基于TL494开关电源设计.doc

开关电源期末作品设计报告设 计 题 目： 基于TL494单端正激开关电源设计 学 院 名 称： 电子与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气111班 学 生 姓 名： 学号： 指 导 教 师： 基于TL494控制芯片的电路设计及调试摘要：社会不断发展，科技不断超越，电子技术的应用领域越来越广，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系也日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化，使得电源以轻、薄、小和高效的发展方向。关键字：TL494芯片；单端反激式电路；驱动电路Abstract: the social development, science and technology constantly beyond, the application field of electronic technology is more and more wide, the kinds of electronic equipment more and more, the relationship between electronic equipment and peoples work and life is increasingly close. Any electronic equipment is inseparable from the reliable power supply, they also more and more high to the requirement of power supply. Electronic device miniaturization and low cost, and makes the power to light, thin, small and efficient development direction. Key words: TL494 chip; Single-ended flyback type circuit; Driver circuit. 开关电源基础1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理图如图1-1所示；图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压U0。图1-1 开关电源的工作原理 (a)为原理性电路图，(b)为波形图为方便分析开关电路，定义脉冲占空比如下： (1-1)式中T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui之间有如下关系： (1-2)由(1-2)式可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的。T不变，只改变TON来实现占空比调节的方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，所以PWM式开关电源用得较多。若保持TON不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U0稳压的方法，称做脉冲频率调制(PFM)方式开关电源。由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。1.1.2 开关电源的组成开关电源由以下四个基本环节组成，见图1-2所示。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大，整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其它信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值，频率，波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源与线性电源相比，输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定。所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法改善瞬态响应特。图1-2 电源基本组成框图1.1.3 开关电源的特点(1)效率高：开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%90%，高的可达90%以上。(2)重量轻：由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。(3)稳压范围宽：开关电源的交流输入电压在90270V范围变化时，输出电压的变化在2%以下。合理设计电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。(4)可靠安全：在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。(5)功耗小：由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性3。1.2电源电路组成电源电路一般由主开关电源、副电源、辅助电路等组成。1.主开关电源主开关电源的输出功率较副电源、行输出级二次电源的输出功率要大。它将输入220V交流输入直接整流、滤波为300V左右的直流电压，再经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC-DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。主开关电源主要为主负载电路提供110145V的直流电压。遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去了直流供电。2.副电源副电源的主要作用是为微处理器控制电路提供5V的供电电压，副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源也可以采用传统的线性稳压电路，无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都必须正常工作。3.辅助电路 将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流与滤波，就可以得到各种所需的直流电压。由于它是由行输出级经直流-交流-直流的两次变换，所以又称为二次电源。行输出级产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描，图像和伴音通道供电。 电路的工作过程如下：开关管VT开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此V1处于通态，V2为断态，电感L的电流逐渐增长；VT关断后，电感L通过V2续流，V1关断。VT关断后变压器的激磁电流经N3绕组和V3流回电源，所以开关管VT关断后承受的电压表达式为： (2-3)此时要考虑变压器磁心复位问题。开关管VT开通后，变压器的激磁电流由零始，随着时间增加而线性的增长直到VT关断。为防止变压器的激磁电感饱和，需要设法使激磁电流在VT关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。 变压器的磁心复位时间为： (2-4)在电感电流连续的情况下，输出电压表示为： (2-5)输出电感电流不连续时，输出电压U0将高于式(2-3)的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压表达式为： (2-6)整个电路由功率开关管VT、储能电感L、二极管V及滤波电容C组成。当电路不工作时，功率晶体管VT处于截止状态，二极管V导通，前端直流电源通过电感和二极管向电容充电，并且向负载提供自身电压的直流电。当整个电路处于工作状态时，外界对晶体管VT的控制端(栅极)加载周期性方波，晶体管VT便处于导通与截止的不断交替状态。当VT导通时，前端直流电源向电感L储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载由电容C供电；当VT截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感中能量释放，与输入电压顺极性叠加经二极管V向负载供电，并同时向电容充电。功率管的高频开关使得电感发生强大的电磁感应，从而产生高压，经电容稳压输出成高压直流。其输出电压平均值将超过前端直流电压。Boost DC/DC变换器的输出电压值与晶体开关管栅极控制方波的占空比成反比，调节方波占空比便可以实现调压。正激型开关电源主回路由功率开关管VT、变压器TC，二极管V1，V2， V3和电容C组成。其中，变压器线圈绕组由N1，N2，N3组成。电路的工作原理为：当功率开关管VT导通时，变压器两端绕组的电压均为上正下负，整流二极管V1导通V2截止，输入电能通过整流二极管V1传给负载，同时对电感L1储能；当功率晶体管VT截止时，整流二极管V1截止V2导通，电感L1中的储能流经负载并经过二极管V2续流。二极管V3和变压器绕组N3组成变压器的磁芯复位电路，以保证在功率管再次开通之前励磁电流能够为零。同反激型变换电路一样，正激电路的输出电压和输入电压比值除了与线圈匝数比有关外，还与开关周期T和占空比有关。在输出滤波电感电流连续的情况下，输出电压与输出电压的关系为： (2-7)输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式(2-7)的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下： (2-8)2.1设计指标（1）电源容量输入：交流1528Vac。输出：电源+5V到+12V可调，纹波小于150mVP-P，最大输出电流2A(限流型保护) 。 （2）工作频率开关电源的工作频率为3040kHz。（3）控制电路采用脉冲宽度调制控制集成电路。2.2设计思路2.2.1 DCDC变换器电路拓扑结构 图11 DCDC变换器电路图1图11 ggggg如图1所示为DC/DC变换器电路，电路正常工作时，当功率管T1的基极输入为低电平时，T1管导通。此时电感处于储能的状态。从电感出来的电流一部分流过负载，另一部分则对电容C进行充电。反之，当T1管的基极输入为高电平时，PNP管截止。此时电感开始释放能量，同时电容C放电，这两部分的电流通过续流管，继续维持负载的电流。导通状态： 截止状态： 由于，所以有：。因此调节占空比就可以调节输出电压的大小。2.2.2实现方案及结构框图如图2所示为系统设计结构框图，电路实现将1528V的直流电变为可调电源从+5V到+12V的直流输出，整个系统由TL494脉冲宽度调制芯片驱动。采用学生电源经过直流降压电路后输出+5+12V直流电。同时该电路还有稳压、过流保护、软启动等功能。输入15V-28V直流电源输出5V-12V直流电源DC-DC降压电路PWM驱动电路 3 单元电路设计 TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。主要特征集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内止5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。图3.TL494内部结构图 3.1TL494内部结果及功能 电路原理图 电路PCB图 TL494内部有一线性锯齿波振荡器，器振荡频率。输出脉冲调制是通过将电容器C上的锯齿波与死区时间控制、反馈/PWM比较器输入两个控制信号中的任意一个进行比较而实现的。驱动输出晶体管Q1和Q2的“或非”门只有当触发器的时钟线为低电平时起作用，这种情况只有在锯齿波高于控制信号时才会发生。因此，控制信号幅度的线性增加，将使输出脉冲卷度线性减少，其时序如图4所示图4.TL494时序图 根据时序图：当锯齿波电平死区时间控制电平时，死区时间比较器输出高电平。 当锯齿波电平反馈/PWM输入电平时，PWM比较器输出高电平。死区时间控制电压和反馈/PWM输入电压，二者较高的电平控制触发器时钟宽度。TL494内部有一个5.0V的基准电压，能为外部电路提供高达10mA的负载电流。基准电压的精度为5%，在整个工作温度范围内（070）的温漂典型值为50mV。 3.2.1工作原理1稳压原理电压负反馈若某种原因导致输出电压过高，则误差放大器1同向端电位升高，反馈/PWM端电位上升，Q1管导通时间减少，占空比减少，结果输出电压减少。最终使输出电压保持稳定，和中点电压为5V。为误差放大器1的静态放大倍数，影响控制精度。和影响误差放大器1的动态放大倍数，抑制瞬变。2过载保护过载时，降低输出电压使负载电流保持在保护值。不论开关管T1是否导通，流过负载的电流都经过(由上向下)，的下端电位为负，当负载电流达一定值时，误差放大器2的反相端电位为负，误差放大器2的输出（即反馈/PWM端）为正，Q1管不导通，输出电压降低。3. 软启动 上电时输出电压由低到高建立，需要一定时间。上电时，充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，Q1管的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高。3.2.2参数计算及器件选择1. 因为电路采用学生电源，所以省去整流管和滤波电容环节。2. 工作频率：已知工作频率Fosc为3040kHz，根据 ，取为10K、为3300PF。TIP127集电极和发射极的饱和导通压降为1.0V1.2V，一般取为1.2V，则，.3. 开关管的选择：开关速度小于1uS，耐压大于，电流大于，TIP127(100V/5A,和)满足要求，内带保护二极管可不带RC吸收回路，但由于发热功率大，需带散热器。4. 输出电压：由公式,则取电阻，的电位器，当调到最小时，输出为+5V，当调到最大时，输出达到+12V，满足输出要求。5. 过载保护：最大输出电流2A ,由于为保护电阻，流过其电流约为负载的电流，为了避免消耗过多的能量，故取=0.1。根据要求最大输出电流2A，即，UREF=5V，则，因此可取=63，。实际中为了提高带载能力，可适当的提高的阻值。6. 续流二极管：选用快恢复二极管，反向偏压为，峰值电流大于，FR3073A/300V满足要求。输出电容：一个工作周期共向输出电容充电荷纹波，则，通常取，能满足要求。 通过这次课程设计，我对开关电源技术有了进一步的认识，通过完整的开关电源设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。在电路的设计中，要根据元器件工作原理，结合实际应用，适当的增加一些保护电路，滤波整流电路以保证电路的正常工作。也认识到自己的不足，平时学习不够，运用不够熟悉。