1、DCDg路設(shè)計(jì)一.題目設(shè)計(jì)一個(gè)PWMFF關(guān)穩(wěn)壓電源。要求：輸入電壓1-2V升壓5-20V一.設(shè)計(jì)萬(wàn)案萬(wàn)案1:實(shí)驗(yàn)原理開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理如圖和串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路相比，電路增加了LC濾波電路以及產(chǎn)生固定頻率的三角波電壓發(fā)生器和比較其組成的控制電路。Vi為整流濾波電路輸出電壓，Vb為比較器輸出電壓。Vb>0時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，二極管D截止，電感儲(chǔ)能，電容充電，。而Vb<0時(shí)，三極管截止，濾波電感產(chǎn)生自感電勢(shì)，二極管導(dǎo)通，于是電感中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放。輸出電壓Vo位Vo=qV1,q為脈沖波形的占空比，故稱脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源當(dāng)Vf>Vref時(shí)，比較放大器輸出電壓Va為負(fù)值，Va與固定

2、頻率三角波電壓Vt相比較，得到Vb的的方波波型，其占孔比q<50%便輸出電壓下降到預(yù)定的穩(wěn)壓值。同理，V1下降，Vo也下降，Vf<Vref,Va為正值，Vb的占空比<50%輸出電壓上升到預(yù)定值。具體實(shí)驗(yàn)電路三角波發(fā)生器電路為tk2:DC/D吸換器的基本類(lèi)型開(kāi)關(guān)電源是進(jìn)行交流/直流、直流/直流，直流/交流的功率變換的電源，其核心部分就是DC/DC變換器。其工作原理：控制通/斷電時(shí)間比可以改變的電子開(kāi)關(guān)元件，將直流電能變換為脈沖狀交流電能，然后通過(guò)儲(chǔ)能元件或變壓器對(duì)脈沖交流電能的幅度按人們的要求做必要的變換，再經(jīng)平滑濾波器變?yōu)橹绷?。升壓型變換器如圖表1,當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)

3、電感L和開(kāi)關(guān)管入地，電感上的電壓降左端為正，右端為負(fù)，隨著電流的增大，儲(chǔ)存于電感中的磁能增大；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感上的電壓調(diào)轉(zhuǎn)極性，左端為負(fù)，右端為正，二極管導(dǎo)通，電流對(duì)電容C充電。可見(jiàn)，輸出電壓UO1于輸入電壓UI。在VT導(dǎo)通,VD截止期，負(fù)載上的電流是有電容放電維持的。在開(kāi)關(guān)管和二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓降遠(yuǎn)比輸入的電壓小時(shí)，則在VT導(dǎo)通期間ILMAX=ILMIN+UI/L*ton在VT截止期間ILMIN=ILMAX-(UO-UI)/L*toff由以上二式可得UO=UI(ton-toff)/toff=1/(1-D)*UIuH圖表1a.b兩點(diǎn)為輸出電壓u當(dāng)占空比為0.9時(shí),輸出電壓為13.2V0.5

4、時(shí)，輸出電壓為15.0V方案3：電路原理:串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，調(diào)整管的集電極損耗相當(dāng)大，電源效率低，開(kāi)關(guān)電源克服了上述缺點(diǎn)，調(diào)整管工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)，由于管子飽和導(dǎo)通時(shí)管壓降Vmffi截止時(shí)管子的漏電流Icq皆很小，管耗主要發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，電源效率可達(dá)到8090，且體積小，重量輕。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路和串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路相比，電路增加了LC濾波電路以及脈寬調(diào)制電路（由產(chǎn)生固定頻率的三角波發(fā)生器和比較器組成），電路輸出電壓平均值為：V0=Ton/T（VI-VCES）+（-VD）Toff/TVITon/T=qVI上式中，Ton是調(diào)整管T的導(dǎo)通時(shí)間，To

5、ff是調(diào)整管T的截止時(shí)間，并忽略電感的支流壓降,q=Ton/T為脈沖波形占空比。在閉環(huán)情況下，電路能通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)占空比，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓。電路設(shè)計(jì)：該電路需要設(shè)計(jì)一個(gè)三角波發(fā)生電路，開(kāi)關(guān)電路，濾波電路，負(fù)反饋電路，和一個(gè)減法器（比較放大作用）。先做子電路：1.三角波發(fā)生電路圖示如下：（封裝為“三角波”子電路）0,05 UF10k Ohm該電路參數(shù)如下：周期：T=4(RW1/R2)RW2c=1ms頻率：f=1/T=1KHZ三角波峰值：V0=(RW1/R2)Vz«10V波形圖如下：/十/十/ h z f /K=4 (V2-V1)2.減法器作用對(duì)兩輸入端電壓求差，然后放大一倍。輸入分別為

6、基準(zhǔn)電壓VRET和反饋電壓VF,輸出電壓Va可在一定范圍浮動(dòng)。從而調(diào)節(jié)占空比，來(lái)控制穩(wěn)壓電路輸出電壓VQ減法器電路如下：(封裝為“減法”子電路)電路參數(shù)設(shè)置如圖，可得：Vout=(R4/R3)(V4-V3)=(R4/R3)(1+2R2/R1)(V2-V1)當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸入電壓VI增加導(dǎo)致VO增大，從而VF增大，為了能穩(wěn)壓，電路必須能使方波占空比減小，從下面分析會(huì)看到，也就是使Va減小.所以VF接V1,VRET接V2.子電路設(shè)計(jì)好了，下面來(lái)看完整的串聯(lián)型開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路，具體電路如下圖:外部輸入電壓有波動(dòng)，通過(guò)穩(wěn)壓電路后可得到穩(wěn)定的電壓輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，可調(diào)節(jié)反饋電壓大小，從而調(diào)節(jié)占空比大

7、小，這樣便滿足輸出電壓在520V可調(diào)。電路調(diào)試首先對(duì)電路進(jìn)行理論計(jì)算：VO=qVI三角波峰值電壓Vmax=10V基準(zhǔn)電壓Vret=3V減法器放達(dá)倍數(shù)為4變阻器系數(shù)a貝U:q=10+4(3-aVo)/20所以：Vo=1.1VI/(1+0.2aVI)當(dāng)滑動(dòng)變阻器調(diào)到90%寸，輸出電壓5V;當(dāng)滑動(dòng)變阻器調(diào)到2%寸，輸出電壓20V;當(dāng)滑動(dòng)變阻器調(diào)到2%90吸問(wèn)時(shí)，卒出電壓20V5V之間;與理論計(jì)算值誤差內(nèi)近似相等。三角波電路產(chǎn)生的波形及經(jīng)比較器后產(chǎn)生的波形如下:故障及實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題分析電路設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題如下：1 .最初設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有用減法器，而是用理想比較器這樣，由于比較器輸出電壓只有Vma/口

8、-Vmax兩個(gè)值，這樣便不能起到脈寬調(diào)制的作用.特別是當(dāng)三角波峰值低于Vmax是，三角波會(huì)被淹沒(méi)，這樣后面的比較器失去作用，如果VF>VREF三級(jí)管始終導(dǎo)通，電容電感都不起作用，電路變成了串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路.此時(shí)電路仍能起到穩(wěn)壓作用就是這個(gè)原因.這是電路設(shè)計(jì)時(shí)常見(jiàn)錯(cuò)誤.為了避免這個(gè)錯(cuò)誤，可用減法器(放大4倍)代替比較器.2 .但設(shè)計(jì)完電路后經(jīng)過(guò)思考發(fā)現(xiàn)，減法器的設(shè)計(jì)有些復(fù)雜，其實(shí)只要一個(gè)負(fù)反饋電路就能實(shí)現(xiàn)比較放大作用，放大倍數(shù)同樣可很容易的調(diào)到。3 .在作三角波發(fā)生器時(shí)，單獨(dú)作在一張圖上時(shí)，能產(chǎn)生非常穩(wěn)定和完美的三角波型，然而，把三角波發(fā)生器集成封裝后，連入電路，卻發(fā)現(xiàn)波形變得不穩(wěn)定.經(jīng)

9、過(guò)思考，可能是以下兩個(gè)原因：(1)由于負(fù)載接入使波形變得不穩(wěn)定.(2)軟件問(wèn)題，電路運(yùn)算量太大，導(dǎo)致錯(cuò)誤.因?yàn)榇藭r(shí)電路運(yùn)算非常慢，要以毫秒來(lái)計(jì)時(shí).究竟是不是這兩個(gè)原因，或是其他原因，還需要深思.4 .還有一些沒(méi)有解決的問(wèn)題，如電容和電感取怎樣的值最好.總結(jié)與討論：1 .電路改進(jìn)建議(1)滑動(dòng)變阻器可用一個(gè)子電路替代，該子電路由電阻和開(kāi)關(guān)構(gòu)成，不同的開(kāi)關(guān)可輸出不同的反饋電壓.從而提高電路的調(diào)節(jié)效率.如下圖(2)減法器變?yōu)榉答伒谋容^放大器，如下圖VW(3)增加保護(hù)電路.當(dāng)輸入電壓過(guò)大或過(guò)小時(shí)，保護(hù)電路.2 .設(shè)計(jì)總結(jié)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，要用到的模擬電路知識(shí)，需要認(rèn)真復(fù)習(xí).另外波形分析過(guò)程中要特別注意細(xì)

10、節(jié)，思考電路的工作過(guò)程，不要被一些假象迷惑.實(shí)驗(yàn)中用到的器件與儀器：1 .比較器，電感，電容，電阻，穩(wěn)壓管，三級(jí)管.2 .電壓表，示波器.波形發(fā)生器.萬(wàn)案4:具體電路設(shè)計(jì)1、降壓型(1)電路形式(2)、工作波形射極對(duì)地電壓集電極電流二極管VD 的電流電感中電流L(1)電容c中電完iS)輸出電壓U(o)(3)原理U(i)為輸入直流電壓，U(o)為輸出直流電壓改變基極驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的占空比，也就是改變信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)的占空比，我們就可以控制三極管的導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)控制導(dǎo)通時(shí)間就可以控制電感、電容的充放電時(shí)間，這樣就可以改變輸出電壓U(o)的大小。假設(shè)在一個(gè)周期(T)時(shí)間內(nèi)三極管的導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)(

11、on),截止時(shí)間為T(mén)(off)0那么，在T(on)期間，二極管VD截止，流過(guò)晶體管的電流和流過(guò)電感L的電流均增大，而且增量相等。電感上電壓降的極型是左端為正，右端為負(fù)，可見(jiàn)U(o)<U(i),電流對(duì)電容C充電。在充電過(guò)程中隨著電感L內(nèi)電流的增加，存儲(chǔ)于磁場(chǎng)中的能量也逐漸增加。經(jīng)過(guò)T(on)后，三極管截止。電感L中的電流減小，電壓降的極性是左端為負(fù)右端為正，電流通過(guò)二極管。存儲(chǔ)于磁場(chǎng)中的能量逐漸減小，電容C則放電。通常電容C的電容很大，故充放電引起的電壓變化遠(yuǎn)比輸出直流電壓U(o)小。經(jīng)過(guò)分析可知：U(p)=U、乎=DUi)(D為方波信號(hào)的占空比)由上式可見(jiàn)，改變占空比，即可改變輸出電壓U

12、(o)2、極性反轉(zhuǎn)型(1)電路形式BJT信號(hào)發(fā)生器(2)工作波形信號(hào)發(fā)生器輸出方波波龍電容翱中電流一柢營(yíng)中電流電感中電流(3)原理當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電感中的電流由小到大，電感L上的電壓上正下負(fù)，二極管截止，U(i)向L提供電能；當(dāng)三極管截止時(shí)，電感L上的電壓調(diào)轉(zhuǎn)極性，上負(fù)下正，二極管導(dǎo)通，電感L中電流不斷減小，電感中磁能向電容轉(zhuǎn)移的同時(shí),也有一部分電流流向負(fù)載?？梢?jiàn)，輸出電壓和輸入電壓極性相反。假設(shè)三極管在一個(gè)周期(T)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)(on)截止時(shí)間為T(mén)(off),經(jīng)過(guò)分析可知：i(ofr)由上式可以看出，改變方波信號(hào)的占空比就可以控制三極管的導(dǎo)通、截止時(shí)間,從而控制輸出電壓絕對(duì)值的大小。3

13、、放大型(1)電路形式BJTD-H(2)工作波形方波波形電容器中電流二極管中電流電感中電流(3)原理三極管導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)電感L和三極管入地，電感上的電壓降是左端為正，右端為負(fù)。隨著電流的增大，電感中的磁能增大，當(dāng)三極管截止時(shí)，電感上電壓調(diào)轉(zhuǎn)極性，二極管導(dǎo)通，電流對(duì)電容C充電?？梢?jiàn)，輸出電壓U(o)高于輸入電壓U(i)。假設(shè)三極管在一個(gè)周期(T)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)(on)截止時(shí)間為T(mén)(off),經(jīng)過(guò)分析可知:l-D(D為方波占空比)由上式可以看出，改變方波信號(hào)的占空比就可以控制三極管的導(dǎo)通、截止時(shí)間,從而控制輸出電壓的大小。電路的調(diào)試1、 降壓型PWMfe路的調(diào)試具體電路如下：T-*可以在EW升

14、對(duì)所附電路方案4-降壓型.ewb進(jìn)行相關(guān)調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如下：(1)相關(guān)參數(shù)為：用60V的穩(wěn)壓電源做為輸入電源，信號(hào)發(fā)生器的輸出方波其頻率為2KHZ幅值為11V,電感為5mH電容為470uF,電阻為100歐姆。(2)改變方波的占空比所的輸出電壓U(o)(單位為V如下占空比(%)122S5065758594uco)5.08.313.815.616.517.820.0注：輸出電壓有小范圍波動(dòng)，上表的結(jié)果為近似，如果在電路后再加上濾波電路，那么輸出電壓降很穩(wěn)定。2、極性反轉(zhuǎn)型電路的調(diào)試(1)相關(guān)參數(shù)用30V的穩(wěn)壓電源做為輸入電源，信號(hào)發(fā)生器的輸出方波其頻率為1.5KHZ幅值為11V,電感為20mH電

15、容為470uF,電阻為100歐姆。(2)改變方波的占空比所的輸出電壓U(o)(單位為V)如下占空比網(wǎng)20253540474950U(0)-5.169-12.0-14.047.9-194-20,2注：輸出電壓有小范圍波動(dòng)，上表的結(jié)果為近似，如果在電路后再加上濾波電路，那么輸出電壓降很穩(wěn)定。3、放大型電路的調(diào)試具體電路如下:(ZL8)電路中信號(hào)發(fā)生器輸出三角波，與反饋的電壓信號(hào)來(lái)控制運(yùn)算器的輸出電壓，運(yùn)算器的輸出電壓控制三極管的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制電容的沖放電。當(dāng)輸出電壓變小時(shí)，反饋的電壓變小使三極管的導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，使輸出電壓增大；當(dāng)輸出電壓變大時(shí)，反饋的電壓變大使三極管的導(dǎo)通時(shí)間變短，使輸出電壓增

16、小。由上面的分析可知，電路將輸出穩(wěn)定的電壓信號(hào)。（1）相關(guān)參數(shù)三角波幅值為10V,頻率為IKHz,其它參數(shù)見(jiàn)上面的電路圖。（2）調(diào)試結(jié)果在上面的參數(shù)條件下電路輸出穩(wěn)定20V電壓?？蓪?duì)所附電路方案4一放大型.ewb結(jié)論和討論1、結(jié)論所設(shè)計(jì)的降壓型電路和極性反轉(zhuǎn)型電路能輸出所要輸出的電壓值（極性反轉(zhuǎn)型電路的輸出極性反轉(zhuǎn)）范圍為520V,放大型電路輸出穩(wěn)定的20V電壓，所設(shè)計(jì)電路均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2、 討論（1）上面電路中信號(hào)發(fā)生器的頻率要高（1KHz以上），這樣才能保證后面的的電容、電感能夠充放電。如果頻率很低，那么所充的電能太多而不能放出將使方波信號(hào)對(duì)輸出電壓大小的影響減弱。筆者就曾在低頻率條

17、件下對(duì)輸出電壓進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)方波信號(hào)占空比的改變對(duì)輸出電壓大小的影響極小。（ 2） 在電路原理中推出的理論表達(dá)式是在電感中的電流是連續(xù)的，電容的電壓變化遠(yuǎn)比輸出電壓小的假設(shè)之下，因此要使理論值與實(shí)際值接近就必須使電感的電感量和電容的電容量都應(yīng)該足夠大。與之相比較的是負(fù)載電阻，在開(kāi)關(guān)頻率，電感的電抗應(yīng)遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻；而電容的電抗應(yīng)遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻。（ 3） 本實(shí)驗(yàn)所選電路的輸出電壓有小范圍的波動(dòng)，如果在后面再加上濾波電路那么輸出將很穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中三極管工作在飽和和截止兩中狀態(tài)，因此做為基極控制電壓的方波信號(hào)的幅值較大，本實(shí)驗(yàn)中所用的方波信號(hào)的幅值為11V。如果方波信號(hào)的幅值太小，那么三極管不能

18、導(dǎo)通，這將使方波信號(hào)的控制作用無(wú)效；如果方波信號(hào)的幅值太大（大于集電極電壓），此時(shí)三極管不能正常工作。方案5：一、具體電路設(shè)計(jì)：1 電路原理圖：2 電路波形：3 電路原理：升壓式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源又稱并聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)晶體管與負(fù)載幾孚是并聯(lián)的（中間申一只續(xù)流二極管）下圖為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理方框圖工作波形如下:其穩(wěn)壓原理如下：假設(shè)由于輸入電壓或負(fù)載電流改變而引起輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，采樣電路將此信號(hào)送入比較放大器和基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，進(jìn)行放大，放大后的誤差信號(hào)送到脈沖調(diào)制回路，改變其脈沖占空比，再將此脈沖送到開(kāi)關(guān)晶體管，使流過(guò)電感的電流發(fā)生變化，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定(1) 011

19、期間：開(kāi)關(guān)管BG導(dǎo)通，電感二端電壓為Ui,此時(shí)續(xù)流二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)，E中電流線性上升，可求的方程:i為電感在t=0時(shí)的起始電流。T=t1時(shí)電感中電流達(dá)到最大值，磁場(chǎng)能量也達(dá)到最大值(2) t112:BM止時(shí)間開(kāi)關(guān)晶體管BG截止，電感倆端的電壓極性顛倒，他在導(dǎo)通期間的磁場(chǎng)能量一部分開(kāi)始向電容釋放，另一部分向負(fù)載釋放。可求的U0=Ui/(1-6)其中5=Ton/T4元器件的選擇：(1)、電感Lc=Uo6(1-6)2/2Iof選擇時(shí)L必須滿足L>Lc。L不能取太大,太大會(huì)使電源動(dòng)態(tài)特性變差，且電感體積與重量加大，優(yōu)點(diǎn)是可減少輸出的紋波電壓，本實(shí)驗(yàn)L=20mH。(2)、電容選擇與紋波電壓關(guān)系密切，Upp=Io(1-Ui/Uo)/Cf，所以電容選擇要考慮紋波電壓，加大C值可減少紋波電壓，但體積重量也會(huì)隨之加大，所以要權(quán)衡考慮，一般選用具有良好高頻特性的電解電容。隨著工作頻率加大，可選用小值電容。本電路選用C=100口F。(3)開(kāi)關(guān)調(diào)整管應(yīng)選取飽和壓降Vces和穿透電流Iceo小的功率BJT,為減小管耗，通常要求開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)