一種寬范圍可調(diào)的小型DC-DC降壓變換器

 摘要：提出了一種小型可調(diào)壓DC-DC降壓變換器的結(jié)構(gòu)。主電路由MOSFET管、電感器及濾波電容器構(gòu)成。通過PWM波控制，由于PWM波的驅(qū)動(dòng)能力較差，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路通過與PWM發(fā)生器一同控制MOSFET管的通斷。通過改變PWM波的占空比來改變輸出電壓以達(dá)到可調(diào)壓的目的。該降壓變換器設(shè)計(jì)簡單、經(jīng)濟(jì)適用、體積較小，輸出電壓可調(diào)。主要由主電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。該變換器適用于較低壓工作場合，輸入電壓在5V至20V之間，輸出電壓在3V至18V之間。對電路的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，并通過實(shí)物制作驗(yàn)證其可行性。

引言

隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，消費(fèi)者對移動(dòng)電源的需求越來越高，在移動(dòng)電源中，除儲(chǔ)能部分之外降壓模塊也是必不可少的[1]?，F(xiàn)在市場上大多數(shù)降壓模塊均采用固定降壓器件，其輸出電壓不可調(diào)節(jié)，如需要不同電壓值則需要購買不同型號的降壓器件。本文設(shè)計(jì)的降壓電路可提供多種輸出電壓、操作簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。現(xiàn)在降壓電路的主電路多采用IGBT或者采用容阻降壓電路原理，這兩種降壓電路較為復(fù)雜、而且價(jià)格昂貴，本文采用MOSFET管作為降壓主電路的開關(guān)器件。MOSFET管價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，可以降低成本。

1 主電路設(shè)計(jì)

本文主電路采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的MOSFET管作為主開關(guān)受控器件[2]， 自 1976 年開發(fā)出功率MOSFET 以來，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，它的性能不斷提高，如高壓功率 MOSFET 其工作電壓可達(dá) 1200V，MOSFET 其阻值僅10mΩ，工作頻率范圍從直流到數(shù)兆赫;保護(hù)措施越來越完善;并開發(fā)出各種貼片式功率 MOSFET( 如Siliconix 最近開發(fā)的厚度為 1.5mm的“Little Foot ”系列 ) 。另外，價(jià)格也不斷降低，使其應(yīng)用越來越廣泛。主電路的儲(chǔ)能器件選用電感器件，在主電路的輸入端與輸出端分別加入由電解電容器與瓷片電容器構(gòu)成的緩沖濾波器，防止器件損壞。瓷片電容器的作用主要是進(jìn)行濾波，防止輸入或輸出的電壓存在高次諧波，損壞用電設(shè)備及內(nèi)部器件。二極管為電感的放電提供續(xù)流回路。主電路框圖如圖1所示。

1.1 主電路設(shè)計(jì)

分析主電路框圖(圖1)和主電路原理圖(圖2)可知，輸入端輸入一直流電壓，經(jīng)過C1緩沖與C2濾波，當(dāng)MOSFET管導(dǎo)通時(shí)電感L充電，此時(shí)負(fù)載兩端的電壓為輸入電壓減去電感器兩端電壓，當(dāng)MOSFET管斷開時(shí)，電感器充當(dāng)電源，經(jīng)負(fù)載與二極管構(gòu)成回路進(jìn)行放電，此時(shí)負(fù)載兩端電壓為電感器兩端電壓，周而復(fù)始，達(dá)到降壓目的。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文主電路中的MOSFET管由PWM信號控制通斷[3-6]，PWM波沒有驅(qū)動(dòng)能力有限，因此需要設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路配合PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET管的通斷。本文給出的驅(qū)動(dòng)電路由三個(gè)三極管及三個(gè)電阻構(gòu)成，原理簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。如圖3所示，輸出端接主電路中MOSFET管的柵極。圖3中R1、R2、R3為3個(gè)電阻，T1、T2、T3為三個(gè)三極管，其中T1、T2為PNP型三極管，T3為NPN型三極管。PWM發(fā)生器選用msp430f149實(shí)現(xiàn)。msp系列具有低功耗、運(yùn)算速率快等特點(diǎn)。本款單片機(jī)可以產(chǎn)生多路PWM波，可以編程實(shí)現(xiàn)通過按鍵更改輸出PWM波的占空比。這種方法操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)。從T1的基極輸入PWM波，當(dāng)輸入高電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止，T3導(dǎo)通，此時(shí)MOSFET管的柵極輸入一低電平，MOSFET管導(dǎo)通;反之輸入一低電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T2導(dǎo)通，T3截止，此時(shí)MOSFET管的柵極輸入一高電平，MOSFET管截止。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論的可行性，在實(shí)驗(yàn)室制作降壓電路并試降壓效果。降壓電路整體的原理圖如圖4所示，將主電路與驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合到一起，構(gòu)成完整降壓電路。C1與C4選用4700µF/100V的電解電容器。C2與C3選用瓷片電容器，容值為470nF量級。MOSFET管選擇P道型IRF9530N，IRF9530N采用先進(jìn)的工藝制造，具有極低的導(dǎo)通阻抗，轉(zhuǎn)換速率快，是一款應(yīng)用范圍超廣的器件，工作溫度可達(dá)170度。主電路的儲(chǔ)能器件選用220µH，最大電流為11A的環(huán)形電感器。二極管選用IN5819，它是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件。T1與T2為三極管，采用PNP型，型號為9013。T3為NPN型三極管，型號為9012。R1與R2阻值為3.3KΩ，R3與R4阻值為10kΩ。

實(shí)物焊接如圖5所示。為了驗(yàn)證該電路的可行性，分別輸入5V ,15V直流電壓，并且在輸入電壓不變的情況下分別輸入不同的占空比，通過示波器觀察輸出電壓的大小變化。其中圖6至圖8為輸入5V電壓時(shí)輸出電壓變換圖;圖9和圖10為輸入15V電壓時(shí)的輸出電壓變換圖。(1)分別對三組圖片進(jìn)行分析可知，當(dāng)輸入電壓一致時(shí)，輸出電壓隨著占空比的增加而增高，每個(gè)占空比對應(yīng)一個(gè)輸出電壓。(2)通過對圖6的分析可知當(dāng)輸入占空比為0%時(shí)輸出電壓為0，可以控制關(guān)斷MOSFET管。(3)通過分析圖8和圖10可知，在輸入占空比相同時(shí)，隨著輸入電壓的升高，輸出電壓也在升高。驗(yàn)證結(jié)果與理論相符，設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

3 結(jié)論

本文給出的小型可調(diào)壓DC-DC降壓電路經(jīng)過理論分析、電路設(shè)計(jì)、實(shí)物制作及實(shí)物測試等環(huán)節(jié)的驗(yàn)證，證明該方案切實(shí)可行，并具有廣泛的應(yīng)用前景。采用價(jià)格低的MOSFET管，降低了制作的成本，使本電路更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。