课题三：降压型（BUCK）DC-DC电路的设计与制作
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一、 实验目的
1). 学习和了解DC-DC变换电路的特点；
2). 掌握降压型（BUCK）DC-DC电路的结构和工作原理； 3). 熟悉强、弱电电路的隔离应用；
4). 培养电子电路的设计能力和基本应用技能。 二、课题任务
1）设计参数要求：
① DC-DC主电路输入电压VI=12V； ② 输出电压: VO=5V； ③ 输出电流：IO=1A；
④ 输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV，即纹波≤1%； ⑤ 额定输出功率PO=5W。 2）PWM驱动信号：
① PWM驱动信号频率fS=20kHz； ② PWM驱动信号占空比可调； 3）驱动电路：
驱动电路应为单端输入、双端浮地输出。 5）撰写完整的实习报告。 三、实验原理
BUCK电路就是降压电路，开关S闭合的时候，VD二极管承受负压关断，电感充电，电流正向流动，电流值呈现指数上升趋势。开关S断开的时候，VD二极管起续流作用，电感开始放电，电流逐渐下降，通过负载和二极管回到电感另外一端，短暂供电。这样电压就能降低。实际使用的时候，S开关是通过MOSFE或者IGBT实现的，输出电压等于输入电压乘以PWM波的占空比。
开关电源总的来分有隔离型和非隔离型电路。所谓非隔离型电路是根据电路形式的不同，可以分为降压型buck电路、升压Boost型电路、升降压Buck-Boost型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路、Zeta型电路。我们这里主要分析降压型DC-DC转换器的工作原理，Buck电路如图1所示。图中功率MOSFET为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件;开关截止时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。控制电路输出信号使开关管VT导通时，滤波电感L中的电流逐渐增加，因此贮能也逐渐增大，电容器C开始充电。忽略MOSFET的导通压降，MOSFET源极电压应为Uin。
图1 降压变换器原理图
当施加输入直流电压Ui后，降压型电路需经过一段较短时间的暂态过程，才能进入到稳定工作状态。在稳态工作过程中，降压型电路存在着滤波电感电流连续模式( Continuous Current Mode，CCM)和电感电流断续模式(Discontinuous Cur-rent Mode，DCM)两种工作模式。电感电流连续模式是指滤波电感L上的电流iL总是大于0，而电感电流断续模式是指在开关关断期间，有一段时间iL =0。下面就分别分析这两种工作模式。
1．电感电流连续模式
当电感电流连续时，Buck型电路在一个开关周期内经历两个开关状态，即开关导通t0~t1和开关关断tl~t2两个时间段，两种开关状态电路如图2所示（图中虚线表示该段电路在该时段没有电流流过）。
图2 Buck电路CCM模式下开关状态
(a) S导通；(b)S断开
在t0~t1时段，如图2(a)所示，在t=t0时刻，开关S受激励导通，输入电压Ui通过开关S加到二极管VD、输出滤波电感L和输出滤波电容C上，二极管VD因承受反向电压而截止。开关S保持导通到t1时刻，流过开关S的电流is等于滤波电感电流iL。在这段时间内，加在滤波电感L上的电压为Ui-Uo，由于Ui>Uo，这个电压差使电感电流iL线性上升，于是有
（式3-1）
当t=t1，Δt1=t1-t0=ton时，iL从最小值iLmin线性上升到最大值iLmax，iL的增量为
（式3-2）
式中：D =ton/T，称为占空比；ton为开关S的导通时间。
在t1-t2时段，如图2(b)所示，在t=t1时刻，开关S关断。由于在t0~t1时段滤波电感L储能，电感电流iL通过续流二极管VD继续流通。在这段时间内，加在滤波电感L两端的电压为-Uo，电感电流iL线性减小。当t=t2，Δt2 =t2-t1=toff时，iL最大值iLmax线性减小到最小值iLmin，iL的减小量为直到t2时刻，开关S再次受激励导通，开始下一个开关周期。
（式3-3）
对应于一个开关周期T的两个时段t0~t1和t1~t2内，电路中主要电压和电流波形，如图3所示。
图3 Buck型CCM模式下相关波形图
从图3可以看出，开关S导通期间，电感电流iL的增量ΔiL+等于开关S关断器件电感电流iL的减小量iL-，即ΔiL+=iL-。将式(3-2)、式(3-3)代入，得到Uo= DUi(式3-4)
式(3-4)表明，Buck型电路输出电压与占空比D成正比，且占空比总小于1，因此输出电压总是小于输入电压，这也是其成为降压型变换电路的原因所在，改变占空比即可输出电压。忽略电路损耗，输入功率与输出功率相等，
即Pi= Po(式3-5) ，因此有UiIi=UoIo (式3-6)，结合式(3-4)，得到Ii= DIo(式3-7)
四、控制电路方案选择
（a）控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。 斩波电路有三种控制方式：
其控制方式可采用以下3种：
(1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，即脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)方式。
(2)保持开关导通时间tun不变，改变开关周期T，即脉冲频率调制(Pulse Fre-quency Modulation，PFM)方式。
(3)ton和T都可调，即混合调制方式。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
图4 SG3525引脚图
（b）除了使用上述的SG3525设计PWM信号发生电路外，还可以使用555定时器设计PWM信号发生电路。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，一般用双极性工艺制作的称为555，用互补金属氧化物工艺制作的称为7555。555定时器通过外接电阻电容可发出占空比与频率可调的PWM信号，555定时器的芯片管脚图如图5所示，其作为PWM信号发生电路时的电路结构图如图6所示。
图5 555定时器管脚图
图6 555定时器作为PWM信号发生电路
综合方案a与方案b，由于555定时器成本更加低廉，体积更小，调节PWM信号占空比，更改PWM信号频率更为方便，因此可采用方案b作为本课题的PWM信号发生电路。
五、驱动电路方案选择
IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。 该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：
1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。
2）能向 IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。
3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。
4）当 IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。 针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。
方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使