付銘驥，蔡佳倧

（1.東華大學(xué) 電氣工程系，上海 201620；2.東華大學(xué) 通信工程系，上海 201620）

將一種直流電壓變換成另一種直流電壓稱為DC－DC變換。在DC－DC轉(zhuǎn)換技術(shù)中，采用直流斬波技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電動汽車、地鐵等交通工具中，其優(yōu)點是可以獲得平穩(wěn)的加速、減速、快速響應(yīng)和節(jié)能效果。DC－DC變換器包括驅(qū)動式、變壓器隔離式等結(jié)構(gòu)，筆者介紹的是采用斬波技術(shù)的驅(qū)動式升壓和降壓變換器。

1 系統(tǒng)概述

1.1 設(shè)計思想

設(shè)計該變換器的本質(zhì)是設(shè)計穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源設(shè)計包括線性穩(wěn)壓電源、集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源，線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下（工作在放大區(qū)）的直流穩(wěn)壓電源。由于線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整管相當(dāng)于一個電阻，電流流過電阻時會發(fā)熱，所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管，一般會產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致效率不高。這是線性穩(wěn)壓電源的一個最主要的缺點。解決這一問題的根本辦法是使調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，可以設(shè)想，如果調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，那么當(dāng)其截止時，因電流很小（為穿透電流）而管耗很??；當(dāng)其飽和時，因管壓降很?。轱柡蛪航担┒芎囊埠苄?，這將大大提高電路的效率，線性穩(wěn)壓電路的效率僅為30%～40%，而開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率高達70～95%[1]。

1.2 總體工作情況

筆者設(shè)計了一個斬波式開關(guān)穩(wěn)壓電源，分別實現(xiàn)DC－DC升壓和降壓。圖1為本文的實驗原理框圖。

圖1 開關(guān)電源的原理框圖Fig.1 Block diagram of switch power supply

1.3 各個功能組成

整個變換器可以分為4部分，包括驅(qū)動式方波電路、功率管組成的調(diào)整電路、濾波電路和比較采樣電路。

1.3.1 方波發(fā)生器

555定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，當(dāng)電路連接好以后，只要接通電源，在其輸出端便可獲得矩形脈沖，如圖2所示，是一種占空比可調(diào)的方波發(fā)生電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器的位置，即可改變輸出方波的占空比[2]，占空比與電流輸出能力有關(guān)，占空比越大，輸出電流越大。

圖2 方波發(fā)生器Fig.2 Square-wave generator

1.3.2 采樣比較電路

比較放大電路由一個穩(wěn)壓管，一個滑動變阻器，若干電阻和LM339運算放大器組成，如圖3所示，其中在電源和一個限流電阻的作用下，穩(wěn)壓管保持反向截止，電壓約為3 V基準(zhǔn)電壓，接入LM339的負(fù)極性端；LC濾波的輸出電壓也就是最后的輸出電壓為UN送入正極性端，電路輸出穩(wěn)定的電壓經(jīng)過采樣得到電壓與基準(zhǔn)電壓之差，經(jīng)運算放大器LM339的放大作用，得到控制信號UC，控制調(diào)整管的工作狀態(tài)[5]。

當(dāng)由于某種原因?qū)е耈o升高時，采樣電路將這一趨勢送到LM339的正相輸入端，并與反相輸入端的Uref約等于3 V進行比較，則LM339輸出高電平，小功率管T3導(dǎo)通，中功率管T2截止，大功率管T1截止，從而降低了占空比q，使UO降低，可知通過斬波達到了穩(wěn)壓的效果。當(dāng)由于某種原因?qū)е耈o降低時，與上述變化相反。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的分壓值，可以改變升壓和降壓的倍數(shù)。

圖3 采樣比較電路Fig.3 Sampling compared circuit

1.3.3 調(diào)整管電路

如圖4所示，調(diào)整管電路由大功率管T1（PNP管），中功率管T2（NPN管）和限流電阻R4組成。通過分析可知，流過調(diào)整管T1的電流Ic近似等于負(fù)載電流IL。負(fù)載電流增加意味著擴大調(diào)整管的電流，調(diào)整管作為大功率管，其放大倍數(shù)都較小，從而需要更大的基極電流。為了解決這一矛盾，可采用中功率T2管配合，在調(diào)整管的基極和中功率集電極之間加一個小電阻，用以降低調(diào)整管的基極控制電流，這個電阻必須滿足在使T2不燒毀的情況下盡量的小。在T2管的基極加上一個電阻，以免因為T2的基極上直接加12 V電壓而使管子燒毀。

圖4 DC-DC降壓電路Fig.4 DC-DC set-down circuit

若不考慮反饋時，由555多諧振蕩器對中功率管的基極提供方波，則中功率管T2處于開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)T2處于飽和狀態(tài)時，大功率管T1導(dǎo)通處于飽和狀態(tài)，此時T1的集電極近似為高電平12 V（忽略飽和壓降）；當(dāng)T2處于截止?fàn)顟B(tài)時，則T1也截止，T1的集電極出低電平0 V，這樣大功率管T1和中功率管T2均處于開關(guān)狀態(tài)，T1輸出的波形送入LC濾波電路進行濾波。

1.3.4 LC濾波電路和尖峰電壓吸收電路

如圖4所示，L1和C3構(gòu)成了LC濾波電路，實現(xiàn)換能電路將方波濾成直流電，當(dāng)電容C3在電源供給的電壓升高時，把部分能量儲存起來，當(dāng)電源電壓降低時，就能把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑；與負(fù)載串聯(lián)的電感L1，當(dāng)電源供給的電流增加時，把能量儲存起來，而當(dāng)電流減少時，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑[3]。

在濾波電路中，如果電感L數(shù)值太小，在Ton期間儲能不足，那么在Toff還未結(jié)束時，能量已放盡，將導(dǎo)致輸出電壓為零，出現(xiàn)臺階，此時電路工作在斷續(xù)導(dǎo)電模式[4]，這是不允許的。該過程中，輸入和輸出電壓關(guān)系可用公式（1）來表示：

同時為了使輸出電壓交流分量足夠小，C的取值應(yīng)該足夠大。換言之，L和C的值越大，Uo的波形越平滑，此時電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式。

圖5為升壓電路的multisim仿真圖，電感L1為儲能電感，旁邊的C1和R14為尖峰電壓吸收電路，由于電感L1的電流不能突變性，在輸入信號低電平時，三極管集電極會出現(xiàn)幾百伏尖峰高壓，因此需吸收電路進行吸收，用1 kΩ電阻和0.1 μF電容組成吸收回路吸收尖峰電壓，則電阻越小吸收得越多。

圖5 DC－DC升壓電路Fig.5 DC－DC set-up circuit

2 電路組構(gòu)與調(diào)試

2.1 設(shè)計總原理及仿真圖

在multisim軟件中，對升壓和降壓變換器分別進行仿真，如圖4和圖5所示，構(gòu)成一個完整的DC－DC調(diào)壓系統(tǒng)，在圖4的降壓系統(tǒng)中，若不考慮反饋，在方波發(fā)生器輸出矩形波的驅(qū)動下，中功率管T2工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)T2工作在開（即飽和狀態(tài)時），T1也工作在飽和狀態(tài)；T2工作在截止?fàn)顟B(tài)時，T1也工作在截止?fàn)顟B(tài)，由此可知，T1，T2處于同時開或者同時關(guān)的狀態(tài)，頻率即為方波發(fā)生器輸出的矩形波頻率。

考慮反饋，在前面分析的基礎(chǔ)上，若電路輸出電壓高于5 V，則經(jīng)采樣分壓后送入LM339同相端的電壓將高于3 V，與反相端的3 V經(jīng)過比較器，LM339輸出為高電平 （LM339高電平大約為12～14 V），小功率管T3飽和導(dǎo)通，則此時中功率管的基極可視為接地，中功率管T2截止，則引起T1截止，濾波電路的輸入電壓的占空比降低，輸出電壓降低，直到濾波電路輸出電壓小于5 V，經(jīng)采樣，LM339同相端低于3 V，LM339出低電平0 V，又根據(jù)LM339輸出端的OC門結(jié)構(gòu)，可知此時小功率管T3的基極為低電平，小功率管截止，導(dǎo)致中功率管進入飽和狀態(tài)，同時大功率管進入飽和狀態(tài)，濾波電路的輸入端電壓占空比升高，直到濾波電路的輸出電壓大于5 V，如此往復(fù)。此后電路處于動態(tài)平衡中，輸出電壓穩(wěn)定在5 V。

圖6為升壓電路的仿真輸出波形，由圖可見，經(jīng)過短暫的上升過程，輸出電壓基本穩(wěn)定在12 V。

圖6 升壓電路仿真波形Fig.6 Boost circuit simulation waveforms

2.2 設(shè)計的實際電路輸出波形

經(jīng)過multisim仿真，構(gòu)建實際電路，圖7和圖8為實際電路中升壓電路的部分輸出波形。

圖7 集電極輸出的尖峰電壓Fig.7 Peak output voltage of the collector

圖8 帶反饋的集電極輸出波形Fig.8 Peak output voltage of the collector with feedback

2.3 紋波分析

紋波是一個直流電壓中的交流成分。直流電壓本來應(yīng)該是一個固定的值，但是很多時候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的，由于濾波不徹底，就會有剩余的交流成分。

調(diào)整管電路輸出端的濾波電容不可能無窮大，而是一個有限值，所以輸出端電壓含有脈動紋波成分，對于連續(xù)導(dǎo)電方式有公式（2）：

式（2）中fs為開關(guān)頻率，fs=1/T，fc為LC低通濾波器的固有頻率。說明紋波可以通過LC低通濾波的固有頻率來降低，使 fs＜＜fc，可使紋波降至最小[6]。

3 結(jié)束語

開關(guān)電源能耗低，輸出電壓穩(wěn)定，是理想的直流調(diào)壓方案。根據(jù)驅(qū)動式直流變換器的工作原理，分別設(shè)計了DC－DC升壓和降壓變換器，使用multisim軟件進行仿真，并在實際電路中進行驗證。實驗證明，升壓變換器可實現(xiàn)輸入5 V直流電壓，輸出12 V直流電壓；降壓變換器可實現(xiàn)輸入12 V直流電壓，輸出5 V直流電壓，具有良好的直流變換功能。

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