论文总字数：15702字

目 录

摘要 4

1.引言 6

1.1线性稳压电源 6

1.2开关电源 6

1.2.1开关电源发展背景 6

1.2.2开关电源定义及分类 7

1.2.3国内外开关电源发展现状 7

2.DC/DC开关电源拓扑结构的工作原理 8

2.1 BOOST型拓扑结构 8

2.1.1 BOOST型拓扑结构的工作原理 8

2.1.2 BOOST型拓扑结构的特点 9

2.2 BUCK型拓扑结构 9

2.2.1 BUCK拓扑结构的工作原理 9

2.3 BUCK-BOOST型拓扑结构 10

2.3.1 BUCK-BOOST型拓扑结构的工作原理 10

3.开关稳压器内部模块电路的设计与仿真 11

3.0 BJT基础知识 11

3.1带隙基准电压源 12

3.2低压差线性稳压器 14

3.3 RS触发器 15

3.4误差放大器 16

3.5电流比较器 17

3.6振荡器 17

3.7驱动电路 18

4.开关稳压器原理及应用 20

4.1开关稳压器原理 20

4.2应用电路设计 20

5.总结与展望 23

致谢 24

参考文献 25

基于BOOST结构的开关电源设计与应用

韦广天

，China

ABSTRACT:With the development of society and the continuous progress of technology, a wide range of equipment began to appear in our lives, and all the power source of the equipment is power, so the demand for power and requirements are getting higher and higher, the traditional linear stability Pressure power has been far from meeting our needs, which makes the power technology continues to move forward, a new type of power supply - switching power supply, came into being. Compared with the traditional linear power supply, switching power supply with low power consumption, small size, high efficiency, etc., are widely used in industrial automation, electrical equipment, instrumentation and other fields.

This design for the DC / DC switching regulator and BOOST (step-up) switching regulator circuit for a certain study, the main task is to have a built-in switching power tube, PWM control mode (pulse width modulation) Pressure internal design and analysis of the internal circuit, and according to the actual input and output requirements to select the appropriate components, based on BOOST topology to build a complete boost power conversion circuit. After the circuit principle simulation and the actual circuit board test, the switching power supply circuit can output a stable voltage, and can achieve a certain range of power output.

Key words: DC / DC boost PWM

1.引言

电源是一切设备的动力来源，在如今社会它已经成为非常重要的基础科学技术和产业，上至最尖端的科学技术，下至日常生活等各个领域都离不开电源技术的参与和支持，电源技术高速发展的表现是经过电源变换技术再应用的电能已占全部电能的90%左右。电源有许多种类，目前市场上的电源主要有两种：线性稳压电源和开关稳压电源。

1.1线性稳压电源

线性稳压电源的工作原理是：首先将220 V市交流电通过变压器作用，不改变交流电的属性，只降低交流电的幅值，接着通过整流电路进行整流和矫正，整流电路一般由二极管构成，起到将低压交流电转化为脉冲电压的作用，然后用滤波电路对脉动电压进行滤波得到低压直流电，不过此时得到的低压直流电纹波还是比较大，所以还需要整流电路进行矫正，整流电路一般由稳压二极管组成。

对于线性稳压电源而言，它内部使用的电容以及变压器的大小与市交流电的频率成反比，而目前我国采用的市电规格是：220V 50Hz,因此线性稳压电源就需要大体积的电容和变压器，这就导致它工作时的发热量变大，噪声很大，大量的能量被损耗，因此转换效率就会变低，受限于它的功耗以及效率，一般情况下线性稳压电源只用来给低功耗设备供电。线性稳压电源的另一个限制就是它对输入电压的要求很高。

1.2开关电源

1.2.1开关电源发展背景

随着社会的不断发展，科学技术的进步，各式各样的设备对电源的要求越来越高，传统的线性稳压电源已经远远不能满足我们的需求。在一些要求高精度、高稳定性的应用场合，如工控、通信、航天等领域，线性稳压电源几乎已面临淘汰。开关稳压电源在这样的市场需求下发展的也是越来越好，技术也更加的成熟。

开关稳压电源在上世纪五十年代就开始被广泛地应用，这项技术真正得到发展是在七十年代，在这段时间里各种电力电子理论开始被确立，为开关稳压电源的发展奠定了理论基础^[1]。尽管有了理论基础，但是在实际电路设计以及应用方案中还是存在着很多问题，如开关频率太低、转换效率太低、稳定性不足等。这些问题也为开关电源的发展指明了方向，后来的开关稳压电源的发展主要在这些方面做出改进。随着技术以及理论不断发展，半导体器件的工艺、拓扑理论更加成熟，开关稳压电源发展达到新了的高度。

1.2.2开关稳压电源的定义及分类

开关稳压电源是利用功率半导体器件作为开关管，通过控制开关管的占空比，即导通时间与整个开关周期的比率，来输出稳定电压的电源变换电路^[2]。开关电源主要也有两种：直流开关电源和交流开关电源。本次设计的是直流稳压电源，在这里就只介绍直流开关电源。

开关电源按工作原理分为以下几类：

1. 脉冲宽度调制式（Pulse Width Modulation ，简称PWM）：脉冲宽度是脉冲工作在最大幅值所持续的时间，PWM模式是通过调节脉冲宽度来改变开关管工作时的占空比，实现输出电压稳定^[3]。相比于其他几种工作模式，它实现起来更简单，目前市场上，大多数开关稳压器，不管是内置开关管或者外置开关管几乎都使用这种工作模式，但是这种模式下的开关稳压器可能会存在对开关管有最小占空比的限制，这就导致输出电压的调节范围有限。
2. 脉冲频率调制式（Pulse Frequency Modulation ,简称PFM）：脉冲频率是单位时间内在放电间隙上发生的有效放电次数，对于周期信号而言，简单来说就是脉冲信号单位时间内出现的次数。PFM模式的原理是将脉冲宽度固定，通过改变单位时间内的脉冲数即脉冲频率，来实现输出电压稳定。这种控制模式一般用于便携式设备，低频工作状态下能够很大程度上减小设备的静态电流，增加待机时间。
3. 混合调制式：它是将PWM模式和PFM模式结合在一起，使开关稳压器的脉宽和频率都能可调。

1.2.3开关稳压电源的发展史及国内外现状

上世纪50年代，美国研制了世界上首个通过PWM模式控制的开关稳压器。到了20世纪60年代，各种基本的开关电源拓扑结构已经逐渐成形，并且与传统的线性稳压电源相比，它的体积小、高效率的优点开始体现。20世纪80年代，单片的集成开关稳压电源问世，与之前仅对控制电路实现集成化相比实现了技术上的一大跨越。在这段时间的发展中，开关稳压电源逐步取代了传统的相控稳压电源，并且随着电力电子技术以及集成电路的不断发展，开关稳压电源在高频化和集成化方面渐趋于成熟。

我国的开关稳压电源发展始于上世纪60年代，70年代初成功研制了降压型开关稳压电源，到了90年代已经成功研制了100—200KHz的高频开关稳压电源。进入21世纪以来，我国在开关电源方面投入了大量的人力和财力，但是和世界上先进的国家相比依然有很大的差距，主要就是半导体技术方面的差距^[4]。所以我国的开关稳压电源要想发展，达到世界先进水平，最根本和最关键的问题就在于提高半导体器件技术以及制作工艺。目前国内DC/DC电源模块主要市场被国外品牌所占据，但是随着国内技术的进步，进口中小功率电源模块正在被国产DC/DC产品所替代。

典型的DC/DC拓扑的工作原理

2.1BOOST型拓扑结构

2.1.1 BOOST拓扑结构的基本工作原理

BOOST电路即为升压电路，在输入和开关管之间串接电感，当控制脉冲为高电平使开关管导通时，流经电感的电流逐渐增加，并从电感的异名端流入开关管，开关管导通期间处于饱和区，集电极---发射极压降很小，接近于接地，此时二极管反偏，输出负载上的电流由输出电容放电提供，所以在输出满足情况的前提下应尽量选择较大的输出电容，这样可以使输出电压纹波最小。当控制脉冲为低电平使开关管截止时，由于电感中的电流不能突变，根据楞次定律，感应电流产生磁场阻止磁通量的变化，产生极性颠倒的感应电势，电感异名端电压相对同名端为正，经过续流二极管向电容充电，并给负载提供电流，此时输入电压也向负载提供能量^[5]。

图2.1 BOOST型拓扑结构

在忽略二极管压降的情况下：

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