降压电路专业课程设计.doc

电子技术课程设计报告

设计课题：基于TL494非隔离开关电源设计

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学生姓名：
指引教师：
设计时间：

物理与电子工程学院
目 录
1 设计任务与规定 4
2 集成稳压电源和开关电源区别 4
2.1 集成稳压器构成 4
2.2 开关电源构成 5
3 开关电源分类 6
4 常用开关电源简介 6
4.1基本电路 7
4.2 单端反激式开关电源 7
4.3单端正激式开关电源 8
4.4自激式开关稳压电源 8
4.5 推挽式开关电源 9
4.6 降压式开关电源 9
4.7 升压式开关电源 10
4.8 反转式开关电源 10
5 buck变换器 11
5.1 buck工作原理 11
5.2 buck变换器参数计算 12
6 TL494 脉宽调制电路 14
6.1 TL494 芯片重要特性 14
6.2 TL494 工作原理简述 14
6.3 原则 BUCK（降压）电路图 15
7 性能测试成果分析 16
8.结论与心得 16
9.参照文献 17
10.附录 17

基于TL494非隔离开关电源设计
一、设计任务与规定
1．掌握PCB制板技术、焊接技术、电路检测以及集成电路用法。
2．掌握TL494非隔离开关电源设计、组装与调试办法。
3．研究开关电源实现办法，并按照设计指标规定进行电路设计与仿真。
详细规定如下：
① 分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读有关技术资料，并提出自己看法。
② 掌握开关电源工作原理。
③ 设计硬件系统并进行仿真，掌握系统调试办法，使系统达到设计规定。
重要技术指标
设计规定：
直流输入电压：10~40V；
输出电压：5V；
输出电流：1A；
效率：≥72%。

二、集成稳压电源和开关电源区别
（1）、集成稳压器构成

图1 集成稳压器构成
电路内部涉及了串联型直流稳压电路各个构成某些,此外加上保护电路和启动电路。
1.调节管
在W7800系列三端集成稳压电路中，调节管为由两个三极管构成复合管。这种构造规定放大电路用较小电流即可驱动调节管发射极回路中较大输出电流，并且提高了调节管输入电阻。
2.放大电路
在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高电压放大倍数。
3.基准电源
在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具备低噪声、低温漂特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。
4.采样电路
在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻构成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路输入端。
5.启动电路
启动电路作用是在刚接通直流输入电压时，使调节管、放大电路和基准电源等某些建立起各自工作电流。当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路性能。
6.保护电路
在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。
(2)、开关电源构成

图2 开关电源构成
当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量一某些送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将两者差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形占空比发生变化。此脉冲信号作为开关管输入信号，使调节管导通和截止时间比例也发生变化，从而使滤波后输出电压平均值基本保持不变。

三、开关电源分类
1、按开关管连接方式，开关电源可分为串联型开关电源和并联型开关电源。串联型开关电源开关管是串联在输入电压和输出负载之间，属于降压式稳压电路；而并联型开关电源开关管是在输入电压和输出负载之间并联，属于升压式稳压电路。
2、按勉励方式，开关电源可分为自激式和她激式。在自激式开关电源中，由开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完毕自激振荡，类似于间歇振荡器；而她激式开关电源必要附加一种振荡器，振荡器产生开关脉冲加在开关管上，控制开关管导通和截止，使开关电路工作并有直流电压输出。
3、按调制方式，开关电源可分为脉宽调制（PWM）方式和脉频调制（PFM）方式。PWM是通过变化开关脉冲宽度来控制输出电压稳定方式，而PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，将误差值放大后去控制开关脉冲周期（即频率），使输出电压稳定。
4、按输出直流值大小，开关电源可分为升压式开关电源和降压式开关电源，也可分为高压开关电源和低压开关电源。
5、按输出波形，开关电源可分为矩形波和正弦波电路。
6、按输出性能，开关电源可分为恒压恒频和变压变频电路。
7、按开关管个数及连接方式又可将开关电源分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。单端式仅用一只开关管，推挽式和半桥式采用两只开关管，全桥式则采用四只开关管。
8、开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。
9、按软开关方式分，开关电源有电流谐振型、电压谐振型、E类与准E类谐振型和某些谐振型等。

四、 常用开关电源简介
1.基本电路
开关式稳压电源基本电路框图如下图3所示。       
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成具有一定脉动成分直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要直流电压。       
控制电路为一脉冲宽度调制器，它重要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这某些电路当前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调节高频开关元件开关时间比例，以达到稳定输出电压目。  

图3 基本电路
２． 单端反激式开关电源  
单端反激式开关电源典型电路如图三所示。
电路中所谓单端是指高频变换器磁芯仅工作在磁滞回线一侧。所谓反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组感应电压为上正下负，整流二极管VD1处在截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。单端反激式开关电源是一种成本最低电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同步输出不同电压，且有较好电压调节率。唯一缺陷是输出纹波电压较大，外特性差，合用于相对固定负载。        
单端反激式开关电源使用开关管VT1 承受最大反向电压是电路工作电压值两倍，工作频率在20－200kHz之间。

图4 单端反激式开关电源
３． 单端正激式开关电源   
单端正激式开关电源典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也 导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和 复位时间应相等，因此电路中脉冲占空比不能不不大于５０％。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，因此输出功率范畴大，可输出50－200 Ｗ功率。电路使用变压器构造复杂，体积也较大，正由于这个因素，这种电路实际应用较少。

图5 单端正激式开关电源
４．自激式开关稳压电源     
自激式开关稳压电源典型电路如图五所示。这是一种运用间歇振荡电路构成开关电源，也是当前广泛使用基本电源之一。     
当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负正反馈电压，使VT1 不久饱和。
与此同步，感应电压给C1充电，随着C1充电电压增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic 开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ次级绕组向负载输出所需要电压。
自激式开关电源中开关管起着开关及振荡双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器次级且工作在反激状态，具备输人和输出互相隔离长处。这种电路不但合用于大功率电源，亦合用于小功率电源。

图6 自激式开关电源
５．推挽式开关电源        
推挽式开关电源典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器磁芯工作在磁滞回线两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外勉励方波信号控制下交替导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要直流电压。
这种电路长处是两个开关管容易驱动，重要缺陷是开关管耐压要达到两倍电路峰值电压。电路输出功率较大，普通在100~5000Ｗ范畴内。

图7 推挽式开关电源
６．降压式开关电源    
降压式开关电源典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中储能增长。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压高低由加在VT1基极上脉冲宽度拟定。这种电路使用元件少，它同下面简介此外两种电路同样，只需要运用电感、电容和二极管即可实现。

图8 降压式开关电源

７．升压式开关电源       
升压式开关电源稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感Ｌ储存能量。当开关管VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压不不大于输人电压，形成升压式开关电源。

图9 升压式开关电源
８．反转式开关电源        
反转式开关电源典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前脉动直流电压高于或低于输出端稳定电压，电路均能正常工作。当开关管VT1导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感Ｌ中电流继续流通，并感应出上负下正电压，经二极管VD1向负载供电，同步给电容Ｃ充电。以上简介了脉冲宽度调制式开关稳压电源基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样实际控制电路，但无论如何，也都是在这些基本上发展出来。

图10 反转式开关电源
五、buck变换器
1. buck工作原理
BUCK变换器又称降压变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换直流斩波器，即输出电压低于输入电压。其基本构造如图11.1所示。
假定:
(l)开关晶体管、二极管均是抱负元件，也就是可以迅速地“导通”和“截止”，并且导通压降为零，截止时漏电流为零;
(2)电感、电容是抱负元件，电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电容等效串联电阻为零;
(3)输出电压中纹波电压与输出电压比值小到容许忽视。

图11.1 Buck变换器电路

工作过程：
当主开关Tr导通，如图11.2所示，is=流过电感线圈L，电流线性增长在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当is >i。时，电容在充电状态。这时二极管D承受反向电压而截止。经时间D1Ts后，如图11.3所示主开关Tr截止，由于电感L中磁场将变化L两端电压极性，以保持其电流不变。负载两端电压仍是上正下负。在压为电流红构成通路，故称D为续流二极管。由于变换器输出电压Vo不大于电源电压Vs，故称它为降压变换器。
其工作图如下图11.2和图11.3所示。

图11.2 Tr导通 图11.3 Tr关断

在普通电路中是盼望BUCK电路工作在持续导通模式下，在一种完整
开关周期中，BUCK变换器工作分为两段，其工作波形图为:

图11.4 BUCK在持续模式下工作波形图
2. buck变换器参数计算
在BUCK变换器电路中给定输入电压Vs范畴、输出电压Vo、功率P输出电流I。、纹波电压范畴△Vo，开关频率fs，就可以推出电路中L、C参数值和所需要开关管和二极管耐压和耐流值，从而选定各自型号。
从图11.4中波形图可知，在开关管Tr导通期间(一)，电感电流上升量为
（3.1）
在开关管关断期间，电感电流下降量为
（3.2）
由于稳态时这两个电流变化量相等，即因此由上述两式可得:
（3.3）
由上式整顿得

（3.4）
注意：D为占空比

(l)电感L拟定
在持续和不持续之间有个临界状态，此时 （3.5）
将3.2式代入35可得： （3.6）
将3.6式整顿得： （3.7）
要保证电路工作在持续工作模式必要使L≧Lc，普通取1.2倍裕量。
(2)电容C拟定
流经电容电流是()，由于对电容充放电产生纹波电压，如图3.4中和波形。
（3.8）
将3.2式代入3.8式得 （3.9）
开关管峰值电流为：
开关管耐压值为：
依照拟定技术指标：输入电压：Vs= 10~40V ；输出电压 ：Vo=5V；输出电流Io= 1.0A。
有上述公式推到可得：Lc 取1.0mH
C 取500uF/10V
依照耐压值和余量：
开关管取：Tip127
电流参数：IC=5A/ICM=8A/IB=0.1A
电压参数：UCEO=UCBO=100V/UEBO=5V
功 率： Ptot=65W
二极管取：IN5819
电压参数：40V
电流参数：1.0A
六、TL494 脉宽调制电路
1.TL494 芯片重要特性
·集成了所有脉宽调制电路
·内置主从振荡器
·内置误差放大器
·内置5.0V参照基准电压源
·可调节死区时间
·内置功率晶体管可提供最大500mA驱动能力
·输出可控制推拉电路或单端电路
·欠压保护
2. TL494 工作原理简述
TL494 是一种固定频率脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部一种电阻和一种电容进行调节，其振荡频率计算公式为：

图12 TL494芯片内部电路
输出脉冲宽度是通过电容CT 上正极性锯齿波电压与此外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。当双稳触发器时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压不不大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲宽度将减小。
3. 原则 BUCK（降压）电路图

图12 BUCK电路图
电压反馈控制（稳压调节）：
1 脚为电压反馈输入端，该脚通过一种5.1K 电阻直接接到输出端。
2 脚也是通过5.1k 电阻接到VREF 端（5v）
输出电压=参照电压=5V
电流反馈控制（限流保护）：
输出负段到地之间接了一种 0.1 欧姆电流采样电阻，该电阻电压被接入到16 脚
15 脚电压=5V*150/（150+5100）= 0.143V
限流电流=0.143/0.1=1.43A。当负载电流>=1.43A 时，输出保护。
3 脚所接0.1u 电容及45K、1.0M 电阻是斜率补偿 （为了增长电路稳定性）。
输出控制
13 脚为输出（方式）控制端。该脚接地时为单端连接输出方式。
因此图中将 8 脚和11 脚并联输出。
参数

表1
七、性能测试成果分析
本次设计成果基本可以达到预期规定：

图13 TL494降压原理图
如图13所示：
空载时：能比较精确把10到40V电源稳定在4.95V左右，纹波电压在6mV左右。
带负载时：当负载在零到某一值范畴内时，输出电压稳定在4.95V，输出电流达到0.9A，此时测得输入电压为12.7V，输入电流为0.47A，则效率为：φ=4.95*0.9/(12.7*0.47)*100%=74.65%；如果在增大负载话，输出电压会被拉低，输出不稳定。
八、结论与心得
事实证明，可靠性是开关电源设计最重要因素，而TL494是一种功能非常完善PWM驱动电路芯片,合用于多数电路，性能稳定，可靠性高，具备很大现实意义。
通过这次课程设计，使我对一种电子产品开发研究有了初步结识，体会到了开发研究一种电子产品艰辛，也对我精神品质得到了一次锻炼，明白了做什么事情都不也许急功近利，只有踏踏实实去做才干较好地完毕。此外，我非常感谢我指引教师和同窗给我协助，让我可以顺利完毕这项实验。我相信，本次课程设计对我此后实习和毕业后工作，必定有很大协助。
九、参照文献
[1]谢自美. 电子线路设计[M].武汉：华中科技大学出版社,
[2]张占松.开关电源原理与设计（修订版），电子工业出版社，
[3]王水平.开关稳压电源—原理设计及实用电路，西安电子科技大学出版社
[4]孙余凯，吴鸣山.电路识图与应用快捷入门丛书，电子工业出版社，

附录

附录一：PCB图

附录二：实物图

器件类别
元件序号
型号参数
数量
备注
电阻
R1
47Ω
1

R2、R9
150Ω
2

R3、R8
47KΩ
2

R4
1.0KΩ
1

R5 、R6、R7
5K1
3

R10
0.1Ω
1

STC8051
U1
DIP40
1

TIP127
Q1
PNP
1

电解电容
C1
100uF/50V
1

C2
0.1uF
1

C3
0.001uF
1

C4
470uF/25V
1

C5
100uF/10V
1

电感
Q2
1.0mH
1

插座
J1、J2
CON2
2

IN5819
Q3

1

附录三：元器件清单