项目名称基于PWM控制BOOST变换器设计
一、目的
1 •熟悉BOOST变换电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。
2 •熟悉专用PWM控制芯片工作原理，
3•探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。
二、内容
设计基于PWM控制的BOOST变换器，指标参数如下：
输入电压：9V〜15V;
输出电压：24V，纹波＜1%;
输出功率：30W
开关频率：40kHz
具有过流、短路保护和过压保护功能，并设计报警电路。
具有软启动功能。
进行Boost变换电路的设计、仿真（选择项）与电路调试
三、实验仪器设备
1 •示波器
2 .稳压电源
3 •电烙铁
4. 计算机
5. 万用表
四、研究内容
（一）方案设计
本设计方案主要分为4个部分：1）Boost变换器主电路设计；2）PWM控
制电路设计；3）驱动电路设计；4）保护电路设计。
系统总体方案设计框图如图 1.1所示。
1 •主电路参数设计[1,2]
电路设计要求：输入直流电压9~15V ，输出直流电压24V ，输出功率30W , 输
出纹波电压小于输出电压的1%,开关频率40kHz , Boost 电路工作在电流连续 工作
模式（CCM ）。
Boost 变换器主电路如图1.2所示，由主开关管Q 、电感L 、滤波电容C 、功率
二极管VD 和负载R 组成。
1）电感计算
忽略电路损耗，工作在CCM 状态，根据Boost 电路输出电压表达式可得PWM
占空比：
艮卩,0.375 乞 D 乞 0.625。
D max 八十十齐0.625
图1.1系统总体方案设计框图
图1.2 Boost 变换器主电路
2
誉U o 「，当 D =0.375时临界电流为最大，为使电路工乍在
CCM 状态，有 I o I oBmax ，即
L D^U o T s 』375 (―75)2 24 2.5 10J5.1ZH
2I o
取输出电流纹波小于40%,即:
综上，取电感为180・旧的磁环电感。
2）输出滤波电容计算
由输出电压纹波小于1% 得:
花叫1%
U o
CU o C 皿丿625 2・5 10「.25=81.38叩 1%U o
实际选用220/50V 的高频电解电容
3）主开关管选取
主开关管承受的最大漏源电压为最大输出电压 24V ，考虑到过载条件，开关
管最大实际漏源电流为：
I DSmax <L 「丄
U °T s =
3A
2 1-D 2L 0.5 8"80 勺0 考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐压分别取 2.5和2倍裕量，即 应选取
耐压高于60V ，最大电流6A 。
实际选用IRF540N 型MOSFET 管，最大 漏源电压
100V ，最大漏极电流22A ，通态电阻0.055愆最高开关频率超过10MHz<
4）功率二极管选择
因系统开关频率为40KHZ ，频率较高，故考虑选用快恢复二极管。
二极管 最大
承受电压为24V ，最大电流为1.25A ，故实际选取600V/ 30A 的快恢复二极
由于I oB 2 1.25 LI 。
.D(1-D)2U°T L T s 40% I o
Io
.. 2 严(“375)24 2.5 10^175.78 比 40% 1.25 0.01 24 I o
管MUR1560。
2. 控制电路设计
本设计的控制部分采用集成控制芯片SG3525,以简化控制电路的设计并提
高系统的可靠性，SG3525控制电路图如图1.3所示。
图1.3 SG3525控制电路图
1）开关频率的设计
开关频率由SG3525的第5、6、7引脚所接的定时电容C T、定时电阻片和放电电阻R D确定，其计算公式为:
J 9： 40KHz
(0.7R T R D)C T(0.7 3.3 10 200) 10 10
故选取R T-3.3^^，C T =10nF，R^2001，对应开关频率为40KHz。
2）电压调节器设计
为了使电路具有较好的动态和稳态性能，本设计通过在SG3525的1、2、9引脚加入相应的PI电压调节环节，从而使输出电压U。
恒定在24V。
选取PI的调节参数分别：电阻，心=1/1000，即R2=10K"，尺彳勺心」，C4=100nF。
3. 驱动电路设计
如图1.4所示是主开关管MOSFET管驱动电路，是由三极管Q1和Q2组成的推挽电路。
开通时，提供+15V电压信号，关断时提供-5V电压信号，使MOSFET 可
以快速的可靠地开通关断。
该驱动电路输入为控制电路的输出即PWM波，输出接MOSFET的栅极（G极）。
图1.4驱动电路
4. 过压保护电路设计
如图1.5所示是过压保护电路原理图，主要由比较放大器LM358、D触发器
74HC7AH和LED灯构成。
保护电路的过压临界电压设定为27V。
由原理图可知，比较器的反相端的参考电压为 2.5V （将SG3525的16引脚所提供的5.1V基准电压通过一个电位器分压得到），比较器同相端的过压信号是从主电路的反馈端接入的。
当输出电压超过27V时，比较器的输出由低电平跳
变为高电平，而此时D触发器的Q端随输入端跳变到高电平，LED灯被点亮，并给SG3525的10引脚一个外部关断信号，使控制电路输出被禁止，从而实现电路故障保护功能。
同时，将105的电容和1K电阻跨接在5.1V电压与GND之间，并从中间抽头接入D触发器复位端1端。
这样，在开始上电时，电容相当于开路，使复位端置于高电平，起到复位的作用；当过压时，产生触发脉冲，电容充电，使得最终在RC
时间内电容充电完成，复位端置低电平，整个D触发器等待被过压信号触发。
而一旦过压信号消失，电容放电，复位端重新置于高电平，电路复位，保
护功能取消，电路继续正常工作。
（三）系统实验验证
1 •电路的焊接与调试
为进行系统实验验证，首先需要按照所设计的电路原理图，在多功能印制板 上
进行电路的焊接与调试，如图3.1所示是本系统电路原理图。
根据系统的构成, 将主要分为PWM 控制电路、主电路、保护电路这三个部分来进行电路的焊接与 调试。
图1.5 过压保护电路原理图
图2.3保护电路仿真结果
图3.1系统原理图
1）PWM控制电路
PWM控制电路焊接完成并且检查无误后，首先进行开环调试。
具体方法是：①将SG3525的1脚和9脚之间所接的闭环控制回路断开，然后1脚和9脚短接，观察11、14脚是否有PWM波输出。
若无PWM输出，则逐步排查电路。
若有PWM 波输出，则通过调节2脚所接的可调电位器来调节占空比。
②检查推挽电路的输出波形，正常情况下应该是有正有负的PWM波，且PWM波的最大值应大于5V，最小值应小于-1V。
可以通过调整推挽电路的电阻参数，来完成高质量的PWM波输出。
2）主电路
主电路的焊接应当注意：①因为主功率线所流过的电流比较大（带负载时将近3A），故应使用比较粗的铜线。
②主电路与控制电路是共地的，能否可靠共地对实验能否顺利完成起到了至关重要的作用。
③焊接完成后，接入电感，并将PI闭环控制回路接入SG3525的1脚和9脚，设置好PI调节的参数，检查无误后即可上电调试。
④上电时应使主电路的输入电压逐渐升高至9V，同时用示波
器观测主电路的输出端电压变化，当输入稳定在9V时调节SG3525的2脚的电
位器，使主电路输出电压稳定在24V。
至此，主电路调试完成。
3）保护电路
保护电路也比较简单，按照原理电路图焊接即可。
首先SG3525的10脚与GND断开，然后再将过压信号经触发器5脚输出后接回SG3525的10脚。
本设计的临界电压设定为27V，当主电路的输出电压升到27V时，比较器输出电压跳到高电平，此时D触发器Q端跳变到高电平，红灯点亮，SG3525的PWM输出被禁
止；当输出电压低于27V时，红灯自动熄灭，PWM正常输出。
至此，保
护电路调试完成。