一種寬范圍可調的小型DC-DC降壓變換器

摘要：提出了一種小型可調壓DC-DC降壓變換器的結構。主電路由MOSFET管、電感器及濾波電容器構成。通過PWM波控制，由于PWM波的驅動能力較差，設計驅動電路通過與PWM發生器一同控制MOSFET管的通斷。通過改變PWM波的占空比來改變輸出電壓以達到可調壓的目的。該降壓變換器設計簡單、經濟適用、體積較小，輸出電壓可調。主要由主電路和驅動電路組成。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構進行了深入分析，并通過實物制作驗證其可行性。

引言

　　隨著電子產品的快速發展，消費者對移動電源的需求越來越高，在移動電源中，除儲能部分之外降壓模塊也是必不可少的^[1]。現在市場上大多數降壓模塊均采用固定降壓器件，其輸出電壓不可調節，如需要不同電壓值則需要購買不同型號的降壓器件。本文設計的降壓電路可提供多種輸出電壓、操作簡單、經濟實用。現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雜、而且價格昂貴，本文采用MOSFET管作為降壓主電路的開關器件。MOSFET管價格便宜，應用廣泛，可以降低成本。

1 主電路設計

　　本文主電路采用經濟實用的MOSFET管作為主開關受控器件^[2]， 自 1976 年開發出功率MOSFET 以來，隨著半導體工藝技術的發展，它的性能不斷提高，如高壓功率 MOSFET 其工作電壓可達 1200V，MOSFET 其阻值僅10mΩ，工作頻率范圍從直流到數兆赫;保護措施越來越完善;并開發出各種貼片式功率 MOSFET( 如Siliconix 最近開發的厚度為 1.5mm的“Little Foot ”系列 ) 。另外，價格也不斷降低，使其應用越來越廣泛。主電路的儲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行濾波，防止輸入或輸出的電壓存在高次諧波，損壞用電設備及內部器件。二極管為電感的放電提供續流回路。主電路框圖如圖1所示。

1.1 主電路設計

　　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，經過C1緩沖與C2濾波，當MOSFET管導通時電感L充電，此時負載兩端的電壓為輸入電壓減去電感器兩端電壓，當MOSFET管斷開時，電感器充當電源，經負載與二極管構成回路進行放電，此時負載兩端電壓為電感器兩端電壓，周而復始，達到降壓目的。

1.2 驅動電路設計

　　本文主電路中的MOSFET管由PWM信號控制通斷^[3-6]，PWM波沒有驅動能力有限，因此需要設置一個驅動電路配合PWM波驅動MOSFET管的通斷。本文給出的驅動電路由三個三極管及三個電阻構成，原理簡單，經濟實用。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個電阻，T1、T2、T3為三個三極管，其中T1、T2為PNP型三極管，T3為NPN型三極管。PWM發生器選用msp430f149實現。msp系列具有低功耗、運算速率快等特點。本款單片機可以產生多路PWM波，可以編程實現通過按鍵更改輸出PWM波的占空比。這種方法操作簡單、易于實現。從T1的基極輸入PWM波，當輸入高電平時，T1導通，T2截止，T3導通，此時MOSFET管的柵極輸入一低電平，MOSFET管導通;反之輸入一低電平時，T1導通，T2導通，T3截止，此時MOSFET管的柵極輸入一高電平，MOSFET管截止。

2 實驗驗證

　　為了驗證上述理論的可行性，在實驗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，將主電路與驅動電路結合到一起，構成完整降壓電路。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采用先進的工藝制造，具有極低的導通阻抗，轉換速率快，是一款應用范圍超廣的器件，工作溫度可達170度。主電路的儲能器件選用220μH，最大電流為11A的環形電感器。二極管選用IN5819，它是一種低功耗、超高速半導體器件。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。

　　實物焊接如圖5所示。為了驗證該電路的可行性，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電壓時輸出電壓變換圖;圖9和圖10為輸入15V電壓時的輸出電壓變換圖。(1)分別對三組圖片進行分析可知，當輸入電壓一致時，輸出電壓隨著占空比的增加而增高，每個占空比對應一個輸出電壓。(2)通過對圖6的分析可知當輸入占空比為0%時輸出電壓為0，可以控制關斷MOSFET管。(3)通過分析圖8和圖10可知，在輸入占空比相同時，隨著輸入電壓的升高，輸出電壓也在升高。驗證結果與理論相符，設計方案切實可行。

3 結論

　　本文給出的小型可調壓DC-DC降壓電路經過理論分析、電路設計、實物制作及實物測試等環節的驗證，證明該方案切實可行，并具有廣泛的應用前景。采用價格低的MOSFET管，降低了制作的成本，使本電路更加經濟實用。

參考文獻：

　　[1]賽迪顧問. 國內電源管理芯片市場分析與展望等[EB/OL]. http://www.eaw.com.cn

　　[2] 鄒一照. 基于同步整流技術的降壓DC-DC轉換器設計[D]. 東南大學碩士學位論文, 2006.

　　[3]趙川紅,徐德鴻,范海峰,等.PWM加相移控制的雙向DC/DC變換器[J].中國電機工程學報,2003,23(10):72-77

　　[4]K. T. Ngo. Alternate forms of the PWM switch model. IEEE Tran. On Aerospace and Electronic systems

　　[5]Tymerski, V Vorpcrian, Lee, and W T-Baumann. Nonlinear modeling of the PWM switch. IEEE Trans. On Power Electronics

　　[6]陳國安. DC—DC中PWM模塊的設計與優化[D]. 東南大學碩士學位論文, 2007

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第1期第36頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。