一种宽范围可调的小型DC-DC降压变换器

 摘要：提出了一种小型可调压DC-DC降压变换器的结构。主电路由MOSFET管、电感器及滤波电容器构成。通过PWM波控制，由于PWM波的驱动能力较差，设计驱动电路通过与PWM发生器一同控制MOSFET管的通断。通过改变PWM波的占空比来改变输出电压以达到可调压的目的。该降压变换器设计简单、经济适用、体积较小，输出电压可调。主要由主电路和驱动电路组成。该变换器适用于较低压工作场合，输入电压在5V至20V之间，输出电压在3V至18V之间。对电路的工作原理和结构进行了深入分析，并通过实物制作验证其可行性。

引言

随着电子产品的快速发展，消费者对移动电源的需求越来越高，在移动电源中，除储能部分之外降压模块也是必不可少的[1]。现在市场上大多数降压模块均采用固定降压器件，其输出电压不可调节，如需要不同电压值则需要购买不同型号的降压器件。本文设计的降压电路可提供多种输出电压、操作简单、经济实用。现在降压电路的主电路多采用IGBT或者采用容阻降压电路原理，这两种降压电路较为复杂、而且价格昂贵，本文采用MOSFET管作为降压主电路的开关器件。MOSFET管价格便宜，应用广泛，可以降低成本。

1 主电路设计

本文主电路采用经济实用的MOSFET管作为主开关受控器件[2]， 自 1976 年开发出功率MOSFET 以来，随着半导体工艺技术的发展，它的性能不断提高，如高压功率 MOSFET 其工作电压可达 1200V，MOSFET 其阻值仅10mΩ，工作频率范围从直流到数兆赫;保护措施越来越完善;并开发出各种贴片式功率 MOSFET( 如Siliconix 最近开发的厚度为 1.5mm的“Little Foot ”系列 ) 。另外，价格也不断降低，使其应用越来越广泛。主电路的储能器件选用电感器件，在主电路的输入端与输出端分别加入由电解电容器与瓷片电容器构成的缓冲滤波器，防止器件损坏。瓷片电容器的作用主要是进行滤波，防止输入或输出的电压存在高次谐波，损坏用电设备及内部器件。二极管为电感的放电提供续流回路。主电路框图如图1所示。

1.1 主电路设计

分析主电路框图(图1)和主电路原理图(图2)可知，输入端输入一直流电压，经过C1缓冲与C2滤波，当MOSFET管导通时电感L充电，此时负载两端的电压为输入电压减去电感器两端电压，当MOSFET管断开时，电感器充当电源，经负载与二极管构成回路进行放电，此时负载两端电压为电感器两端电压，周而复始，达到降压目的。

1.2 驱动电路设计

本文主电路中的MOSFET管由PWM信号控制通断[3-6]，PWM波没有驱动能力有限，因此需要设置一个驱动电路配合PWM波驱动MOSFET管的通断。本文给出的驱动电路由三个三极管及三个电阻构成，原理简单，经济实用。如图3所示，输出端接主电路中MOSFET管的栅极。图3中R1、R2、R3为3个电阻，T1、T2、T3为三个三极管，其中T1、T2为PNP型三极管，T3为NPN型三极管。PWM发生器选用msp430f149实现。msp系列具有低功耗、运算速率快等特点。本款单片机可以产生多路PWM波，可以编程实现通过按键更改输出PWM波的占空比。这种方法操作简单、易于实现。从T1的基极输入PWM波，当输入高电平时，T1导通，T2截止，T3导通，此时MOSFET管的栅极输入一低电平，MOSFET管导通;反之输入一低电平时，T1导通，T2导通，T3截止，此时MOSFET管的栅极输入一高电平，MOSFET管截止。

2 实验验证

为了验证上述理论的可行性，在实验室制作降压电路并试降压效果。降压电路整体的原理图如图4所示，将主电路与驱动电路结合到一起，构成完整降压电路。C1与C4选用4700µF/100V的电解电容器。C2与C3选用瓷片电容器，容值为470nF量级。MOSFET管选择P道型IRF9530N，IRF9530N采用先进的工艺制造，具有极低的导通阻抗，转换速率快，是一款应用范围超广的器件，工作温度可达170度。主电路的储能器件选用220µH，最大电流为11A的环形电感器。二极管选用IN5819，它是一种低功耗、超高速半导体器件。T1与T2为三极管，采用PNP型，型号为9013。T3为NPN型三极管，型号为9012。R1与R2阻值为3.3KΩ，R3与R4阻值为10kΩ。

实物焊接如图5所示。为了验证该电路的可行性，分别输入5V ,15V直流电压，并且在输入电压不变的情况下分别输入不同的占空比，通过示波器观察输出电压的大小变化。其中图6至图8为输入5V电压时输出电压变换图;图9和图10为输入15V电压时的输出电压变换图。(1)分别对三组图片进行分析可知，当输入电压一致时，输出电压随着占空比的增加而增高，每个占空比对应一个输出电压。(2)通过对图6的分析可知当输入占空比为0%时输出电压为0，可以控制关断MOSFET管。(3)通过分析图8和图10可知，在输入占空比相同时，随着输入电压的升高，输出电压也在升高。验证结果与理论相符，设计方案切实可行。

3 结论

本文给出的小型可调压DC-DC降压电路经过理论分析、电路设计、实物制作及实物测试等环节的验证，证明该方案切实可行，并具有广泛的应用前景。采用价格低的MOSFET管，降低了制作的成本，使本电路更加经济实用。