基于BT2747微小型化宽输入降压型DCDC电源转换微模块设计开题报告

2．本课题主要研究内容和预期目标

本课题系统的设计的目的是为了进行能量转换，即采用了开关电源拓扑结构，以MCU为控制核心，使得电路运行更加的智能化，电路中应该包含主回路、辅助电源供电、按键电路，以及显示模块。

降压变换器电路模块

BUCK变换器又称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。(如图2)

图2 BUCK变换器

图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton Toff，占空比Dy= Ton/Ts。

Buck变换器有两种基本工作方式：CCM(Continuous current mode)：电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大于零，DCM(Discontinuous current mode)：电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零CCM时的基本关系。

技术指标如下：

① 方案论证与各元器件确定：拓扑方案的选择和论证，DC-DC选择，电路供电电源的选择，电流检测电路选择，电压检测电路选择，按键电路选择，液晶显示模块确定

② 完成芯片参数的分析、计算和选择：Buck的LC滤波电路参数，电流检测电路和电压检测电路参数

③ 完成系统设计:完成电路图仿真、电路板、系统程序的设计

④ 焊接完成系统，测试、分析和优化达到设计指标

研究内容：

设计基于BT2747微小型化36V输入电压降压型DC-DC电源转换微模块，其输入电压是5-36V，输出电压是3.3-24V，尺寸小于14mm*14mm*3.2mm。对其内部电路结构完成分析，并设计、制备和测试性能（如图表1）。

表1 BT2747的设计要求

BT2747芯片简介：BT2747是贝克瓦特的一款升降压型、反激式开关稳压器芯片。内置一枚2A 70V功率开关管，集成逻辑管理电路。BT2747的输入电压范围为4V至55V，具有模式选择功能，可切换到反激式工作模式。

BT2747的外部引脚及功能

图3BT2747外部引脚图

引脚说明（如图3）：

1.PGND端：电源地，大电流从SW流出

2.VIN端： 供电引脚，使用它要连接旁路电容

3.RFB：外部反馈输入引脚通过RFB的电阻连接到SW,由RFB和FB的电阻决定输出电压。

4.VC：环路补偿连接RC串联到地。

5.SW:有大电流通过时，电感中这个电流通过它流入地。

6.S/S:（1）同步外部时钟，在输入的电压沿下降的功率管打开，同步开启（2）S/S从低到1.5V时，芯片正常工作，从高变低为1.06V时，芯片关机芯片一般工作时，将是S/S接到Vin。

7.SGND:信号地，流入芯片的驱动电流从该引脚流出

8.FB:外部反馈电阻的输入引脚，通过电阻RFB连接

9.Vout.电阻RFB和RREF决定输出电压

BT2747内部功能模块框图如下图所示:

图4 BT2747内部结构框图

如图4所示，BT2747工作在电流模式，内置开关的占空比主要受内置检流电阻上的电流控制。在每个周期开始时，BT2747会打开内置开关管，这时电感上的电流增大，当检流电阻上的电压达到一定值时，比较器会输出高电平，使的逻辑模块拉低开关管的基极，即关掉了内置内部集成了一个高性能的线性稳压器，这使得芯片的工作电压可以在4V到55V之间随意选择。内部集成的238KHZ振荡器为电路提供了基本时钟源。每当振荡器产生一个高电平脉冲后，就会打开内置开关管。内部集成大功率管NPN最大可以走2A的电流，出于安全考虑，内部有一个功能模块限制了这个电流，使它不能变得很大。当内置开关达到一定阈值，内部的开关管就会关闭，这个电流的检测就是靠串联在开关管下方的0.02欧的检流电阻和误差放大器。电压反馈引脚（FB）接到误差放大器的反向端，误差放大器的同相端输入的是带隙基准电压1.27V。

根据设计要求和电路的基本原理设计的电路图如下图（如图5）：

图5基于BT2747 36V输入电压降压型DC-DC电源电路图

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

一．方案选择

1．主拓扑方案选择

方案一：采用反激式变换器。反激式变换器适合小功率的输出，输入电压大范围波动时，仍可以有较稳定的输出，并且可以实现带隔离的DC/DC变换，但其中的反激式变压器设计比较复杂，且整体效率较低。

方案二：采用buck变换器，buck是一种斩波升压变换器，该拓扑效率高，电路结构简单，参数设计也比较容易。

方案三：采用SPICE变换器，开关环路的对称性使其可以达到较高效率，电感的适当耦合也可以尽量减小纹波。但该方案成本较高，对电容电感值要求较高，检测和控制电路较为复杂。

为节约成本，并从简单考虑，本作品选用方案二。

2.控制反馈方案的选择

方案一：系统由buck模块实现升压任务，各模块所需PWM信号的由单片机提供，单片机AD采集实时输出量，经运算后通过改变占空比调整模块工作状态。该方案电路最简单，各种控制灵活，缺点有单片机运算量过大，开关信号占空比受单片机限制，浮点运算的时延影响电路跟随，另外单片机容易受到功率管开关干扰而失灵。

方案二：使用振荡器、比较器产生PWM波，由负反馈电路实现输出控制，单片机负责状态切换和测量显示，该方案原理易于理解，但自己装调的PWM电路在开关时容易出现振铃毛刺，直接影响了系统效率，并且要完善反馈控制对回馈信号要求较高。

方案三：借用现有成熟BT2747芯片，该类集成电路输出波形好，工作稳定，都具备至少一个反馈控制引脚，按照厂商提供的典型电路就可装调出应用电路。但这类电路一般针对专用场合设计，借用时需要较多设计计算，特别是该类芯片的反馈有极高的控制灵敏度。

本作品采用方案三。

二．理论分析和计算

1． 电路设计与分析

（1） 提高效率的方法

在电路的设计过程中，找到了影响系统效率的主要因素有三点：功率变换器开关器件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。

所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。

1．开关器件的损耗不可避免，但是可以采用低功耗的开关管和二极管。采用MOS管做为开关管，BT2747中MOS管开关损耗小，其只在导通期间由开关损耗，适合频率比较高的工作场合。采用肖特基二极管SR560做为续流二极管，耐压高，损耗小。如此选择器件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。

2.通过理论和实践验证，电感越大，纹波电流越小，电感损耗越大。所以在满足要求的条件下减小电感，并且严格按照要求绕制电感，减小磁隙，线圈紧凑等。

3.在焊接时合理安排布局，减少开关信号走线的连接，可以在布局布线上减小损耗。

2.参数计算

1. 占空比D的计算根据buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的范围：

2. 2.电感L的计算：

3. 电容C的计算：

由于最大输出电压为18V，所以所选电容耐压值应大于18V 考虑到波动，所以电容取130pF/50V的电容。 开关频率选用250KHz方波信号，占空比为0.75

初步仿真参数如下：

输入直流电压：24V

输出直流电压：18V

开关频率：250KHz

电容:11.1pF

电感:130pH

电阻:80KΩ

4．本课题主要参考文献

1、孙树朴，郑征等.电子电子技术.徐州：中国矿业大学出版社.2000

2、周志敏，周纪海.开关电源实用技术－设计与应用.北京：人民邮电出版社.2003

3、杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.北京：机械工业出版社.2003

4、[日]原田耕介 主编.耿文学译.开关电源手册.北京：机械工业出版社.2004

5、刘泉海，陈因等.电子电子技术.重庆：重庆大学出版社.2004

6、滕国仁.脉宽集成控制器UC3842在开关电源中的应用.华北矿业高等专科学校学报

7、张占松，蔡宣三.开关电源的设计与应用.北京：电子工业出版社2001

8、孙树朴,黄章.电动设备节能技术讲座[C].中国矿业大学自动化系

9、魏学业,汪正,马荣全.开完电源设计全实例精解.北京：化学工业出版社2016

10、周志敏,纪爱华.学开关电源设计.北京：电子工业出版社2014

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

1周~4周 翻译和文献调研

5周~12周 设计与仿真

13周~16周 毕业论文

17周答辩