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1、桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 21页 课程设计(论文)说明书题 目： DC-DC电压变换器 （5V升压到24V） 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 通信工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 高级工程师 2008年 1月 4 日摘 要摘要：本文从Boost变换器的基本知识，555集成电路和5V24V DCDC 电压变换器的设计与制作、调试等几个方面对电压变换器进行了阐述。 本次的课程设计主要利用555时基电路组成的多谐振荡器输出一个方波去控制Boost电路的电子开关，从而控制输出的电压，达到升压且稳压的目的。关键词：Boost变换器；555定时器；
2、占空比AbstractAbstract: In this paper the basic knowledge Boost Circuit, 555 integrated circuits and 5 V-24V DC-DC voltage converter design and production, debugging, and several other aspects of the voltage converter are described. The curriculum design of the main circuit-555 at the Multivibrator a s
3、quare wave output Boost circuit to control the electronic switches to control the output voltage, and to boost the purpose of regulator.Keyword:Boost converter；555 timer；duty cycle目 录引言11 Boost变换器111 别名112 线路组成113 工作原理1131 假定 1132 工作过程 114 电路各点的波形215 主要概念和关系式32 555时基电路421 555芯片422 用555定时器构成的多谐振荡器63
4、DC-DC电压变换器的设计831 设计要求832 设计思路833 计算及取值834 用Multisim2001的仿真电路 94 PCB电路板的制作 941 原理图的设计942 PCB图的生成1043 电路板制作115 电路板的调试与结果分析116 设计体会12谢辞13参考文献 14附录1 15附录2 16摘 要摘要：本文从Boost变换器的基本知识，555集成电路和5V24V DCDC 电压变换器的设计与制作、调试等几个方面对电压变换器进行了阐述。 本次的课程设计主要利用555时基电路组成的多谐振荡器输出一个方波去控制Boost电路的电子开关，从而控制输出的电压，达到升压且稳压的目的。关键词：
5、Boost变换器；555定时器；占空比AbstractAbstract: In this paper the basic knowledge Boost Circuit, 555 integrated circuits and 5 V-24V DC-DC voltage converter design and production, debugging, and several other aspects of the voltage converter are described. The curriculum design of the main circuit-555 at the M
6、ultivibrator a square wave output Boost circuit to control the electronic switches to control the output voltage, and to boost the purpose of regulator.Keyword:Boost converter；555 timer；duty cycle引言电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。一般电力（如市电）要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有：交流转换成直流（AC-DC），直流变交流(DC-AC)，高压变成低压，低压
7、变成高压等等。按电力电子的习惯称谓，ACDC称为整流，DCAC称为逆变，ACAC称为交流-交流直接变频，DCDC称为直流-直流变换。为达到转换目的，手段是多样的。本文主要从常用到的Boost直流变换电路的基本知识，NE555时基电路和5V升为24V直流电压变换器的设计与制作、调试等几个方面对DC-DC直流电压变换器进行了阐述。1 Boost变换器1.1 别名 升压变换器，并联开关电路，三端开关型升压稳压器。1.2 线路组成线路如图1-1所示由开关S，电感L，电容C组成。完成把电压Vin升压到Vo的功能。 (a)Boost电路原理图 (b)由晶体管和二极管组成的Boost电路图1-1 Boost
8、电路1.3 工作原理1.3.1 假定:为分析稳态特性，简化推导公式过程，特作如下几点假定；(1)开关晶体管，二极管均是理想元件。也就是可以瞬间地“导通”和“截止”，而且“导通”时压降为零，“截止”时漏电流为零。(2)电感，电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。(3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。1.3.2 工作过程 当开关S在位置A时，相当于晶体管处于导通状态，二极管反向偏置而截止，整个电路分成前后两部分，如图1-2(a)所示。电流流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加。电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R
9、上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，输出为上正下负。由于开关晶体管导通，二极管阳极接Vin负极，二极管承受反向电压。所以电容不能通过开关管放电。当开关转换到位置B时， 相当于晶体管处于截止状态，二极管导通，构成电路如图1-2(b)。由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持不变。这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源VS串联，以高于Vo电压向电容C，负载R供电。高于Vo时，电容有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降低趋势时，电容向负载R放电，维持Vo不变。 (a) (b)图1-2 Boost变换器电路工作过程 由于VL+Vin向负载R供电时，Vo高于Vin，故称它为升压变压
10、器。工作中输入电流Is=是连续的。但流经二极管D1电流却是脉动的。由于有C的存在，负载R上仍有稳定连续的负载电流Io。1.4 电路各点的波形 按在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态或不连续工作状态两种模式。本文只讨论连续工作状态。波形各如图1-3所示。图1-3 电感电流连续 在连续工作状态，开关周期Ts最后的时刻电流Ia值，就是下一个Ts周期中电流的开始值。但是，如果电感量太小，电流线性下降快，即在电感中能量释放完时，尚未达到晶体管重新导通的时刻，因而能量得不到及时的补充，这样就出现了电流不连续的工作状态。在要求相同功率输出时，此时晶体管的最大瞬时电流比连续状态下要大，同时输出直流电压
11、的纹波也增加。在连续工作状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随L增大而减小。1.5 主要概念和关系式下面分析开关闭合和断开的情况与输出电压的关系。在图三中设开关动作周期为Ts，闭合时间为t1=D1Ts。断开时间为t2-t1=D2Ts。 D1为接通时间占空比， D2为断开时间占空比，它们各自小于1，连续状态时D1+ D2=1。在输入输出电压不变前提下，当开关S在A位时， 线性上升，其电感电流增量为:开关位在B时， 线性下降，其增量为:由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等，所以化简得:电压增益 由式(1-1)可知，电压增益与不单与D1有关，而且与D2有关。由此，我们可以通过改变输入方波的占空比来控
12、制开关晶体管的通断时间，从而改变电压增益，以达到实际所需要的输出电压值。利用555定时器构成的多谐振荡器可以方便地输出方波。下面先来介绍一下555定时器。2 555时基电路2.1 555芯片555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路，利用它可以方便地构成各种脉冲单元电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受广大电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。尽管世界各大半导体或器件公司，厂家都在生产各自型号的555/556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。其内部电路结构和外部引脚排列如图2-1所示。（a）555芯片内部电路
13、结构（b）555外部引脚功能图2-1 555芯片电路由电压比较器C1和C2，基本RS触发器及集电极开路的放电三极管TD组成。V11是比较器C1的输入端(也称阈值端)，V12是比较器C2的输入端(也称触发端)。C1和C2的参考电压(电压比较器的基准) VR1和VR2由VCC经3个5K电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=1/3VCC ，VR2=2/3 VCC。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=1/2 VCO。是置零输入端。只要在端上加上低电平，输出端V0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使处于高电平。是放电三极管TD的集电极引出端，也称为D
14、ISC。图中的数码18为器件引脚的编号。NE555的功能表如表2-1所示。当V11VR1，V12VR2时，比较器C1的输出VC1=0，比较器C2的输出VC2=1，基本RS触发器被置0，TD导通，同时输出Vo为低电平。表2-1 NE555功能表当V11 VR2时 ，VC1=1，VC2=1，基本RS触发器的状态保持不变，因而TD和VO的状态也维持不变。 当V11 VR1， V12 VR1， V12 VR2时 ， VC1=0， VC2=0，基本RS触发器处于=1的状态，VO为高电平，同时TD截止。2.2 用555定时器构成的多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器电路如图2-2所示。图2-2 用55
15、5定时器构成的多谐振荡器在电路中，将555定时器的V11和VR2输入端并在一起，接到RC电路中的电容器C的上端；R由R1和R2两个电阻组成，两个电阻的中点接到放电三极管TD的放电端V0。比较电压由电源VCC经3个电阻分压形成。外接控制电压输入端未用，经0.01uF电容下地，以防干扰。下面分析该电路的工作原理。当电路加电时，电容C上的电压Vc=0，即V11 VR1，V12 VR2，VC1=1，VC2=0，基本触发器被置1输出Vo为高电平，电路工作在暂稳态。在暂稳态， VCC经R1，和R2对电容C充电，使Vc电压上升。当V1上升到1/3 VCC V12/3VCC (V11 VR2)阶段时，VC1=
16、1，VC2=1，基本触发器的状态保持不变，输出仍为高电平。当VC电压上升刚超过2/3VCC时，V11 VR1，V12 VR2，VC1=0，VC2=1，基本触发器被置0，电路发生状态转换，使输出V0为低电平，电路进入暂稳态。在暂稳态，TD导通，电容C停止充电，反过来经过电阻R2和放电管TD放电，使VC电压下降。当Vc刚下降到1/3 VCC以下时，V11 VR1，V12 VR2，基本RS触发器又被置1，输出V0变为高电平，电路又回到暂稳态。如此反复，产生矩形波。波形如图2-3如示。图2-3 多谐振荡器工作波形图振荡周期T是多谐振荡器电路的一个重要指标，由图可知振荡周期T=+ 式中， 是电容C充电过
17、程经历的时间。由图1-1和图1-2可以看到，充电过程的时间常数T=(R1+R2)C，起始值Vc(0+)= 1/3VCC，稳态值VC()=VCC，转折值VC()= 2/3VCC，所以有是电容放电过程经历的时间。放电过程的时间常数=C，初始值Vc(0+)=2/3VCC ，稳态值VC()=0V，转折值VC()= 1/3 VCC，所以有由式(1)和式(2)得到周期改变R1，R2的值，可以得到各种周期或频率的矩形波。占空比q是多谐振荡器的别一个主要技术参数，由占空比的定义得到3 DC-DC电压变换器的设计3.1 设计要求利用NE555芯片设计一个直流升压电路，要求输入直流电压5V，输出直流电压24V。3
18、.2 设计思路 设计电路图如图3-1所示：图3-1 设计电路图 该电路由NE555芯片构成的多谐振荡器和Boost电路以及可调节输出电压的后级电路组成。NE555芯片与电阻R1，R2和电容C1构成多谐振荡器，由NE555芯片的三管脚输出一个方波，以此方波控制Boost电路中开关晶体管Q1的通断状态（其中R3是保护电阻，防止从三管脚输出的电流过大而烧坏Q1），改变方波的占空比可以控制Boost电路的电压增益，以达到将直流低电压（5V）升至直流高电压（24V）的设计要求。后级可调节输出电压的电路由电阻R5、滑线变阻器RP、稳压管VS和开关晶体管Q2组成，主要起稳压作用。当输出电压超出设计的要求时，
19、稳压管VS两端的电压过大，稳压管被击穿而使晶体管Q2导通（电阻R4是防止Q2导通时把电源短路），这时NE555芯片的置位端（4管脚）置位，输出端（3管脚）输出低电平，输出电压下降，从而起到稳压的作用。调节RP可改变稳压管VS两端电压，使输出电压值不会超出预定的范围。3.3 计算及取值 比较图三和图六可以得到：=，=，= 。结合上式再由公式（2-2）和公式（2-3）可得：由公式（1-1）和公式（3-1）可得出电压增益与R1和R2的关系因为设计要求Vin=5V，Vo=24V，则即： R2取一个定值电阻，为了方便计算，可取R2=1K，由公式（3-4）可计算得到R1=2.8 K。考虑到实际电阻的阻值和
20、标称值有误差，在实际中可以用一个滑线变阻器（调节范围为010 K）来代替R1，这样便起到调节占空比的作用。3.4 用Multisim2001的仿真电路仿真电路如图3-2所示：图3-2 Multisim2001仿真电路图4 PCB电路板的制作4.1 原理图的设计原理图的设计与PCB图的生成，主要通过Protel 99se软件编辑。原理图的设计流程：设置原理图设计环境放置元件原理图布线检查调整原理图生成网络表格。设置原理图设计环境：运行Protel 99se，执行File|New命令新建一个设计管理数据库文件Mydesign。ddb，然后单击主菜单的File|New命令，选择Schematic D
21、ocument图标，单击OK按钮进入原理图编辑窗口。放置元件：在电路中放置元件之前，必须加载元件库文件。执行主菜单的Design|ADD Remove Library命令或单击左侧设计管理器的Add|Remove按钮，在出现的对话框中的“搜寻”下拉列表框中选择库文件所在路径。在Selected Files列表框中选择Miscellaneous Devices元件库，单击Add按钮加载库文件。执行Place|Part命令，输入元件名字，即可将元件放置到电路图上。原理图布线：元件的连接比较简单，只需单击源引脚和目的引脚就可以完成元件的连接。检查调整原理图：双击元件可修改元件的参数。调整元件时，移动
22、和旋转元件，Multisim 2001仍可以保持它们的连接。连线可以任意拖动和微调。生成网络表格：网络表格(SPICE netlist)是电路原理图设计(Sch)与印制电路板设计(PCB)之间的一座桥梁， SPICE netlist可从电路原理图中获得。执行Design|Create Netlist命令，在Ooutput Format下拉框中选择Sheet Symbol|Port Connections和Active project选项。单击OK生成SPICE netlist。其原理图见附录1。4.2 PCB图的生成PCB制作流程：插入原理图网络表格生成PCB手动调整元件位置布线打印输出。插入
23、原理图网络表格生成PCB:执行File|New命令，选择PCB Document建立一个新的PCB文件，进入电路板图编辑环境。采用系统默认参数。执行Design|Netlist命令，单击Browse按钮，选择与原理图对应的SPICE netlist文件，单击Execute按钮，加载元件。手动调整元件位置：加载元件后，此时元件堆在一起，尚未布局。由于这次的元件不多，所以不采用自动布局，使用手动布局。布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起，注意元件间距离不要太近，而且元件间的连线尽量少交叉。布线：元件位置调整好了以后，布线可以先采用局部自动布线，再手
24、动布线。为了使得电路板的线路比较好看，可以将自动布线中太多折点的线用手动布直。打印输出：将完成的PCB保存，用特定的油纸打印输出。PCB图见附录2。4.3 电路板制作选择合适尺寸的铜板，先将铜板的表面用沙纸打磨干净，将打印输出的PCB油纸用熨斗熨上去。注意要等冷却后再将油纸撕下，太早撕下会使PCB印到铜板上的效果不好，油墨会掉，在腐蚀时会把线腐蚀断。在铜板上印好PCB油墨后，用三氯化铁溶液腐蚀铜板，溶液的温度可适当加高，容易腐蚀。将腐蚀好的铜板钻好孔，把油墨用沙纸擦掉，按照PCB图放上元件，然后焊接。在电子制作过程中，焊接工作是挺重要的。它不但要求将元件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固、圆
25、滑。焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。5 电路板的调试与结果分析按电路图从输入端输入直流电压5V，在输出端接入不同的负载电阻，测得输入电压、输入电流、输出电压和输出电流数据如表5-1：表5-1 测试数据记录负载/ K输入电压/V输出电压/V输入电流/mA输出电流/mA50523.9112.50.478100524.090.20.240140524.080.20.171150524.073.50.160分析表2的数据，可计算出该电路的效率，如表5-2：表5-2 电路效率计算分析负载/ K输入功率/mW输出功率/mW效率/%50562.511.422.030%1004
26、51.05.761.277%140401.04.1041.023%150367.53.841.045%6 设计体会 在本次的电路设计与制作过程中，有过几次失败，仿真的时候能达到设计的要求，但实际做出来的电路板却和仿真的不一样，输出的电压升不到设计所需要的电压值(只能从5V升压到12V左右)。 总结失败的原因，除了实际元件器的值与称准值有误差造成实际电路与仿真结果不符合外，最主要的原因还是因为理论知识不够，没有深刻地弄懂原理图。后来，通过自己上图书馆找书翻看了多种资料后，才真正算是懂得了电路的原理，从而改变了设计思路，成功地做出了符合要求的电路板。这次设计让我真正体会到了理论和实际相结合的重要性
27、。谢 辞 这次的课程设计让我更加熟练地掌握和运用了Protel，Multisim，EWB等EDA软件，同时也巩固了模拟电路和数字电路的知识。在设计的过程中，遇到了许多问题，本着严谨求实的科学态度，我认真地对待每一个困难，最终通过查找阅读了相关的资料，和同学一起讨论，还有老师的讲解和指导，找到了解决困难的方法。在这次的课程设计中，我体会到了理论与实际相结合的重要性，也体会到了设计一个产品由失败到成功的过程中的快乐与成就感。在完成这次课程设计过程中，通过查阅多种资料，让我对DCDC电压变换器的原理和应用有了一定的了解。在此，特别感谢学校给我们提供了这样的实践动手的机会，不但让我们固定了理论知识，也锻炼了我们的动手能力，同时感谢在设计的过程中老师给予的指导，和同学给予的帮助。谢谢！参考文献1 江国强.现代数字逻辑电路M.北京：电子工业出版社，2006：1641762 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京：电子工业出版社，1998：19283 谢自美.电子线路设计实验测试M.武汉：华中理工大学出版社，2000：991044 王卫东.模拟电子电路基础M.西安：西安电子科技大学出版社，2003：26385 张昌凡，谭会生.EDA技术及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2001：7888附录1附录2