小型两倍压反向DC—DC转换器

目录 目录 课程名称...........................................1 设计任务及要求 ....................................1 芯片简介及元器件的选择............................ 2 3.1、555时基电路内部结构及功能....................2 3.2、555定时器..................................3 3.3、由555定时器组成的多谐振荡器..................4 3.4、555时基集成电路.............................. 5 3.5、元器件的选择................................5 设计原理图及PCB板图..........................6 4.1、方案一.......................................6 4.1.1　引言.......................................6 4.1.2　工作原理...................................7 4.1.3　典型应用...................................7 4.2、方案二.......................................9 4.2.1、SCH电路图布局..............................9 4.2.2、材料清单...................................10 4.2.3、ERC....................................10 4.2.4、PCB板的自动布线............................11 4.2.5、补泪滴、底层覆铜............................11 仿真...............................................12 5.1、仿真电路图...................................12 5.2、测试.........................................12 安装及调试........................................12 6.1 集成电路的安装...............................12 6.2 正确合理布线................................12 6.2.1 导线的选择.................................12 6.2.2 正确合理布线...............................13 6.3 电路调试和故障的检查与排除...................13 6.3.1 认真仔细复查...............................13 6.3.2 通电检查...................................13 6.4 焊接图片.....................................14 心得体会..........................................15 参考文献..........................................16 课程名称 小型两倍压反向DC-DC转换器 设计任务及要求 电子技术基础 课程设计任务书 2010－2011学年 第二学期　第19周－20周 目 小型两倍压反向DC-DC转换器 内容及要求： 1、要求将6~15V的直流输入电压反向转换为12~30V的输出， 2、最大负载电流可达30mA左右 进度安排 1、方案论证 2天 2、分析、设计、画图、仿真 3天 3、焊接、调试、实现 3天 4、检查、整理、写设计报告、小结 2天 学生姓名：09903123：曾保宁、09903124：马利 指导时间：2011年7月2日 指导地点： F 楼 613室 任务下达 2011年6月27日 任务完成 2011年7月8日 考核方式 1.评阅 □　 2.答辩 □ 3.实际操作□ 　4.其它□ 指导教师 邱 系（部）主任 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。 芯片简介及元器件选择 3.1、555时基电路内部结构及功能 图3-1-1 555 内部结构 阈值输入 触发输入 复位 R S 输出Vo 放电管T 0 0 导通 1 1 0 1 截止 1 0 1 0 导通 1 1 1 不变 不变 表3-1-2 555功能表 常见的555时基电路为塑料双列直插式封装（见图3.1.1），正面印有555字样，左下角为脚1，管脚号按逆时针方向排列。 图3-1-3 555时基电路 3.2、555定时器 3.1.1 、计时器的特点 555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成与一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。其在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。555时基集成电路具有成本低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力。在电子制作中只需经过简单调试，就可以做成多种实用的各种小电路，远远优于三极管电路。 555时基集成电路的主要参数为（以NE555为例）电源电压4.5～16V。输出功率大，驱动电流达200mA。作定时器使用时，定时精度为1％。定时时间从微秒级到小时级。作振荡使用时，输出的脉冲的最高频率可达500KHz。可工作于无稳态和单稳态两种方式。 可调整占空比。温度稳定性好于 。 3.1.2、计时器的原理 它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只 的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为 和 。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过 时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于 时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出 作为比较器A1的参考电平当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。在使用时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外接上拉电阻。 3.3、由555定时器组成的多谐振荡器 由555定时器和外接组件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电Dc端放电，使电路产生振荡。电容C在 和 之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波形，对应的波形如图所示。 图3-2-1由555构成的多谐振荡器 图3-2-2多谐振荡器的波形图 输出信号的参数有：    电路振荡周期： 电容充电时间： 电容放电时间： 电路振荡频率： 输出波形占空比： 其中 为 由 上升到 所需时间， 为电容C放电所需时间。555电路要求 与 均应不小于 ，但两者之和应不大于 。 由于555定时电路内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用 555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 外部组件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的组件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。 3.4、555时基集成电路   555时基集成电路各管脚的作用：脚①是公共地端为负极；脚②为低触发端TR，低于1／3电源电压以下时即导通；脚③是输出端V，电流可达2000mA;脚④是强制复位端MR，不用可与电源正极相连或悬空;脚⑤是用来调节比较器的基准电压，简称控制端VC，不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地;脚⑥为高触发端TH，也称阈值端，高于2/3电源电压发上时即截止;脚⑦是放电端DIS;脚⑧是电源正极VC。      555时基集成电路的主要参数为（以NE555为例）电源电压4.5～16V。      输出驱动电流为200毫安。      作定时器使用时，定时精度为1％。      作振荡使用时，输出的脉冲的最高频率可达500千赫。      使用时，驱动电流若大于上述电流时，在脚③输出端加装扩展电流的电路，如加一三极管放大。 3.5、元器件的选择 3.5.1电路图： 3.3.2元器件的选择： 555芯片1个 、电阻4.7KΩ、1KΩ、10KΩ、各1个、滑动变阻器（1~20KΩ）个、反相器1个、电容100uF*1个、0.01uF*2个、二极管2个（耐压值为30V）个、电解电容100uF*2个 设计方案原理图及PCB版图 4.1、方案一 基于MAX1524的DC-DC转换器设计 4.1.1　引言 　　MAX1524是美国MAXIM公司生产的一种小型、升压型DC-DC转换器，可应用于升压型、SEPIC 、反激型等多种拓扑结构。具有固定的导通时间和最小的关断时间，可以在较宽的输入/输出电压组合和负载电流下提供高效率。固定的导通时间是可以选择的，分别是最大占空比为50％的0.5μs和85％的3μs，使其在较宽的输出范围内，对外接元件的尺寸和成本的优化更为方便。 MAX1524采用自举工作方式，允许在较低的输入电压下启动，器件具有内部软启动和短路保护功能，并且具有故障锁定功能，当发生短路时自动关断控制器。该器件采用6引脚的SOT23封装，具有低静态电流（25μs），不需电流检测电阻。广泛地应用于数字相机、液晶显示器和其它低功耗的电子产品中。 4.1.2　工作原理 4.1.2.1　封装形式 　　MAX1524的封装形式如图1所示。 　　 4.1.2.2　引脚功能 　　——脚1GND，接地端； 　　——脚2FB，反馈输入，连接一个外部电阻分压器，FB的反馈值为1.25V; 　　——脚3SET，导通时间控制，当连接到VCC时，为3μs，占空比为85％；当连接到GND时，为0.5μs，占空比为50％； 　　——脚4SHDN，关断控制输入，高电平为正常工作，低电平为关断状态； 　　——脚5EXT，外部MOSFET驱动端； 　　 　　——脚6VCC，电源输入端，用0.1μF的电容器旁路，输入范围为2.5V～5.5V，采用自举工作方式，通过一个10Ω的电阻器串联在输出端。 4.1.2.3　工作原理 　　MAX1524一般采用自举工作方式，其低压启动振荡器保证输入电压在低于1.5V时启动器件。启动振荡器用一个25％的占空比信号触发MOSFET，使输出电压升高，当输出电压超过欠压封锁阈值时，使正常的控制电路开始工作，而启动振荡器停止工作。 　　对于不同的输出电压/输入电压组合，MAX1524具有可选的固定导通时间，从而实现高效工作。高升压比时推荐使用3μs的导通时间，这样允许占空比超过80％，可以改善工作效率。在低升压比和高频工作时，使用0.5μs的导通时间比较好，这样可以减少外接电感器和电容器的尺寸。 　　MAX1524的软启动功能可以减小启动时的电感电流、输入电容和电感应力。软启动时间为3.2ms，不需外部元件。当软启动结束，若输出电压降到正常稳压值的一半以下时，器件工作在故障锁定状态，使SHDN处于低电平，器件处于关断状态，内部控制电路关闭，EXT输出低电平，电流降到1μA，输出电压比输入电压低一个二极管正向导通压降。当VCC降到2.37V以下时，器件被欠压锁定。 4.1.3　典型应用 　　MAX1524可以在连续或非连续模式下工作。当电感电流不允许衰减到零值时，器件在连续模式下工作，这需要选用大电感，使电感纹波电流低于输入电流的一半。该模式的优点是峰值电流较小，电阻损耗小和输出纹波低。当电感足够大，使最大负载下的纹波电流为输入电流的30％时，可以使暂态工作特性最好、效率最高。但是在轻载下，例如负载小于最大负载的1/6时，会转变到非连续工作状态。 　　在非连续模式下工作有两种情况：（1）高输出电压，即输出电压/输入电压超过了MAX1524最大占空比时可以得到的数值。当外加占空比超过最大占空比的80％时，需采用非连续工作模式。（2）小输出电流，当最大输出电流非常小时，若使用大电感，在体积和费用上均不划算，此时可以使用小电感使其在非连续模式下工作。当负载电流与输出电压/输入电压比值的乘积低于几百毫安时，需采用非连续模式工作。 　　1）输出电压的设置：在输出和地之间通过电阻分压器连接到FB端，R2在30kΩ～100kΩ之间选择，R1由式（1）计算后选择。 　　 4.1.3.1　连续模式下的设计 　　1）导通时间的选择 　　对于连续工作状态，MAX1524的占空比必须高于外加最大占空比。当外加占空比高于45％时，连接SET与GND，0.5μs的导通时间使开、关的速度非常快；当应用80％的占空比时，应连接SET与VCC，得到3μs的导通时间，此时必须采用非连续工作模式。 　　2）开关频率的确定 　　在连续模式中，对于重载或中载，开关频率与负载IL无关，与VIN有关。 　　 　　 若计算出LI不是值，应选择最接近此计算值的标准值，误差可在±50％之间。若选择的电感值低于计算的理想值，峰值电感电流会偏高一点，反之，峰值电感电流会偏低一点。鉴于工作频率较高，推荐使用铁氧体铁芯，不要使用一般铁芯。电感的饱和电流应高于计算的峰值电流，并且其串联等效电阻（ESR）应尽量低。串联等效电阻的能耗为： 　　 　　电容值一般选择COUT（MIN）的2倍～3倍。建议不要使用陶瓷电容器，而使用钽电解电容器等。 4.1.3.2　非连续模式的设计 　　连接SET与GND，使最大占空比低于67％；连接SET与VCC，最大占空比在67％～99％之间，非连续模式可以在任何占空比下工作。当外加占空比接近SET设置的最大占空比时，工作性能最佳。 　　1）开关频率的计算 　　开关频率与负载电流成正比关系： 　　 　　4）输出电容器的选择 　　在非连续模式下工作，输出电容器可以选用低ESR的陶瓷电容器或钽电解电容器等。对 　　　6）反馈电容器的选择 　　对于两种工作模式，若使用前馈电容器，会在FB端得到较大的输出纹波。因此需要在FB与GND之间连接一个反馈电容器。反馈电容值CFB一般与CFF相等，并可以上下调整。若不使用前馈电容器，则不需要反馈电容器。 　　7）输入电容器的选择 　　输入电容器CIN可以减小输入电源的电流峰值，提高效率，减小噪声。输入电源的阻抗值决定了CIN的大小，阻抗值越高，电容越大，一般选择CIN=COUT。 　　考虑到电容器的体积，推荐使用01μF的陶瓷电容器。在自举工作时，用一个10Ω的电阻器连接在输出端和VCC之间，将输入电容器和输出电容器隔离。 　　8）功率MOSFET的选择 　　需要选择N沟道MOSFET，主要考虑总的栅极电荷Qg、反向传递电容或电荷CRSS、通态电阻RDS(ON)、最大的VDS（MAX）、最小的阈值电压VTH(MIN)。当高频工作时，Qg和CRSS对效率的影响更大一些，为主要考虑对象。 　　9）二极管的选择 　　高频工作时要求选择快速二极管，推荐使用肖特基二极管，因为其具有快恢复时间和低的正向压降。其电流额定值应为，反向击穿电压必须高于VOUT。当输出电压较高时，可选用硅整流二极管。 　　基于以上参数的计算方法，以一电源的设计为例，在连续工作模式下计算出各参数，具体为 　　VIN=3.3V±0.33V，VOUT=5V; 　　IOUT(MAX)=700mA,IP=1.48A; 　　L实际=3.3μH,LI=3.72μH; 　　CFF=100pF,CFB=100pF,CIN=33μF, 　　COUT=14μF～448μF,COUT（实际）=33μF; 　　R1=100kΩ,R2=33.2kΩ 　　DMAX=45.5％; 　　tON=0.5μs(SET=GND); 　　f=761kHz～800kHz(IOUT(MIN)=120mA) 4.1.3.3　典型应用 　　MAX1524的典型应用电路如图2所示。 　 4.2、方案二 4.2.1、方案说明 在数字测试仪表中,有少量运算放大器需要较高的电源电压,但为了减小仪器的体积和重量,为了不再增加另外一组电源,可利用555作为无变压器DC-DC变换.图中所示是一个二极管倍压电路. 由上所述的加上反向器就能实现小型两倍压反向DC-DC转换器 4.2.2、SCH电路图布局 4.2.3、材料清单 4.2.4、ERC检测 4.2.5、PCB板的自动布线 4.2.6、补泪滴、底层覆铜 仿真 5.1、仿真电路图： 5.2、测试： 安装及调试 6.1 集成电路的安装 为防止集成电路芯片受损，在插入和拔出芯片时要非常细心。插入时应使器件的方向一致，缺口朝左，使所有引脚均对准插座板上的小孔，均匀用力按下；拔出时，必须用专用拔钳，夹住集成块两端，垂直向上拔起，或用小起子对撬，以免使其引脚因受力不匀而弯曲或断裂。 6.2 正确合理布线 6.2.1 导线的选择 一般应选用直径为Ф0．5～0．8mm的单股导线，长度适中，两端绝缘皮剥去5～10mm，并剪成45°角。 6.2.2 正确合理布线 在电子电路中，由于布线错误而引起的故障占有很大比例。为避免或减少故障，要求布线合理和准确。 (1) 元器件和连线要排列整齐，一般按电路顺序直线排列，输入与输出线要远离。在高频电路中，导线不要平行，以防止寄生耦合引起电路自激。元器件插脚和连线要尽量短而直，以防止分布参数影响电路性能。 (2) 布线时要注意在器件周围走线，不允许导线在集成块上方跨过，以免妨碍排除故障或调换器件。 (3) 为使布线整洁和便于检查，电路中不同功能的导线应尽量采用不同的颜色，如电源线用红色，接地线用黑色等等。 (4) 布线的顺序是先布电源线和地线，再布固定使用的规划线(如固定接地线或接高电平、或接时钟脉冲的连线等)，最后再逐级连接控制线及各种逻辑线。必要时可以边接线边测试，逐级进行。走线应尽可能少遮盖其它插孔，以免影响其它导线的插入。 6.3 电路调试和故障的检查与排除 6.3.1 认真仔细复查 接好全部连线后，应对照电路图仔细复查一遍。 检查晶体管或集成块的引脚是否插对，是否有漏线和错线，然后用万用表的“Ω×10”档检查电源与地线之间的电阻值，排除电源与地线之间的开路或短路现象。 6.3.2 通电检查 (1) 直接观察： 上述检查无误后给电路通电，然后用手触模元器件，检查有无异常发热现象、有无异味等。 (2) 测量参数： 用万用表测量电路的电源Ucc和地两脚之间的电压，测量晶体管的工作点是否符合要求等。 (3) 采用动态逐级跟踪法： 在电路输入端加人一个有规律的信号，按信号流程用示波器依次检查各级波形，看是否有故障直至找到为止。对于脉冲数字电路，还可用发光二极管来逐级显示其输入、输出脉冲信号。 (4) 采用替换法： 不改变电路的接线，通过更换一些元器件来发现故障。 (5) 消除电路存在的不良影响： 注意消除TTL电路存在电源电流尖峰的影响，防止集成电路产生误触发(可加滤波电容)等。 (6) 电路工作频率较高时，应采取如下措施： ①减小电源内阻，扩大地线面积或采用接地板，使电源线与地线夹在相邻的输入线和输出线之间，起屏蔽作用。 ②各输入、输出线，交、直流引线不能混杂，并尽量使输入、输出线远离时钟脉冲线。 ③缩短引线长度。 (7) 调试大型综合电子电路，可按功能将其划分为几个独立的子单元，逐一布线进行调试，然后将各单元连接起来统调，这样成功的把握性更大。 当然，实践经验有助于故障的排除。只要充分掌握电子技术的基本理论和基本知识，注意上述电子电路在安装调试中的几个方面，勤学多练，就不难用逻辑思维的方法判断和排除故障，获得完善、可靠、性能优异的电路。 6.4.、焊接图片： 心得体会 设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各个部分进行单元的设计，参数计算和器件选择，最后将各个部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整的系统电路图。 一． 明确系统的设计任务要求 对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能，指标，内容及要求，以明确系统应完成的任务。 二． 方案选择 这一步的工作要求是把系统要完成的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。 方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务，要求和条件，完成系统的功能设计。在这个过程中要敢于探索，勇于创新，力争做到设计方案合理，可靠，经济，功能齐全，技术先进。并且对方案要不断进行可行性和有缺点的分析，最后设计出一个完整框图。框图必须正确反映应完成的任务和各组成部分的功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。 三． 单元电路的设计，参数计算和期间选择 根据系统的指标和功能框图，明确各部分任务，进行各单元电路的设计，参数计算和器件选择。 1． 单元电路设计 单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整机设计水平。 每个单元电路设计前都需明确各单元电路的任务，详细拟定出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体设计时，可以模仿传输的先进的电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要互相配合，注意各部分的输入信号，输出信号和控制信号的关系。  2． 参数计算 为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。例如，放大电路中各电阻值，放大倍数的计算；振荡器中电阻，电容，振荡频率等参数的计算。只有很好的理解电路的工作原理，正确利用计算，计算的参数才能满足设计要求。  参数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计要求的功能，在实践中能真正可行的参数。  计算电路参数时应注意下列问题： （1） 元器件的工作电流，电压，频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求； （2） 元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应大于额定值的1．5倍； （3） 电阻和电容的参数应选计算值附近的标称值。  3． 器件选择 （1） 元件的选择 阻容电阻和电容种类很多，正确选择电阻和电容是很重要的。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同，有解电路对电容的漏电要求很严，还有些电路对电阻，电容的性能和容量要求很高。例如滤波电路中常用大容量（100ｕF～3000uF）铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量（0．01uF～0．1uF）瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗，容量，频率和耐压范围是否满足要求。 （2） 分立元件的选择 分立元件包括二极管，晶体三极管，场效应管，光电二（三）极管，晶闸管等。根据其用途分别进行选择。 选择的期间种类不同，注意事项也不同。例如选择晶体三极管时，首先注意是选择NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，并注意管子的参数 PCM ， ICM ， BVCEO ， ICBO ， β ，T和 β 是否满足电路设计指标的要求，高频工作时，要求T = （5～10），  为工作频率。 （3） 集成电路的选择 由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用，在设计电路时颇受欢迎。 集成电路又模拟集成电路和数字集成电路。国内外已生成出大量集成电路，其器件的型号，原理，功能，特征可查阅有关手册。 选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗，电压，速度，价格等多方面的要求。 四． 电路图的绘制 为详细表示设计的整机电路及各单元电路的连接关系，设计时需绘制完整电路图。 电路图通常是在系统框图，单元电路设计，参数计算和器件选择的基础上绘制的，它是组装，调试和维修的依据。绘制电路图时要注意一下几点： （1） 布局合理，排列均匀，图片清晰，便于看图，有利于对图的理解和阅读。 有时一个总电路由几部分组成，绘图时应尽量把总电路图画在一张图纸上。如果电路比较复杂，需绘制几张图，则应把主电路画在同一张图纸上，二把一些比较独立和次要的部分画在另外的图纸上，并在图的断口两端做上标记，标出信号从一张图到另一张图的引出点和引入点，以此说明各图纸在电路连线之间的关系。 有时为了强调并便于看清各单元电路的功能关系， 每一个功能单元电路的元件应集中布置在一起，并尽可能按工作顺序排列。 （2） 注意信号的流向，一般从输入端和信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，而反馈通路的信号流向则与此相反。 （3） 图形符号要标准，图中应加适当的标注。图形符号表示器件的项目或概念。电路图中的中，大规模集成电路器件，一般用方框表示，在方框中标出它的型号，在方框的变新两侧标出每根线的功能名称和管脚号。图中，大规模器件外，其余元器件符号应当标准化。 （4） 连接线应为直线，并且交叉和折弯应最少。通常连接可以水平或垂直布置，一般不画斜线，互相连同的交叉除用原点表示，根据需要，可以在连接线上加注信号名或其他标记，表示其功能或其去向。由的连线可用符号表示，例如期间的电源一般标电源电压的数值，地线用符号（┴）表示。 设计的电路是否能满足设计要求，还必须通过组装，调试进行验证。 参考文献 参考书籍： 1、电子技术课程设计指导 彭介华 主编 北京：高等教育出版社 1997； 2、国产集成电路应用500例 周 仲 主编 北京：电子工业出版社 1992； 3、555时基电路原理、设计与应用 陈有卿、叶桂娟 主编 北京：电子工业出版社 2007； 4、常用电子元件简明手册 于洪珍 主编；