DC-DC高效电源论文(4)

时间：2025-04-05

一、设计要求

1.1 设计任务

设计并制作一个6－12V直流电压输入的高效率DC-DC电源。

1.2设计内容

1.2.1基本要求

9V输入时，设计电路，使得在2欧姆负载上，（1）DC-DC开关电源输出电压5V；

（2）在输出电压为5V时，输出电压纹波小于2％；并尽可能减小输出电压纹波；

（3）在输出电压为5V时，DC-DC电源效率应大于85%；

（4）加入单片机控制，通过按键改变输出电压，以0.5V为步进，从5V输出到2V输出循环可调；

（5）在输出电压为2V时，效率大于75％； 1.2.2发挥部分

自选负载电阻大小，可通过长按按键，在输出电压恒定模式(LED灭)和输入电流恒定模式（LED亮）间切换，由LED显示当前状态。

（1）在输入电流恒定模式下，当输入电压从6V到12V变化时，保持输入电流恒定在1A；调整时间不超过1s，越短越好；

（2）在输入电流恒定模式下，短按按键，设定输入电流的大小在200mA和1A间切换；以200mA为步进；

（3）切换到输出电压恒定模式，更换负载电阻为500欧，调节输出电压为5V，尽可能提高电源的效率；

（4）减少器件使用的数量，降低成本；

二、方案与论证

2.1 系统总体方案设计

图一系统总框图

通过按键控制输出电压，对Sepic电路的输入电流进行采样，将采样得出的值通过A/D送入STM32F103单片机，STM32F103单片机通过PID运算输出PWM，实现对开关管的导通与截止，从而控制主电路的电流值，达到所要求的电流比例，并且通过12864液晶显示。

2.2主控芯片选择

选择一：

MSC-51为8位单片机，价格低，技术成熟，但I/O口少，RAM、ROM容量小，需外接A/D，运算速度低，功耗高。

选择二：

采用STM32F103单片机，内部有非常丰富的资源，工作主频高，运算速度快，本身带有AD转换电路，程序易编写和调试，RAM、ROM空间大，指令周期短，具有强大的PWM输出功能，低电压供电，超低损耗，可以实现更高性价比的要求。

综上所述：选用选择二即STM32F103单片机作为主控芯片。

2.3拓扑结构设计

题目要求为6－12V直流电压输入，输出电压为5V的开关电源，故采用降压电路。设计一：

选用Buck电路。如下图，当T导通时，电源E向负载供电，负载电压为E，当T关断时，负载电压近似为0，当电路工作达到稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，故能达到题目要求进行降压操作，但稳定电流操作对电流进行采样时会出现电流断续的情况，不利于电流采样。

图a Buck电路

设计二：

选用Cuk电路[1]。IGBT处于通态时，E L1 V回路和R L2 C V回路形成通路流过电流。当IGBT处于断态时，E L1 C VD回路和R L2 VD回路形成通路。电路也具有升降压的功能，而且其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，没有阶跃变化，有利于对输入、输出进行滤波。但是，Cuk斩波电路输出电压与输入电压方向相反，若在电路中添加反相器，会使电路变得繁琐，功耗变大。

图b Cuk电路

设计三：

选用Buck-boost变换器[1,4]。该电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量。同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放。可见，负载极性与电源极性相反。同样存在极性相反的问题，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

图c Buck—boost电路

设计四：

选用Sepic斩波电路[1,4]。Sepic电路的基本工作原理为：当处于通态时，电源向电感一供电，电容一释放能量向电感二充电，当开关管断开时，电源、电感一同时向负载供电，电容一储存电能，电感二也向负载提供能量。Sepic斩波电路既能升压又能进行降压操作，在此系统中我们使用的是其降压功能。Sepic电路具有输出连续电流特点，方便进行电流采样，同时，负载电流是脉冲波形，有

利于输入滤波。

图d Sepic电路

综上所述，选用设计四作为主电路的拓扑结构。有利于达到稳定输入电流的效果。

2.4提高效率设计

开关管，电感电容的选择很重要。开关管要注意导通压降、开关速率、额定电流。电感要注意在设定频率下工作是否会饱和。电容要注意耐压。各器件的额定电流值尽量大于导通电流的两倍以上。主通路线路尽量粗，减少导通电阻。

设计一：

此电路中选用耦合电感来代替Sepic电路中的两个单个电感，是因为耦合电感具有更少的组件数目、更佳的集成度以及相对于使用两个单个电感来说有更低的电感要求。另外，耦合电感可受益于漏电感，可降低AC电流的损耗。

设计二：

采用开关管代替经典Sepic电路中的二极管。由于电路导通时二极管相当于一个等效电阻，会消耗一定的能量，不利于提高效率。而开关管导通时相当于完全导通，没有压降，可降低损耗，利于提高效率。

综上所述，选用设计一和设计二结合作为提高效率设计。

三．理论分析与计算

3.1 DC-DC变换器稳压方法