基于Buck电路的直流稳压电源设计案例

【研究背景及意义】

直流稳压电源广泛应用于汽车、航空、直流调速等领域。其中，5V直流电源是通信电子设备常用的电源。

直流电源电路结构有很多种，主要分为两类：单端变换器(反激式、正激式)和双端变换器(推挽式、半桥式、全桥式)。本文介绍了一种基于降压变换器的5V开关电源的设计方法。所设计的开关电源系统效率高，可作为手机充电电源。

【方法与结果】

整流滤波电路设计：为了提高工作效率，采用整流桥来实现。参数选择应考虑最大电流限制和反向耐压限制。滤波电路一般由电容器、电感和电阻组成。考虑到本次实验中整流滤波电路之后还有其他转换电路，且负载容量较小，采用电容滤波来满足要求。

DC/DC拓扑电路方案：DC/DC变换器是整个系统的核心，它可以控制输出电压，决定整个系统的效率。电压调节率和负载调节率的要求主要体现在DCDC变换器的输出电压稳定性和系统闭环调节的准确性上。

根据设计要求具有降压功能，满足要求的电路结构有很多。本课题采用降压电路实现DC-DC转换。降压变换器又称降压变换器。降压电路结构简单，不需要隔离变压器，控制灵活方便。Buck变换器的工作原理和电流波形如图1所示。

图1 降压变换器电路原理及电流波形图

Buck电路的工作过程可分为两个阶段。当开关接通时，输入电压加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。当开关断开时，由于电感上的电流不能突然改变，电感电流流过二极管VD。当开关再次打开时，二极管VD迅速关断，电流从输入电源和开关管流出。在开关打开之前的那一刻，电感上的电流Imin是通过开关的初始电流。

PWM控制电路设计：控制电路最重要的功能是产生PWM信号。PWM信号可以控制Buck电路中主功率开关器件的通断，并通过调节占空比来控制输出电压的平均值。产生PWM信号的主要方法是集成控制芯片(TL494、SG3525、UC3842)等。

本文采用SG3525控制装置。与其他控制芯片相比，SG3525的软启动性能优越，外围电路也非常简单，占空比调节更方便，频率可调。实验表明，Buck电路的开关频率在25~50kHz范围内，Buck稳压器的整体体积可以随着频率的增加而减小。

但是频率超过50kHz，这种优势就非常有限了，因为这不仅增加了损耗，而且还需要大体积的散热器。本文的频率为20kHZ，具体参数值可从SG3525的振荡频率中得到。

输出过流保护电路的设计：负载过流保护主要是保护输出电流过大，防止电路电流过大而产生安全问题的一种保护装置。SG3525具有过流保护功能。可以使用SG3525芯片的10针锁存控制端子来控制电路的输出。

工作时，一般将比较器的非反相端子通过康坦线连接到负载电压端子，将反相端子连接到参考电压端子，将输出端子通过电阻连接到芯片的引脚10。当电压达到一定值时，比较器的输出将提高引脚10的电位。

当引脚10上的信号高时，PWM小寄存器将快速动作，禁止SG3525 OUTPUT输出。此外，软启动电容器也在此时开始放电。如果高电平持续，则软启动电容器将完全放电，直到关机信号结束，然后重新进入软启动过程，实现过流保护。过流保护电路原理如图2所示。

图2 过流保护电路原理图

系统总体设计如图3所示，主要包括降压电路、PWM产生电路、保护电路和显示电路。

图3 系统设计电路图

开关电源测试波形如图4所示：

图4 负载为5Ω时的输出显示

【总结与讨论】

本文介绍了采用降压电路设计实现5V开关直流电源的方法。所设计的开关电源具有纹波小、连续可调、稳定性好等优点，可用于低压、大功率供电场合。

①输入交流电压Ui为：180V~240V。

②输出直流电压UO为：4.5V~5.5V。

③输出电流I OMAX ：2A。

④具有过流保护功能。

⑤具有输出电压测量和数显功能。