern scientific research and industrial production is more and more widely used.Work environment in the presence of an explosive mixture of electronic equipment must meet the requirements of explosion-proof, intrinsically safe is the best form of proof, intrinsically safe i

5、ntrinsically safe power supply converter is the core, the study of intrinsically safe switching converter is intrinsically safe switch power base.This paper introduces intrinsically is safe circuit theory, history and background and three forms of discharge circuit, and the BUCK converter and the fi

6、lter inductance principle of continuous, intermittent, and that the critical analysis of three states. In this paper, the control chip is UC3573 PWM voltage control, switching power supply which can reduce substantially the number of components is to improve the performance of switching power supply

7、, so that the advantages of simple circuit, and the UC3573 chip principle and function of each pin is detailed. BUCK converter on the nature of the protection of the safety analysis of the principle, and give input, output over-voltage protection circuit and output over-current, short circuit protec

8、tion circuit and principle.Finally, simulation and experimental is researched, experimental waveforms are given and analyzed, the results verify the feasibility of the design.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Keywords: switching power supply; intrinsically safe; BUCK converter; UC3573目 录 TOC o 1-3 h z u TOC o 1-3 h z u

9、 HYPERLINK l _Toc295389514 1 绪论 PAGEREF _Toc295389514 h 1 HYPERLINK l _Toc295389515 1.1研究的意义 PAGEREF _Toc295389515 h 1 HYPERLINK l _Toc295389516 1.2本质平安理论产生的背景 PAGEREF _Toc295389516 h 1 HYPERLINK l _Toc295389517 1.3本质平安标准及相关理论开展简介 PAGEREF _Toc295389517 h 1 HYPERLINK l _Toc295389518 1.4本质平安开关电源开展与现状

10、PAGEREF _Toc295389518 h 2 HYPERLINK l _Toc295389519 1.5本质平安电路根本原理及电气放电形式 PAGEREF _Toc295389519 h 3 HYPERLINK l _Toc295389520 本质平安电路根本原理 PAGEREF _Toc295389520 h 3 HYPERLINK l _Toc295389521 电气放电形式 PAGEREF _Toc295389521 h 3 HYPERLINK l _Toc295389522 1.6本质平安防爆开关电源的特点 PAGEREF _Toc295389522 h 4 HYPERLINK

11、l _Toc295389523 1.7本质平安开关变换器的组成及原理 PAGEREF _Toc295389523 h 5 HYPERLINK l _Toc295389524 2 降压型BUCK电路 PAGEREF _Toc295389524 h 7 HYPERLINK l _Toc295389525 2.1 BUCK型开关电源原理 PAGEREF _Toc295389525 h 7 HYPERLINK l _Toc295389526 2.2降压式变换电路Buck电路 PAGEREF _Toc295389526 h 7 HYPERLINK l _Toc295389527 开关器件导通和关断时，电

12、路的动态工作过程分析 PAGEREF _Toc295389527 h 8 HYPERLINK l _Toc295389528 电感电流连续模式下的工作过程分析 PAGEREF _Toc295389528 h 9 HYPERLINK l _Toc295389529 电感电流断续模式下的工作过程分析。 PAGEREF _Toc295389529 h 12 HYPERLINK l _Toc295389530 电感电流临界模式 PAGEREF _Toc295389530 h 13 HYPERLINK l _Toc295389531 3 电路设计 PAGEREF _Toc295389531 h 15 H

13、YPERLINK l _Toc295389532 3.1控制IC的选择 PAGEREF _Toc295389532 h 15 HYPERLINK l _Toc295389533 的性能及技术参数 PAGEREF _Toc295389533 h 15 HYPERLINK l _Toc295389534 管脚引线功能介绍 PAGEREF _Toc295389534 h 17 HYPERLINK l _Toc295389535 3.2电路设计 PAGEREF _Toc295389535 h 20 HYPERLINK l _Toc295389536 控制的BUCK主电路图 PAGEREF _Toc29

14、5389536 h 20 HYPERLINK l _Toc295389537 主要参数的计算 PAGEREF _Toc295389537 h 20 HYPERLINK l _Toc295389538 4 保护电路 PAGEREF _Toc295389538 h 23 HYPERLINK l _Toc295389539 4.1本质平安BUCK变换器输出保护电路 PAGEREF _Toc295389539 h 23 HYPERLINK l _Toc295389540 4.2输入、输出过压保护电路 PAGEREF _Toc295389540 h 25 HYPERLINK l _Toc29538954

15、1 4.3输出过流、短路保护电路 PAGEREF _Toc295389541 h 25 HYPERLINK l _Toc295389542 4.4仿真结果 PAGEREF _Toc295389542 h 26 HYPERLINK l _Toc295389543 5 结论 PAGEREF _Toc295389543 h 29 HYPERLINK l _Toc295389544 参考文献 PAGEREF _Toc295389544 h 30 HYPERLINK l _Toc295389545 英汉翻译 PAGEREF _Toc295389545 h 32 HYPERLINK l _Toc29538

16、9546 英文原文 PAGEREF _Toc295389546 h 32 HYPERLINK l _Toc295389547 中文译文 PAGEREF _Toc295389547 h 41 HYPERLINK l _Toc295389548 致 谢 PAGEREF _Toc295389548 h 52 1 绪论1.1研究的意义作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，本质平安电源主要应用在石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物环境中。随着电力电子技术的迅速的开展以及现代化水平的不断提高，自动控制设备和仪器在煤矿井下的使用越来越广泛，用电设备发生的漏电、短路、电火花等电气事故，成为这些

17、危险性环境可燃气体或物质爆炸的隐患。所以要求应用于煤矿、石油等易燃、易爆危险性环境的电气设备必须满足防爆的要求。防爆电源作为危险环境下系统不可缺少的局部1。危险环境的所以设备必须满足防爆要求，根据防爆措施，可把防爆电气设备分为本质平安型、隔爆型、增安型、正压型、油侵型等，其中应用较多的是隔爆型和本质平安型。本质平安型电气设备有很多优点：平安程度高、体积小、携带维护方便、价格低廉。因此本质平安电源将更为广泛的应用，所以对本质平安的研究会越来越重要。当前半导体技术的开展，大功率高速器件的出现，PWM芯片的性能越来越强大，使本质平安电源具有更高的性能和优越性。开关电源对于实现本质平安输出最重要的优势

18、是随着开关频率的提高，电源的输出电感、电容可以很小，其所具有释放的能量很小，更具有本质平安性能，更平安。1.2本质平安理论产生的背景1886年由普鲁士瓦斯委员会委托亚琛Aachen工业大学进行了瓦斯爆炸方面的根底性试验，并在1898年的后续试验过程中得出了“任何电火花都能够引起爆炸重要结论。1911和1913年英国威尔士Welsh和圣海德Senghenydd煤矿因电铃信号线路产生放电火花先后发生瓦斯爆炸，造成数百人死亡的严重后果。为此，当时任英国内政部技术官员R.V.Wheeler教授开始研究电铃信号电火花的引燃特性，并设计了火花试验装置。1915年W.M.Thoronton参与了该项研究工作

19、，在1916年提出了本质平安电路设计方法和理论，这一理论的提出标志着本质平安理论正式创立1。1.3本质平安标准及相关理论开展简介随着电子器件的更新和科学技术的进步，本质平安电气设备的种类和形式发生了巨大的变化，英国国家标准机构于1945年再一次修订BS1259：1958。1967年在IEC31G委员会布拉格会议期间，经过对火花放电提交的不同试验结论比拟，决定采用联邦德国西门子公司一组工作人员设计的火花试验装置所作的试验结果，并将该试验装置推选为国际标准火花试验装置。1978年国际电工委员会IEC发布了一系列相关标准，其中包括“本质平安和附属设备的构造和试验标准，标准代号：IEC刊物79-11。

20、在此期间，欧洲标准化组织CENELEC也制定了一系列关于“可燃性环境中电气设备的构造与试验欧洲标准，本质平安型标准代号为：EN50020。欧洲电工标准协调委员会于1981年制定有关本质平安系统结构与测试的欧洲标准，代号为：EN50039，与之相当的英国标准为：BS5501：1982年美国在本质平安电路设计方面，先后制定了本质平安国家电气规程NEC504-2条，1995年保险商实验室UL913和美国仪表学会ISA，出版了用于检验和安装本质平安设计的标准ANSI/ISA-PR12.6-1995。在本质平安电器产品检验方面，世界各国都有专门授权的防爆检验部门从事本质平安电路和电气设备及其关联设备的检

21、验1。 目前，在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有：隔爆型 (Exd)、本质平安型 (Exi)、正压型 (Exp)、增安型 (Exe)、油浸型、充砂型、浇封型、n型、特殊型、粉尘防爆型等。以上每种方式都有其各自的优点，其中隔爆型、本质平安型和正压型应用较为广泛。比拟三种主要防爆型式的优缺点可知，本质平安型电气设备从电路的电气参数上保证了防爆，省去了隔爆外壳，具有平安程度最高、体积最小、重量最轻、携带与维护最方便和造价最低廉的五大优点。因此，用于爆炸性危险场所的电气系统和电气设备，但凡可以或有希望设计本钱质平安型的，总是尽量设计本钱质平安型，而不设计成隔爆型或其它类型。直流电源是电子产品必

22、不可少的重要组成局部，也是功率较大的电子设备，因此其面临的本质平安问题更为突出2。我国开始从事本质平安电路理论研究，虽然我国起步比拟晚，但是从目前国内的开展状况来看，无论在理论研究方面，还是本质平安产品设计方面开展的速度都很快。特别是最近几年国内在本质平安理论研究方面进步很快，已经接近国际水平。对电阻性电路的放电特性从理论上分析研究；在此根底上，通过大量的具体试验对电感电路先后进行了全面的研究和分析；此后，一些专家和学者又对电容性电路以及复杂电路的放电特性与引燃特性做了深入的研究和理论分析，并且分别建立了相应的数学模型3。1.4本质平安开关电源开展与现状自20世纪60年代得到开展和应用的DC/

23、DC功率变换技术是一种硬开关技术。功率开关管的开通和关断是在电压和电流不为零的状态下进行的，开关损耗较大，频率不易太高。为提高电源效率和开关频率，减小开关损耗，在硬开关技术开展和应用的同时，国内外电力电子界和电源设计界不断研究开发高频软开关技术。它应用谐振原理，使开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当电流或电压自然过零时，使开关管关断或开通，降低功率开关器件的损耗，提高开关频率到MHz数量级。其损耗很小4。我国从七十年代起开始研制本质平安型稳压电源，提出基于非隔离Buck变换器的开关型本质平安电源。它由变压器、整流滤波电路、稳压电路、保护电路组成，采用工频变压器与电网隔离，稳压电路应用

24、了开关变换器，使电源效率得到提高。国外虽然在普通环境下直流开关稳压电源的研究上进展迅速，新技术不断出现，但在煤矿本安防爆直流开关稳压电源的研究上根本与我国处在同一水平，然而开关稳压电源与线性稳压电源相比，虽然存在控制电路较为复杂，瞬态响应差，射频、电磁干扰大，可靠性略差等缺点，但是它体积小，重量轻，输出电压稳定，效率高达85以上，特别是随着VMOS管、肖特基势垒二极管等新一代高频大功率元件的出现及一些新颖的电路拓扑和控制技术的采用，使开关稳压电源的工作频率向高频化开展，电源的体积和重量越来越小，而电气性能指标却大幅度提高。所以开关稳压电源十分适合煤矿井下要求。可见，开关电源应用于煤矿井下、石化

25、行业或一些危险的环境中有着广阔的前景，因此，对本质平安开关电源的研究具有重要意义4。目前对本质平安型电源的研究主要局限于对非隔离的本安型开关电源的研究，而在实际中应用最多的还是隔离型开关电源。所以，目前的非隔离型本安型开关电源远不能满足实际的需要，这就要求我们必须对隔离型本质平安开关电源进行研究。而隔爆兼本安开关电源，主要用于给危险环境的电气设备提供适宜的工作电压，其功率通常不是很大。所以对本质平安型变换器的研究不仅具有重要的意义，更是进行本质平安开关电源研究的进一步拓展。此外，研究本课题有助于本质平安技术的推广应用；有助于开关电源的应用范围的扩大。在国内、外对本领域的研究人员较少，而它的市场

26、潜力是很大的，因此具有相当的学术意义和经济效益。1.5本质平安电路根本原理及电气放电形式本质平安就是通过限制电火花和热教应两个可能的点燃源的能量来实现的。试验说明， 对应于各种危险气体都有其最小点燃能量，当点燃能量小于这个能量时，将不能引起点燃而产生爆炸5。1.5.1本质平安电路根本原理本质平安电路是指在标准规定的条件包括正常工作和标准规定的故障条件下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。其特点是：电源电路内部和引出线不管是在正常工作还是在故障状态下都是平安的，所产生的电火花不会点燃周围环境中的爆炸性混合物。本质平安电气设备防爆根本原理是：通过限制电气设备电路的各种

27、参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆。电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的点燃源6。 1.5.2电气放电形式本质平安电路理论及检测是与电气放电密切相关的。正是被认为可能发生短路、开路或接地等危险点在火花试验装置电极上开断、闭合时，放电产生的能量假设超过气体引爆能量就会造成气体混合物的爆炸。所以应首先研究电气放电，分析放电形式及其规律。6根据气体放电理论，电路在切换时的根本放电形式有三种：火花放电，电弧放电，辉光放电，以及由三种放电形式组成的混合放电7。1火花放电：火花放电是在

28、接通和断开电容电路时，击穿放电间隙中的气体而产生的，其特点是低电压大电流放电。火花放电的过程可分为三个主要阶段：第一阶段火花形成阶段，以施加外电压瞬间起至间隙被击穿止，此时火花带的电流小而加在放电间隙上的电压较稳定，持续时间短约为10-9秒，火花形成阶段的最后形成一个导通带，第二阶段开始，此时电容上的全部电荷将沿着所形成的火花带流通，并使之加热到10000-20000。间隙上的电压迅速降到一个极小的数值，而电流却可到达极大值102104安。直到此阶段终了时，电容一直在放电，而放电间隙的电阻从最大初始值降到一个很小的终了值。第三阶段衰减阶段火花带被破坏，这是由于高温火花带的热辐射被周围气体层所吸

29、收，使火花带展宽而造成的。这三个过程约在10-610-8秒的极短时间内完成。火花放电所释放的能量主要由两局部组成，在放电电子束中散失的能量和电极外表传导的能量。正是后者的大小决定着放电能否引燃爆炸性气体混合物，十清楚显，电极外表传导的能量小而在放电电子束中散失的能量大的火花容易点燃。2电弧放电：电弧放电是由某种形式的不稳定放电不断转化而产生的，如高压击穿时产生的放电形式，特点是：可以产生持续的电弧、电流密度大、放电能量集中、点燃周围爆炸性混合物的能力强，电感性电路放电形式属弧光放电。在切换小电流、低电压的本质平安电路时，由于液态金属桥的断开形成电弧放电。液态金属桥的形成情况是这样的：在触点断开

30、瞬间，接触压力急剧地降低，电极接触面减少，过渡电阻值增大。当电极上电流、电压到达与接触点熔化相应的数值时，在电极间便形成液态金属滴。在电极继续拉开的过程中，液态金属滴被拉长为连接两电极的电桥。随着桥上电压的增加，金属沸2电容性电路放电特性研究8腾，并使桥爆炸般地断开。熔点低的金属容易形成液桥，熔点低的金属沸腾温度也低，使桥断开的电流也比难熔金属要小。火花试验装置中采用了熔点相当低的镉，很容易成弧。3辉光放电：在高电压小电流的条件下产生的放电形式，其特点是：放电能量不集中、能量散失大、点燃周围爆炸性混合物的能力差。由于弧光放电是最危险的放电形式，在电压很高而电流较小时，可以产生辉光放电。它的阴极

31、电压降比电弧放电要高，可达100400伏。所以放电能量根本上散失在电极上，而不是作为引燃爆炸危险混合物的能量出现。另外，辉光放电在实际的平安电路非常少见，所以一般不考虑这种情况。通过对三种放电的分析可以看出，在本质平安电路中，火花放电、电弧放电引爆可燃性混合物所需能量比辉光放电所需能量小得多。因此，在本质平安电路中火花放电、电弧放电是主要的放电形式，也是引燃可燃性混合物爆炸的主要因素.因此电感性电路是研究本质平安电路的重要内容8。1.6本质平安防爆开关电源的特点在爆炸性危险环境中，本质平安防爆开关电源与普通应用型开关电源相比，具有许多特殊性7。1输出功率受限制本质平安防爆直流开关电源与普通直流

32、开关电源相比，必须限制电路的火花放电能量。具体地说，就是限制电路放电的电流、电压和放电时间。在实际电路实现上，就是要同时具有稳压或限压、限流或恒流功能，对于输出功率较大的本质平安型直流开关电源，还应具有过流或短路和过压快速切断保护措施。2输入、输出端必须电气隔离由于本质平安直流开关电源的输入侧为非本质平安的交流高压端，而输出侧为本质平安型输出，电路内部是一个由非本质平安向本质平安过渡的过程，为防止非本质平安输入传入本质平安输出，要求输入、输出必须采取电气隔离，可以采用变压器隔离或光电耦合隔离，并且必须具备规定的耐压等级。3保护、隔离环节必须多重化本质平安型电气设备根据平安程度的不同分为ia和i

33、b两个等级。ia等级：电路在正常工作，一个故障或两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备，为ia等级的电气设备。正常工作，平安系数为2；一个故障，平安系数为1.5；两个故障，平安系数为1.0。ib等级：ib等级的设备指在正常工作或一个故障时，不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。正常工作，平安系数为2；一个故障，平安系数为1.5。假设设备中正常工作有火花的触点，如加隔爆外壳或气密外壳保护，一个故障时，平安系数可取为12。因此，本质平安直流开关电源的保护、隔离元件或组件，要根据设计电源要求满足本质平安等级双重化或多重化，以保证在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不引起周围可燃性

34、气体混合物燃烧或爆炸。4适应较大范围的电网波动在如煤矿井下等危险性环境中，电网供电质量差，电网电压波动范围大，可75%115%，远高于地面电网的波动约10%，且在井下动力设备功率大，供电距离远，大,本质平安防爆直流开关电源的研究多直接启动，而且往往处于反复开停的运行状态。因此要求应用在煤矿井下的本质平安型直流开关电源必须在75%115%的输入电压范围内能稳定工作。同时煤矿井下交流供电有多种电压等级，如36、60、127、220、380V等，一种开关电源应能尽可能多的适用于多种电压等级，增强电源的通用性，因此需要开关电源具有宽的输入电压范围。5在满足本质平安防爆要求的前提下提高输出功率在控制电源

35、输出功率满足本质平安要求的前提下，还要努力改善电源的输出特性，提高输出功率，降低电源的使用数量。通常使用的本质平安电源具有线性负载特性，用提高电源内阻OR的方法，将短路电流maxI限制在本质平安允许范围内。1.7本质平安开关变换器的组成及原理本质平安型开关电源是本质平安防爆电源开展的必然趋势，其应用前景十分的广泛。对于功率变换环节的开关变换器，通过合理的设计和元件的选择，可以满足本质平安的要求。本质平安开关变换器是本质平安开关电源的核心，因此本质平安变换器是本质平安电源的根底。要使开关变换器到达本质平安要求，就必须使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体或

36、其混合物。即必须将其故障火花能量限制在一定的范围内9。本质平安开关变换器的组成如1-1图所，示其中含有储能元件电感和电容，电感的分断和电容的短路均会产生放电火花，从而又可能点燃爆炸性气体。对于输出短路引起的放电火花能量，可来自三个局部：输入电源、电感及输出滤波电容，因此为了抑制输出短路引起的电火花能量，除了对有关参数进行合理的设计外，还必须在输出发生短路时彻底关断输入电源10。图1-1 本质平安变换器结构图开关变换器的输出属于电容性电路，因此对于变换器输出本质平安主要考虑输出发生短路的情况。开关变换器的输出端接有滤波电容，当发生输出短路时，输出端会产生火花放电。同样，由于开关变换器不能当成简单

37、的电容性电路，其中含有电感，而且变换器还存在多种工作模式，因此，在分析和判断开关变换器的输出本质平安性能时，必须考虑短路时的最大电路输出能量。但是，开关变换器的输出发生短路时的火花放电能量不仅来源于电容的储能，还有电感的储能，电感的储能取决于电感的大小和流过电感的最大电流，而在输出发生短路时，从电源传输到输出短路处得能量，主要取决于保护电路的动作时间。为了便于分析，将仅满足输出本质平安的变换器，称为输出本质平安型开关变换器。2 降压型BUCK电路2.1 BUCK型开关电源原理开关电源一般有BUCK型也叫降压型，BOOST型也叫升压，还有很少用到的BUCK-BOOST型也叫升降压型，BUCK型开

38、关电源就是降压到自己需要的电压，其根本构造一般是大功率开关管比方大功率MOS管，一般都用MOS管，还有专门的POWERMOS与负载串联构成，BOOST型一般是与负载并联而成，早期的开关电源是利用开关管的线性区，通过改变MOS管的导通电阻的大小来改变其上的压差，根据电阻分压原理，从而改变负载上的电压，从输出电压端采样电压后反应到前级来有效控制MOS管的导通电阻，从而来获得稳定的输出电压11。于是随后出现了MOS管工作在非线性区即开关状态下的开关电源，正是MOS管的开和断，开关电源才因此而得名，对于AC/DC的BUCK型开关电源，前级还是要经变压器降压，以及全波整流和滤波后得到Udc，此时Udc的

39、纹波还是较大，波动范围大概与电网电压的波动成线性比，大概在正负10%左右，假设MOS管导通的时间为T1，截止的时间为T2，那么T1比T1+T2的值就是占空比q，假设输出电压为Uo,那么理论上Uo=qUdc，在Udc与Uo之间需要加续流肖特基和LC滤波电路，以便得到尖峰和纹波更小的输出电压Uo,电感和电容的值不能太小，否那么开关电源会设计失败，在Uo输出端需要加电阻来采样电压，然后反应到误差放大器，误差放大器输出的电压与锯齿波构成电压比拟器，输出方波，然后加驱动电路，也叫PWM驱动电路，然后控制开关管，来及时调节导通和关断的时间比，输出稳定的电压12。这就是BUCK型开关电源的根本工作原理，这种

40、电源的效率根本可以到达70%80%，如果能有效控制电网电压的波动范围，效率还可以提高，现在根本上比拟好的电源的电网电压波动可以做到正负5%这就涉及到变压器技术。对于DC/DC的BUCK型开关电源，效率可以更高。2.2降压式变换电路Buck电路将一种直流电压变换成另一种直流电压称为DC/DC 变换。在DC/DC 转换技术中，采用直流斩波技术，广泛应用于电动汽车、地铁等交通工具中，其优点是可以获得平稳的加速、减速、快速响应和节能效果，并且可以抑制电网谐波电流。所谓降压BUCK变换器也就是将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。输出电压Vout和输入电压Vin的关系为：Vout/Vin=占空因数Vi

41、nVout。直流变换器变换过程中都会存在谐波，使输出纹波较大。因此在输出端参加电感和电容进行滤波。电感在电路中不仅起到滤波作用，还可以起到储存能量，为变换器关断时刻给负载提供能量。二极管在其中起到嵌位和形成回路的作用13。负载越大，那么输出的电压就越大，当晶体管导通时，二极管截止(t=0DTs)，输入电压Vs向能量传递电感L充磁，同時提供能量給負載和電容；当晶体管截止时，二极管导通(t=DTsTs)，电感把前一阶段贮存的能量全部释放给负载和电容。显然，晶体管导通的时间越长，即D越大，负截获得的能量越多，输出电压越高BUC变换器的稳态电压变比永远小于1，所以BUCK变换器也称为降压变换器开关器件

42、导通和关断时，电路的动态工作过程分析10图2-1 开关导通、关断的等效电路图当驱动信号使开关管导通时如2-1b图，电容C开始充电，输出电压加在负载上。电容C在充电过程中电感L的电流逐渐增加，储存的能量也逐渐增加，此时续流二极管反向截止。 当驱动信号使开关管截止时如2-1c图，L开始释放能量，L中的电流开始减小，L产生的感应电动势使续流二极管导通，电流通过电感、续流二极管构成回路给负载传递能量。当负载电压低于电容C两端的电压时，C开始向负载释放能量。驱动控制信号使开关管周而复始的重复上述过程，从而使输出电压趋向一个定值。 BUCK变换器有三种工作模式：第一种是电感电流处于连续的工作模式。第二种时

43、电感电流处于断续的工作模式。第三种是电感电流处于临界的工作模式。所谓的临界模式是，在开关管截止到导通这个时间电感L中的能量刚好释放完，也就是开关管截止终止时电感电流刚好为零14。 等效的电路模型及根本规律12图2-2等效电路模型图1从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原那么是使 us(t) 的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 2电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上 输出的直流电压Uo有： 2-1电容上电压宏

44、观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。3一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至到达充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至到达充放电平衡，最终维持电压不变14。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路到达稳定平衡，电容上充放电也到达平衡，这是电路稳态工作

45、时的一个普遍规律。4开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，那么一个开关周期内电感上磁链增量为： 2-2此增量将产生一个平均感应电势： 2-3此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量磁链平均增量为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。2.2.2电感电流连续模式下的工作过程分析12图2-3电感电流连续工作模式电路图电感电流连续时开关导

46、通的等效电路如2-3图a图所示。开关导通时间为，关断时间为，在t=t0时刻，开关加正脉冲导通，电感L上的电压是Ui-UO且UiUO ，此时电感L上电流线性增加，其变化量为： 2-4当t=时，电感电流到达最大值，其变换量为： 2-5当t=时刻，开关管因基极驱动脉冲变负而关断，电感电流不能突变经续流二极管、滤波电容、及负载形成回路。其等效电路如2-3图b图此时电感电流线性下降，其变化量为： 2-6当t=TS时，电感电流到达最小值，此时电感中电流变化量为： 2-7电感电流连续的情况下，回路的电压、电流波形图如图2-4。图2-4电感电流连续波形图电感电流的波形是一个三角波，一个周期内从最大电感电流到最

47、小电感电流之间的变化，稳态时开关导通与截止期间的电流变化量相等。假定变换器损耗为零，那么输入功率等于输出功率，那么输入电流平均值Ii与输出电流平均值IO可表达为： 2-8 在电感电流连续下，其电感电流最大值为： 2-9电感电流连续下，其电感电流最小值为： 2-10电感电流断续模式下的工作过程分析。 电感电流断续是指开关在截止时间终止前电感电流下降为零，直到下周期开始一直为零，此时负载电流因电感所提供的电流为零而依靠电容所储存的能量维持。其波形如2-5图所示。图2-5电感电流断续波形图 在电感电流断续的情况下，开关管导通时，输入电压为，电感电流线性增加可表示为: 2-11电感电流的最大值和最小值

48、有波形图可知 2-12 2-13输入平均功率与输出功率相等 2-14输出电压可表示为 2-15 从上式可知，在电感电流断续的情况下，输出电压与输入电压和占空比有关，还与输出负载电流IO、电感L有关。2.2.4电感电流临界模式 电感电流连续与断续的边界，就是临界点，波形图如2-6图，开关关断期间的终点，下一个周期的开始时刻，电感电流刚好下降到零12。图2-6电感电流临界状态时波形图临界点输出电感电流表达式为： 2-16此时的负载电流为电感电流临界的负载电流，用表示,欲使必须要求IO满足 2-17上式就是保证变换器工作在电感电流连续状态的必要条件，那么临界电感的电感量为 2-18在电感电流连续模式

49、工作状态下，负载电流IO的下限受临界电流所制约。输出滤波电感考虑临界电流和变换器输出电流纹波的要求，输出纹波电流峰峰值在最大负载电流时，其值小于30-50%时，输出滤波电感为 2-19整理得 2-203 电路设计3.1控制IC的选择UC3573是一个能构成降压式DCDC变换器的脉宽调PWM控制集成电路芯片，该芯片使用一个外部电感和一个外部PMOS功率开关就可以构成一个完善的BUCK型DCDC变换器。该芯片有一个高度的基准源、一个以电压模式工作的误差放大器、一个振荡器、一个具有逻辑触发功能的PWM比拟器和一个具有0.2A峰值电流的栅极驱动器组成。该芯片包含了一个欠压封锁电路和一个周期性脉冲限流电

50、路。限流电路能够有效的监视处于工作状态的输入电源电压，从而构成欠压保护功能15。 电压型控制的最显著的特点就是误差电压信号被输入到PWM比拟器，与振荡器产生的三角波进行比拟。电压误差信号升高或降低使输出信号的脉宽增大或减小。要识别是不是电压型控制IC，可以先找到RC振荡器，然后看产生的三角波是不是输入到比拟器，并与误差电压信号进行比拟。 电压型控制IC的过流保护有两种形式，早期的方法是用平均电流反应，在这种方法中，输出电流时通过负载上串联一个电阻来检测。电流信号可以放大后输入到补偿电流误差放大器中，当电流放大器检测到当输出电流接近到原先设计的限定值时，就阻碍电压误差放大器的作用，从而把电流加以

51、限制，以免电流继续增大。平均电流反应作为电流保护有一个缺点，就是响应速度很慢。当输出突然短路时，会来不及保护过功率开关，导致在很短的时间内电流成指数上升而损坏功率开关。 第二种过流保护的方法是，逐周过流保护，这种方法可以保证功率开关工作在最大的平安电流范围内。在功率开关管上串联一个电流检测电阻，这样就可以检测流过功率开关管的瞬时电流，当这个电流超过原先设定的瞬时电流限制值时，就关断功率开关管。周期性脉冲限流电路能够随时监测输入电源电流，从而将输入电源电流限定在用户所规定的最大值上，另外当输入电压低于欠压封锁电路门限电压时，镶嵌在欠压封锁电路中的一个睡眠比拟器就会将整个芯片关闭，使其处于休眠状态

52、，从而使该芯片的输入电源电流减小到50，使其采用电池供电变为可能16。UC3573的性能及技术参数一主要性能：1可以构成一个仅需一个小电感的BUCK型降压式DCDC变换器2具有一个能够驱动外部PMOS功率开关的驱动器3包含一个UVLO欠压封锁电路4包含一个周期性脉冲限流电路5具有50微安的睡眠工作状态二技术参数1电性能参数，UC3573的点电性能参数见下表对于Ta=+70以及VCC=5V，Ct=680pF，Ta=Tj的条件下测得参数名称测试条件最小值典型值最大值单位 基准电压3Vref2.9433.06V线性调整率Vcc=4.7530V110mV负载调整率I3Vref=0 -5mA110mV振

53、荡器振荡器频率Vcc=5V，30V85100115kHZ误差放大器EAINVEAOUT=2V1.451.51.55VIcainvEAOUT=2V-0.2-1uAAVOLEAOUT=0.53V6590 dBEAOUTDU端输入高电平EAINV=1.4VEAOUT=2V3.644.4VEAOUTDU端输入低电平EAINV=1.6VEAOUT=2V0.10.2VEAOUT端输出电流EAINV=1.4VEAOUT=2V-350-500uAEAINV=1.6VEAOUT=2V720mA单位增益带宽Tj=25，F=10kHZ0.61MHz电流采样比拟器门限电压-0.39-0.43-0.47V输入偏置电流C

54、S=Vcc1508000nVCS端延时时间欠压封锁电路启动门限电压3.54.24.5V延时电压100200300mV2UC3573重要参数的极限值见下表 参数名称极限值单位输入电源电压(Vcc)35VEAINV端输入电压-0.6 VccVEAOUT端输入电流25mARAMP端输入电压-0.3 +4VCS端输入电压-0.3 VccVOUT端输入电流-0.7+0.7A3Vref输入电流-15mA储存温度-65 +150结点温度-65+150注：表中电流正值为输入电流，负值为吸收电流。管脚引线功能介绍1脚EAINV，误差放大器的反相输入端，输出电压的采样反应信号应连接到该端，误差放大器的正相输入端电

55、压被内置成3Vref/2，当该端的电压被外置成高于2.6V的电压时，该芯片进入休眠省电状态。2脚EAOUT，误差放大器的输出端。构成应用电路是该端与EAINV端应通过外部连接一个补偿网络3脚CS峰值电流限制采样输入端。峰值电流采样信号是来自于跨越在Vcc与PMOS功率开关源极之间的电流采样电阻上的电压信号，当该电压信号超过0.4V时，该芯片的驱动输出端将输出高电平，使PMOS功率开关保持关断状态。4脚Vcc，输入电源电压端。其输入电源电压范围是4.75V30V。构成应用电路时，为了增加可靠性和稳定性，该端到地应接一个等效串联电阻和电感均较小的滤波电容，5脚(OUT)，栅极驱动器输出端。构成电路

56、时，与一个外部PMOS功率开关的栅极直接相连，外部PMOS功率开关有可能连接于Vcc与反极电感之间，也可能连接与Vcc与GND之间6脚GND公共接地端7脚RAMP脉宽调制器的振荡器和斜坡发生器的输出端。构成电路时，该端到GND端应外接一个定时电容，该电容与振荡频率之间的关系式为 3-1振荡器的频率一般应在10200kHZ之间选择。8脚3Vref芯片内部3V高精度基准电压的输出端。构成应用电路时，该端到GND之间应外接一个等效串联电阻和电感均较小的滤波电容，容量应在100nF以上，以消除内部的高频窜扰。UC3573的外形图。图3-1为UC3573外部管脚图UC3573各引出端输出波形时序图。图3

57、-2 UC3573各端输出波形时序图UC3573的内部原理方框图。图3-3 UC3573内部原理图3.2电路设计UC3573控制的BUCK主电路图图3-4 IC UC3573 控制的BUCK主电路要求技术指标： 输入电压：24V, 输出电压：12V, 输出电流：2A，输出电压纹波值取1%, f=100kHZ主要参数的计算1电感量的计算式中为t0时刻储能电感L中的电流。在t1时刻，也就是驱动信号正半周要结束的时刻，储能电感L中的电流上升到最大值，其最大值为： 3-1储能电感L中电流的变化量为： 3-2在3-2式中当t=t0时，储能电感L中的电流变化量为最大，其最大变化量为： 3-3功率开关管V的

58、截止期： 在tOFF=t2-t1期间，功率开关管V截止，但在t1时刻，由于功率开关管V刚刚截止，并且储能电感L中的电流不能突变，于是L两端产生了与原来电压极性相反的自感电动势。此时续流二极管VD开始正向导通，储能电感L所储存的磁能将以电能的形式通过续流二极管VD和负载电阻RL开始泄放。这里的二极管VD起着续流和补充电能的作用，这也正是它别成为续流二极管的原因。储能电感L所泄放的电流IL2的波形就是锯齿波中随时间线性下降的那一段电流波形17。为了简化计算，将续流二极管VD的导通压降忽略不计，因而储能电感L两端的电压近似为U0,所通过的电流由下式计算。 3-4在t=t2时，储能电感L中的电流到达最

59、小值IL max，其最小值有下式计算 3- 5有式3-4和3-5可以求出在功率开关管V截止期间，储能电感;L中的电流变化值为： 3- 6功率开关管V导通期与截止期能量转换的条件：只有当功率开关管V导通期间tON内储能电感L增加的电流等于功率开关管V截止期间tOFF内减少的电流时功率开关管V才能到达动态平衡，才能保证储能电感L中一直有能量，才能保证源源不断的向负载电路提供能量和功率。这就是构成一个稳压电源的根本条件，因此下面关系式一定成立 3- 7将3-7整理得到输出电压U0与输入电压Ui之间的关系为： 3- 8D为占空比。由于占空比D永远是一个小于1的常数，因此输出电压U0永远小于输入电压Ui

60、。这就是降压型开关电源输入、输出电压之间的关系。由于临界电感量的定义可知功率开关截止的瞬间能使那么临界电感量为： 3- 9要L工作在连续的状态那么有： 3-102.输出滤波电容的计算 3-113.功率开关管的选择(1)的导通饱和压降Uces越小越好(2)功率开关管截止时的反向漏电流Ico越小越好(3)功率开关管的高频特性要好(4)开关时间短，也就是转换时间快(5)功率管的输出端连接的是储能电感L，因此在V的截止期间，其基极-射极之间的反向耐压就等于储能电感上的反向电动势与输出电压值U0之和，近似等于2U018。因此所选择的功率开关管的反向击穿电压应该满足下式： 3-12功率开关选用P沟道的功率