基于AltiumDesigner軟件的同步整流Buck電路樣機(jī)的制作案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29034基于AltiumDesigner軟件的同步整流Buck電路樣機(jī)的制作案例 152431.1硬件電路設(shè)計 1305991.1.1主電路 149501.1.2采樣電路 3133101.1.3控制電路 4279001.1.4驅(qū)動電路 6193491.1.5其它電路 8173421.1.6硬件電路 9198021.2電路的測試 1142061.3小結(jié) 15在繪制電路板的過程中，其原理圖同進(jìn)行電路仿真實(shí)驗(yàn)時的原理圖有些差別，并不是同一個電路，因此要對已經(jīng)設(shè)計完成的仿真電路進(jìn)行調(diào)整。例如，在AltiumDesigner中繪制原理圖時，需要用零歐姆的電阻將模擬地GND和數(shù)字地SGND連接起來[25]，以減少地回路的相互干擾，實(shí)現(xiàn)消除兩地的電壓差，同時阻止了電荷的積累。這主要是因?yàn)榉抡骐娐肥窃诶硐肭闆r下進(jìn)行的，而硬件電路要進(jìn)行實(shí)物測試。1.1硬件電路設(shè)計硬件電路由主電路、采樣電路、控制電路、驅(qū)動電路、和電源電路等其它輔助電路構(gòu)成。1.1.1主電路1.電路簡介主電路如圖4-1所示，按照同步整流Buck電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如上圖2-2進(jìn)行搭建并修改。CON1和CON3兩端接電源，CON2和CON4兩端接負(fù)載，L1為濾波電感，C1,C2為濾波電容，開關(guān)器件Q1，Q2為MOSFET管，選用DF23MR12W1M1。P1-P10均為測試點(diǎn)，VL+,VL-接采樣電路。圖4-1主電路原理圖2.器件選型開關(guān)器件MOSFET選用2個DF23MR12W1M1,該器件為碳化硅MOSFET模塊。碳化硅MOSFET模塊的外觀如下面圖中4-2所示，碳化硅MOSFET模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下面圖中4-3所示。如圖4-3所示，DF203MR12W1M1模塊內(nèi)部有一熱敏電阻，連接Tref端子，進(jìn)行溫度控制。同時含有體二極管和寄生二極管。耐壓為1200V,可承受的最大電流為50A。閾值電壓VGS(th)典型值為1.5V,最大值和最小值分別為5.55V和3.45V。圖4-2器件外觀圖4-3內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電阻RDSon典型值為45.0m，59.0m，66.0m。開通損耗Eon典型值0.222mJ,0.227mJ,0.22mJ。關(guān)斷損耗Eoff典型值0.045mJ,0.045mJ,0.04mJ。這種器件可應(yīng)用于太陽能發(fā)電，它的電氣特性如下：（1）它具有第5代CoolSiCTM肖特基二極管；（2）它具有高電流密度；（3）本身設(shè)計有低電感（4）它具有低開關(guān)損耗。它的機(jī)械特性如下：（1）集成NTC溫度傳感器；（2）使用壓裝接觸技術(shù)；（3）由于集成安裝夾，所以具有堅固的安裝。1.1.2采樣電路圖4-4采樣電路原理圖電路簡介采樣電路如上圖4-4所示，VL+,VL-與主電路連接，實(shí)現(xiàn)電壓信號的采集，采集的信號通過電壓霍爾傳感器LV-25P，經(jīng)過Uref2進(jìn)行與32單片機(jī)的連接，從而接入控制電路。器件選型電壓霍爾傳感器選擇型號為LV-25P的器件。該器件常用于當(dāng)一次回路同二次回路之間有電流的分離現(xiàn)象時的電子電流的測量，例如直流電流，交流電流以及脈沖電流等。它利用了是霍爾效應(yīng)的工作原理，同時采用閉環(huán)(補(bǔ)償)原理。該器件的使用原則為：測量電壓時會相應(yīng)的產(chǎn)生一個電流，該電流與被測電壓有一個正比例關(guān)系，要求必須使用一個外部電阻R1，與LV-25P電壓傳感器電路相互串聯(lián)就可得到圖4-10的采樣電路，該電阻大小由用戶決定。該器件具有如下優(yōu)勢：（1）良好的精度；（2）線性度比較良好；（3）熱漂移低（4）響應(yīng)的時間比較短；（5）帶寬高；（6）有較強(qiáng)的抵御外界的干擾的能力；（7）共模干擾比較小。常應(yīng)用于：1)AC情況下的變速驅(qū)動；2）使用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，然后完成靜態(tài)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)；3）供應(yīng)電池的應(yīng)用；4）UPS(UninterruptiblePowerSupplies)；5）伺服電機(jī)驅(qū)動等。其電氣參數(shù)如下表4-1和4-2所示：表4-1LV-25P電氣參數(shù)參數(shù)數(shù)值IPN原邊額定電流的有效值10mAIPM原邊電流的測量范圍0…±14mAISN副邊額定有效值電流25mAKN轉(zhuǎn)換率2500:1000UC電源電壓(±5%)±15VIC電流消耗10(@±15)+ISmAUd電壓有效值（用于交流絕緣檢測）50Hz,1分鐘2.5kV表4-2LV-25P電氣參數(shù)RM測量電阻RMminRMmax單位@±10mAmax100350@±14mAmax1001901.1.3控制電路圖4-5單片機(jī)STM32F103C8T6原理圖電路簡介控制電路利用型號為STM32F103C8T6的32單片機(jī)進(jìn)行控制。如圖4-5所示為其原理圖，如下圖4-6所示為其核心板的尺寸。器件特性STM32F103C8T6核心板的內(nèi)核基于ARMCortex-M3，大小為32位，工作頻率最高可達(dá)72MHz，存儲器包括64K或128K字節(jié)的閃存型程序存儲器和高達(dá)20K字節(jié)的SRAM。STM32F103C8T6的功耗非常低，有三種不同工作模式。擁有一個可為RTC和備份寄存器進(jìn)行臨時供電的專用電源VBAT，兩個高精度12位AD轉(zhuǎn)換器，僅用短短1μs就可實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。具備7個不同功能的定時器，其中包括3個16位定時器，每個定時器具有多達(dá)4個通道，可作為PWM信號的輸入端；1個16位且?guī)绤^(qū)的高級PWM控制定時器，可滿足電機(jī)控制所需的各種功能；兩個watchtimer電路和一個定時器系統(tǒng)本身自帶的24位自遞減型計數(shù)器。圖4-6核心板尺寸圖1.1.4驅(qū)動電路圖4-7驅(qū)動電路原理圖電路簡介驅(qū)動電路的原理圖如上圖4-7所示，E1，E2是驅(qū)動芯片，選用1EDC20H12AH驅(qū)動芯片，將PWM調(diào)制波經(jīng)過驅(qū)動芯片后得到驅(qū)動信號，對開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動。器件選型1EDC20H12AH是寬體封裝的單通道IGBT柵極驅(qū)動IC芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-8所示，其引腳配置如表4-3所示。具有如下特征：它是單通道隔離IGBT驅(qū)動器，可用于600V/650V/1200V的IGBT、MOSFET和SiCMOSFET，輸出的典型峰值電流達(dá)到了10A，有獨(dú)立的源，無芯變壓器驅(qū)動器通過電隔離，輸入電壓的工作范圍寬，適合在高環(huán)境溫度下運(yùn)行，根據(jù)UL1577認(rèn)證，絕緣測試電壓為VISO=3000V，持續(xù)1s?？蓱?yīng)用于電機(jī)的驅(qū)動等。圖4-81EDC20H12AH芯片典型應(yīng)用原理圖表4-31EDC20H12AH引腳配置引腳編號名稱功能1VCC1正邏輯電源2IN+非反轉(zhuǎn)驅(qū)動器輸入（高電平有效）3IN-驅(qū)動器反向輸入（低電平有效）4GND1邏輯地5GND2電源接地6VCC2電源正輸出側(cè)7OUT+驅(qū)動源輸出8OUT-驅(qū)動接收器輸出圖4-9單極供電應(yīng)用實(shí)例參考上圖4-9單極供電應(yīng)用實(shí)例，可繪制采樣電路原理圖。對于單極電源，驅(qū)動器通常需要在VCC2處提供15V大小的正壓。驅(qū)動信號高低電平輸入閾值隨VCC1的變化曲線如圖4-10所示，其中高電平閾值隨VCC1的變化曲線為綠色曲線，低電平閾值隨VCC1變化的曲線為紅色曲線，例如，當(dāng)VCC1為5V時，輸入驅(qū)動電路的信號大于3.5V時就為高電平，小于1.5V時就為低電平。而STM32單片機(jī)的輸出電壓最大為3.3V[31]，在VCC1為5V時，STM輸出的信號都被當(dāng)做低電平，無法實(shí)現(xiàn)PWM控制，因此，本設(shè)計將VCC1設(shè)置為3.3V，由圖中曲線可知，當(dāng)VCC1為3.3V時，輸入驅(qū)動電路的信號大于2.31V時為高電平，小于0.99V時為低電平，此時STM輸出的信號都被當(dāng)高電平，可以實(shí)現(xiàn)PWM控制。圖4-10VCC1按比例輸入IN+和IN-的閾值電壓1.1.5其它電路穩(wěn)壓電路如下圖4-11所示，選用AMS117穩(wěn)壓芯片，可以實(shí)現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)換；外部電源電路如下圖4-12所示，選擇±15V的電源給電路供電；插座電路如下圖4-13所示，插座為牛角座；15V變5V開關(guān)電壓調(diào)節(jié)電路如下圖4-14所示，選擇的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器為LM2596；隔離電路如下圖4-15所示,選擇的隔離芯片為ISE1515A。圖4-11穩(wěn)壓電路原理圖圖4-12外部供電電源原理圖圖4-13插座電路原理圖圖4-14開關(guān)電壓調(diào)節(jié)電路原理圖圖4-15隔離電路原理圖1.1.6硬件電路如圖4-16和4-17所示為功率電路原理圖和PCB圖，實(shí)驗(yàn)中將功率電路及采樣電路制作在一個PCB板上，如圖4-18和4-19所示為驅(qū)動控制電路原理圖，將控制、驅(qū)動及電源等電路制作在一個PCB板上。圖4-16功率電路原理圖圖4-17功率電路PCB圖圖4-18驅(qū)動電路及控制電路原理圖圖4-19驅(qū)動電路及控制電路PCB圖進(jìn)行電路板的焊接并測試，焊接后的電路板如圖4-20所示。圖4-20焊接完成的電路板1.2電路的測試在樣機(jī)制作完成之后，需要對焊接完成的硬件電路性能與正確性做測試實(shí)驗(yàn)。搭建完成的完整的測試平臺如圖4-21所示：主要包括直流電源、信號發(fā)生器、示波器、電路板、單片機(jī)、PC機(jī)、散熱器等。圖4-21測試平臺為驗(yàn)證本設(shè)計Buck變換器的實(shí)用性，設(shè)計了相應(yīng)的Buck變換器硬件電路，硬件電路分為兩大部分，一部分為控制、驅(qū)動及電源電路，另一部分為功率及采樣電路。驅(qū)控電路的實(shí)物圖如圖4-22所示，接線端子連接一個220V交流轉(zhuǎn)±15V直流的開關(guān)電源，來給整個Buck變換器的控制器，驅(qū)動芯片，傳感器等提供電能。要用開環(huán)閉環(huán)兩種控制方式驗(yàn)證電路的正確性。功率及采樣電路的實(shí)物圖如圖4-23所示，為測試采樣電路是否工作正常，將一個0-30V輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源接到電壓霍爾傳感器LV的電壓輸入端，不斷改變穩(wěn)壓電源輸出電壓的值，可得到對應(yīng)的傳感器輸出端電壓信號與電感電流信號波形。圖4-22驅(qū)控電路的實(shí)物圖圖4-23功率及采樣電路的實(shí)物圖利用信號發(fā)生器，將一個脈寬為29.4%，幅值為3.3V，頻率為10kHz的方波信號輸入到STM32核心板對應(yīng)的PWM端，來作為驅(qū)動芯片的信號輸入，牛角座對應(yīng)的驅(qū)動信號輸出端信號如圖4-23所示，可以看到，驅(qū)動電路將輸入的3.3V開通控制信號變?yōu)?5V的開通驅(qū)動信號，0V的關(guān)斷信號依舊是0V，說明驅(qū)動電路設(shè)計正確。圖4-23驅(qū)動信號不斷改變穩(wěn)壓電源輸出電壓的值，調(diào)節(jié)輸入電壓從0-30V變化，對應(yīng)的傳感器輸出端電壓信號與電感電流信號波形如圖4-24(a)-(d)所示，黃色表示輸出電壓，綠色表示電感電流，可以觀察到兩者與輸入電壓呈現(xiàn)相當(dāng)好的線性關(guān)系。當(dāng)輸入電壓為25V，占空比為29.4%，開關(guān)頻率為10kHz時，輸出電壓波形如圖4-24（a）所示，有效值約為6.71V，說明所設(shè)計的硬件電路可實(shí)現(xiàn)降壓的目的，其中由于探頭原因有大量毛刺出現(xiàn)，理論上Buck電路在25V輸入，29.4%占空比下應(yīng)輸出7.35直流電，而實(shí)際電路中由于功率管本身具有一定的導(dǎo)通阻抗，線路中的連接線、電感等也同樣具有阻抗，因此輸出電壓未能輸出7.35V。當(dāng)輸入電壓為20V，占空比為29.4%，開關(guān)頻率為10kHz時，輸出電壓波形如圖4-24（b）所示，有效值約為5.13V，說明所設(shè)計的硬件電路可實(shí)現(xiàn)降壓的目的，其中由于探頭原因有大量毛刺出現(xiàn)，理論上Buck電路在20V輸入，29.4%占空比下應(yīng)輸出5.88V直流電，而實(shí)際電路中由于功率管本身具有一定的導(dǎo)通阻抗，線路中的連接線、電感等也同樣具有阻抗，因此輸出電壓未能輸出5.88V。當(dāng)輸入電壓為15V，占空比為29.4%，開關(guān)頻率為10kHz時，輸出電壓波形如圖4-24（c）所示，有效值約為6.71V，說明所設(shè)計的硬件電路可實(shí)現(xiàn)降壓的目的，其中由于探頭原因有大量毛刺出現(xiàn)，理論上Buck電路在15V輸入，29.4%占空比下應(yīng)輸出1.41直流電，而實(shí)際電路中由于功率管本身具有一定的導(dǎo)通阻抗，線路中的連接線、電感等也同樣具有阻抗，因此輸出電壓未能輸出1.41V。(a)(b)(c)(d)圖4-24當(dāng)輸入電壓為10V，占空比為29.4%，開關(guān)頻率為10kHz時，輸出電壓波形如圖4-24（a）所示，