基于TL494小功率逆變器設(shè)計

1、臨沂大學2015屆本科畢業(yè)設(shè)計2015屆 分 類 號：TM464 單位代碼：10452 畢業(yè)論文（設(shè)計）基于TL494小功率逆變器設(shè)計姓 名 王日健 學 號 201309920312 年 級 2013 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 系（院） 汽車學院 指導教師 謝印忠 2015年4月1日I摘 要 隨著科學技術(shù)的進步，逆變技術(shù)得到了快速發(fā)展，逆變器是一種應(yīng)用功率型的半導體器件，能夠把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變流設(shè)備，用于交流負載使用。因此，逆變技術(shù)在開發(fā)和運用的領(lǐng)域中有著十分重要的地位。本設(shè)計思路是針對車載逆變器，系統(tǒng)地闡述了車載逆變器技術(shù)的產(chǎn)生背景，發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)計過程及廣泛應(yīng)用。該逆變器的核

2、心控制電路采用了芯片TL494CN，并且在電路中使用了高頻變壓器，極大地減少了該逆變器的成本及體積，逐步提高了逆變器的性能。整個逆變電路將輸入的12V的直流電通過兩次變頻轉(zhuǎn)變成220V/50Hz的交流電后輸出，并且具有輸入/輸出過壓保護，以及過熱保護等功能。關(guān)鍵詞：車載逆變器; 高頻變壓器; TL494CNAbstractWith the progress of science and technology, inverter technology has been rapid development. Inverter is a kind of application of power se

3、miconductor devices, which can transform into a DC power converter equipment AC power for AC load use. Therefore, the inverter technology has a very important position in the field of development and application.This design is based on car inverter, systematically expounds the background of vehicle-

4、mounted inverter technology, the current situation of the development, the design process and a wide range of applications. The core of the inverter control circuit adopted TL494CN chip, and the high frequency transformer is used in the circuit, greatly reduces the cost and volume of the inverter an

5、d gradually improve the performance of the inverter. The inverter circuit of the input 12 V DC by twice frequency conversion into 220 V / 50 Hz alternating current output, with the input/output overvoltage protection, and overheating protection function.Keywords: Vehicle-mounted inverter; High-frequ

6、ency transformer; TL494CN目 錄1 緒論11.1 引言11.2 逆變技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.3 逆變技術(shù)的分類21.4 逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域32 逆變器有關(guān)內(nèi)容的研究現(xiàn)狀42.1 逆變器主電路的基本形式42.2 逆變電源的選擇42.3 逆變器功率開關(guān)器件53 車載逆變電源工作原理73.1 簡述車載逆變器73.2 TL494引腳功能及工作原理73.2.1 TL494芯片簡介73.2.2 TL494芯片各引腳功能83.2.3 TL494工作原理93.3 逆變電路設(shè)計113.3.1 逆變電路部分113.3.2 保護電路部分154 電路圖繪制和調(diào)試174.1 PROTEL99簡

7、介174.2 電路圖繪制184.3 PCB圖繪制184.4 電路調(diào)試19結(jié) 論20參 考 文 獻21附 錄22謝 辭25V臨沂大學2015屆本科畢業(yè)設(shè)計1 緒論1.1 引言逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電能（一般為220V,50Hz正弦波）的電氣裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。簡單地說，逆變器就是一種將低壓(12V或24V或48V)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。我們處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直

8、流電，同時更需要我們在日常生活中不可缺少的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。近年來，電力電子技術(shù)1發(fā)展迅猛，逆變器廣泛應(yīng)用于日常生活，車載系統(tǒng)，電子通信等領(lǐng)域。現(xiàn)代社會中，隨著私家車的逐漸增加，在戶外需要使用的電子設(shè)備也越來越多,例如車用音響、車用冰箱、筆記本電腦、手機充電器以及各種電源適配器。在發(fā)達國家?guī)缀趺枯v車都具備車載逆變電源。而在國內(nèi)配備這種轉(zhuǎn)換器的車輛還很少,另外每年汽車銷售量日益增加,因而車載逆變器在國內(nèi)將會有非常大的市場前景。 1.2 逆變技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢逆變器是指整流器的逆向變換器，其作用是通過半導體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能的一種

9、電力電子變換器。逆變器的應(yīng)用將越來越重要。21世紀是能源開發(fā)、資源利用與環(huán)境保護互相協(xié)調(diào)發(fā)展的世紀，能源的優(yōu)化利用與清潔能源的開發(fā)，是能源資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。具有世界三大能源之稱的石油、煤和天然氣等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將逐漸取代化石燃料而成為人類使用的主體能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式，將成為主體發(fā)電方式。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。逆變器發(fā)展趨勢可以概括以下幾個方面。（1）高頻化。逆變電源的體積和重量主要是由儲能元件決定，因此逆變電源的小型化實質(zhì)上就是盡可能

10、減小其中儲能元件的體積。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20KHz，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的510%，其主要材料可以節(jié)約90%甚至更高，還可以節(jié)電30%以上。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，逆變電源的體積、重量也將會越來越小。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是逆變電源的主要發(fā)展方向。（2）低噪聲。逆變器的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是逆變電源的又一發(fā)展方向。（3）

11、模塊化。模塊化有兩方面的含義，包括功率器件的模塊化和電源單元的模塊化。常見的器件模塊，含有一單元、兩單元甚至六單元直至七單元。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也集成到功率模塊中去，構(gòu)成了智能化功率模塊，不但縮小了整機的體積，而且也方便了整機的設(shè)計制造。（4）數(shù)字化?，F(xiàn)在數(shù)字式信號，數(shù)字電路越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)也日趨完善，顯示出越來越多的優(yōu)點，如便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力等，同時也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。（5）高可靠性。可靠性是所有電力電子裝置的生命線。我們知道，在一個系統(tǒng)中，元件數(shù)量越少，可靠性越高。所以，在設(shè)計電源時，盡可能使用較

12、少的元件，提高系統(tǒng)的集成度。這樣就解決了電路復雜、可靠性差的問題，同時也簡化了電路，使系統(tǒng)的可靠性得到了提高。（6）綠色化。隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染電源的呼聲越來越高。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端應(yīng)用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。節(jié)電也是綠色電源一個很重要的因素，因為發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，而節(jié)電就意味著發(fā)電容量的節(jié)約。1.3 逆變技術(shù)的分類逆變技術(shù)2的分類方式很多，主要分類方式如下。(1) 按逆變器輸出交流的頻率分為：工頻（5060Hz）逆變、中頻（400Hz到幾十kHz）逆變和高頻（幾十kHz到幾MHz）逆變。（2）按逆變器輸出交流能量的去向分

13、為：無源逆變和有源逆變。（3）按逆變器輸出電壓的波形分為：正弦波逆變和非正弦波逆變。（4）按逆變器輸出交流的相數(shù)分為：單相逆變、三相逆變和多相逆變。（5）按逆變器的直流電源的性質(zhì)分為：電壓源逆變和電流源逆變。（6）按逆變器的電路結(jié)構(gòu)分為：單端式逆變、推挽式逆變、半橋式逆變和全橋式逆變。（7）按逆變器的功率開關(guān)管分為：大功率晶體管（GTR）逆變、晶閘管（SCR）逆變、可關(guān)斷晶閘管（GTO）逆變、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）逆變和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）逆變。（8）按逆變器的控制方式分為：脈寬調(diào)制（PWM）逆變、脈頻調(diào)制（PFM）逆變和數(shù)字逆變。1.4 逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)代逆變技術(shù)3是一

14、門實用技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。(1) 交流電動機變頻調(diào)速運用逆變技術(shù)將普通交流電網(wǎng)電壓變換成電壓和頻率均可調(diào)的交流電，對交流電動機進行無極調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)在許多場合有廣泛的應(yīng)用，如風機、水泵、機床、軋機、電梯、傳動、空調(diào)等的控制。(2) 電動機制動再生能量回饋交流電動機和直流電動機在制動過程中都會處于發(fā)電狀態(tài)而使直流母線電壓泵升。采用有源逆變系統(tǒng)將能量回饋至交流電網(wǎng)而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻能耗制動，既節(jié)約了電能，又提高了安全性能。(3) 不間斷電源系統(tǒng)在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的計算機、通信設(shè)備、檢測設(shè)備等都需要采用不間斷

15、電源。UPS主要由蓄電池和逆變器組成。逆變器具有能量雙向傳輸功能。在電網(wǎng)正常供電時，逆變器處于整流狀態(tài)，給蓄電池充電；在電網(wǎng)斷電的情況下，逆變器處于逆變狀態(tài)，將蓄電池中的直流電逆變成交流電供給用電設(shè)備。(4) 產(chǎn)生和利用磁場高頻和中頻加熱爐、電磁灶等設(shè)備利用逆變技術(shù)產(chǎn)生交流電，進而產(chǎn)生交變磁場，金屬在交變磁場中產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，從而達到加熱的目的。磁懸浮列車是利用高尖技術(shù)產(chǎn)生一種磁場，使列車車輪和鐵軌不完全接觸，減小摩擦，提高牽引效率。其中就利用了逆變技術(shù)。(5) 通信開關(guān)電源通信電源包括一次電源和二次電源。一次電源由帶逆變器的開關(guān)電源替代傳統(tǒng)整流式電源，而二次電源一般都是逆變式開關(guān)電源。(6)

16、 變頻電源我國采用的是50Hz的交流電。我國在生產(chǎn)出口外銷的家電電器、電動機等產(chǎn)品時，在調(diào)試、檢測、老化過程中需要大量的60Hz的交流電源。采用逆變技術(shù)就可以設(shè)計出這種電源。除了以上列舉的領(lǐng)域之外，還有航空逆變器、艦船逆變器、電力控制、交直流配電控制、機器人、工業(yè)控制機、影視設(shè)備、充電裝置、武器系統(tǒng)等等，另外還有許多應(yīng)用領(lǐng)域我們尚不太清楚。2 逆變器有關(guān)內(nèi)容的研究現(xiàn)狀2.1 逆變器主電路的基本形式常用逆變器主電路的基本形式有三種分類方法:按相數(shù)分類，可分為單相逆變電路和三相逆變電路；按直流側(cè)電源性質(zhì)的不同分類，可分為電壓源逆變電路（Voltage Source Type InverterVST

17、I）和電流源逆變電路（Current Source Type InverterCSTI）；按電路拓撲結(jié)構(gòu)，可以分為單端正激(Single-ended forward)、單端反激(Single-ended flyback)、升壓(Boost)式、降壓(Buck)式、推挽(Pull-push)式、半橋(Half-bridge)式、全橋(Full-bridge)式等。理想的逆變器，從直流變換到交流時功率為恒值而沒有脈動，直流電壓波形和電流波形中也不會產(chǎn)生波動。而在實際的逆變電路中，因為逆變器的脈動數(shù)值有限，因而逆變功率是脈動的。當逆變器的逆變功率的脈動波形由直流電流來體現(xiàn)時，稱之為電壓源型逆變器，直

18、流電源是恒壓源。電壓源型逆變器直流側(cè)有較大的濾波電容。當逆變器的逆變功率的脈動波形由直流電流來體現(xiàn)時，稱之為電流源型逆變器，直流電源是恒流源。電流源型逆變器直流側(cè)接有較大的濾波電感。此外，控制逆變器輸出量(電流或電壓)有兩種方法，一種是脈沖幅度調(diào)制PAM，其特點是保持脈沖寬度不變而改變脈沖幅值；另一種是脈沖寬度調(diào)制PWM，其特點是保持脈沖幅值不變而改變脈沖寬度。逆變器按主電路形式分類如圖2-1所示：三相單相電流型逆變器電壓型逆變器三相單相全橋式半橋式全橋式半橋式推挽式逆變器 圖2-1 逆變器分類示意圖2.2 逆變電源的選擇逆變電源的構(gòu)成除了包括逆變電路和控制電路外，還要有輸入、輸出電路、輔助電

19、路和保護電路。小容量逆變電源因為輸出容量小，電壓和電流不大，因此開關(guān)器件多選用電力MOSFET。而大容量正弦波輸出的逆變電源因其電壓電流一般都比較大，因此多采用IGBT作為它的開關(guān)器件。在PWM逆變器中，軟開關(guān)技術(shù)的研究目的是要實現(xiàn)脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)，就是將軟開關(guān)技術(shù)引進到PWM逆變器中，使它既能保持原來的優(yōu)點，又能實現(xiàn)軟開關(guān)工作。逆變電源的選擇需要注意以下幾點：（1）額定輸出電壓：在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內(nèi)，它表示逆變器應(yīng)能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩(wěn)定準確度一般有如下規(guī)定：在穩(wěn)態(tài)運行時，電壓波動范圍應(yīng) 有一個限定，例如其偏差不超過額定值的±3%或±5

20、%。在負載突變或有其他干擾因素影響的動態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±8%或±10%。（2）輸出電壓的波形失真度：當逆變器輸出電壓為正弦度時，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度(或諧波含量)。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值不應(yīng)超過5%(單相輸出允許10%)。（3）額定輸出電流：表示在規(guī)定的負載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量，其單位以VA或KVA 表示。逆變器的額定容量是當輸出功率因數(shù)為1(即純阻性負載)時，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。（4）額定輸出效率：逆變器的效率是在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率對輸入功率之比，以%表

21、示。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿負荷效率，在10%額定輸出容量的效率為低負荷效率。（5）保護：過電壓保護：對于沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過電壓防護措施，以使負載免受輸出過電壓的損害。過電流保護：逆變器的過電流保護，應(yīng)能保證在負載發(fā)生短路或電流超過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。（6）噪聲：電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風扇等部件均會產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應(yīng)不超過80dB，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65dB。2.3 逆變器功率開關(guān)器件下面介紹當前主要功率開關(guān)器件的特性及其應(yīng)用情況。（1）晶閘管：這是最早應(yīng)用的一種功率開關(guān)器件，其特點是功率最大，應(yīng)用最廣

22、。普通型SCR的電壓高達6000V，電流達數(shù)千安培，自身正向壓降約為1.5V，開通僅需要在控制級上加一個小觸發(fā)脈沖即可，但關(guān)斷時必須用電感、電容和輔助開關(guān)器件組成的強迫換向電路。其工作頻率不大于400Hz。由于其工作頻率低，關(guān)斷電路復雜，效率低，功耗大，因此在PWM調(diào)制中產(chǎn)生的正弦波不夠完善，并且噪聲大。目前，逆變器中已經(jīng)基本不再用SCR作為功率開關(guān)器件，SCR主要用做UPS的靜態(tài)開關(guān)。（2）功率場效應(yīng)管（MOSFET）：功率MOSFET是一種全控型三端開關(guān)器件。其特點是開關(guān)速度快，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好，線性控制能力強，采用電壓控制，易于實現(xiàn)數(shù)控，因此常常作為開關(guān)器件實現(xiàn)電量的逆轉(zhuǎn)換。MO

23、SFET的缺點是輸入阻抗高，抗靜電干擾能力差，承載能力和工作電壓比較低，多用于電壓為500V以下的低功率高頻開關(guān)逆變器。由于受功率的限制，因此它只適用于小功率逆變器。（3）BJT（功率GTR）晶體管：BJT直到1985年實現(xiàn)達林頓模塊后才達到300A、1000V和增益100的水平。大功率晶體管開關(guān)時間為1.5us降為1.5V。若采用多重達林頓晶體管提高增益，則開關(guān)時間增長，自身電壓降會增大。由于其開通狀態(tài)必須飽和，因此電流增益很低，往往要求驅(qū)動電路輸出很大的電流，是功率消耗增大，在20世紀80年代中期，它曾用于中小功率逆變器中，現(xiàn)在已經(jīng)基本不使用了。（4）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）：IGBT

24、是一種新發(fā)展起來的復合型功率開關(guān)器件，它既有單極型電壓驅(qū)動的MOSOFT的優(yōu)點，又結(jié)合了雙極型開關(guān)器件BJT耐高壓，電流大的優(yōu)點。其開關(guān)速度顯然比功率MOSFET低，但遠高于BJT，又因為它是電壓控制器件，故控制電路簡單、穩(wěn)定性好。IGBT的最高電壓為1200V，最大電流為1000A，工作頻率高達1000kHz。它具有電壓控制和開關(guān)時間（約為300ns）極短的優(yōu)點。其正向壓降約為3V。在現(xiàn)代的UPS中IGBT普遍被用作逆變器或整流器開關(guān)器件。它是全控型開關(guān)器件，通過數(shù)控技術(shù)控制IGBT的通斷，能有效地將輸入電壓與輸入電流保持同步，是功率因數(shù)等于1，從而減小了UPS整流器對市電電源的干擾。IGB

25、T的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及電氣符號如圖2-2所示：GCECG柵極G集電極CE （a）內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）等效電路 （c）電氣符號圖2-2 IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及電氣符號3 車載逆變電源工作原理3.1 簡述車載逆變器車載逆變器（電源轉(zhuǎn)換器、Power Inverter）是一種能夠?qū)?2V 直流電轉(zhuǎn)變成220V 交流電，供一般家用電器使用，是一種比較便捷的車用電源轉(zhuǎn)換器。在國外車載電源逆變器非常受歡迎。由于汽車的普及率上升，外出工作或旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動電器及各種設(shè)備工作。隨著中國加入WTO 后，中國市場私家車越來越多，因此，車載逆變器電源作為一種電能轉(zhuǎn)換器，會給我們的生活帶來很多的便

26、利，是一種常備的車用汽車電子設(shè)備。車載逆變器通過點煙器可以輸出20W、40W、80W、120W直到150W功率規(guī)格的電能。把家用電器連接到電源轉(zhuǎn)換器的輸出端，就能在汽車內(nèi)使用各種電器設(shè)備就像在家里使用一樣方便。 目前市場上銷售量最大、最常見的車載逆變器的輸出功率為70W150W，逆變器電路中主要采用TL494或KA7500芯片為核心的PWM脈寬調(diào)制電路4。3.2 TL494引腳功能及工作原理3.2.1 TL494芯片簡介TL4945芯片于80年代初由德州儀器（Texas Instruments）公司設(shè)計并推出，推出后立刻得到市場的廣泛好評，尤其是在PC機的ATX半橋電源上。直至今日，仍有相當比

27、例的PC機電源基于TL494芯片。多年來，作為最廉價的雙端PWM芯片，TL494在雙端拓撲，如推挽和半橋中應(yīng)用極多。由于其較低的工作頻率以及單端的輸出端口特性，它常配合功率雙極性晶體管（BJT）使用，如用于配合功率MOSFET則需外加電路。TL494已成為一種工業(yè)標準芯片，由很多家集成電路廠商生產(chǎn)。它也被命名為其他型號，如飛兆（Fairchild，又稱仙童）公司將它的TL494兼容芯片命名為KA7500。TL494是一種頻率恒定的脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激的雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以滿足不同場

28、合的要求。其主要特性如下：（1）集成了全部的脈寬調(diào)制電路。（2）片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。（3）內(nèi)置誤差放大器。（4）內(nèi)置5V參考基準電壓源。（5）可調(diào)整死區(qū)時間。（6）內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力。（7）有推或拉兩種輸出方式。3.2.2 TL494芯片各引腳功能TL494芯片管腳如圖3-1所示：12345678161514131211109TL494運放1同向輸入端運放1反向輸入端補償端死區(qū)電壓控制端定時電容端 定時電阻端地內(nèi)部三極管集電極運放2同向輸入端運放2反向輸入端基準電壓輸出端輸出方式控制端電源端內(nèi)部三極管集電極內(nèi)部三極管發(fā)射極內(nèi)部

29、三極管發(fā)射極 圖3-1 TL494芯片管腳圖TL494為雙列直插式結(jié)構(gòu)，其中1、2、15、16引腳分別為內(nèi)部兩個運算放大器的輸入端，3引腳為補償端，4引腳為死區(qū)電壓控制端，5、6引腳外接振蕩定時元件，7引腳為地，8、9、10、11引腳分別為內(nèi)部一個啟動管的集電極和發(fā)射極,12引 腳為供電端,13引腳為輸出方式控制端,接低電平時內(nèi)部兩個三極管同時導通和截止，接高電平時內(nèi)部兩個三極管輪流導通和截止，14引腳為基準電壓輸出端，輸出5V基準電壓 , 可輸出10mA的驅(qū)動電流。TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示：6RT死區(qū)時間比較器器13輸出控制基準穩(wěn)壓器10E2PWM比較器振蕩器14死區(qū)時間控制7地5

30、CT16同相輸入14VREF12Vcc15反相輸入3補償/PWM比較輸入3.5VDCD QCK Q11&&UV封鎖4.9VDC0.7mA0.7V0.12VVT1VT211C29E18C11同相輸入端2反相輸入圖3-2 TL494芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)第（1）腳為第一組誤差放大器的同相輸入端。 第（2）腳為第一組誤差放大器的反相輸入端。從第（14）腳輸出的5V基準電壓經(jīng)R14、 R20分壓得到約4V的電壓，與第（1）腳電壓進行比較。由于輸+5V電壓升高時第（1）腳取樣，電壓成比例升高，當此電壓超過4V時，誤差放大器輸出高電平，通過IC內(nèi)部比較器控制輸出，脈寬減小，以使5V電壓下降，達到穩(wěn)壓

31、的目的。 第（3）腳為第一誤差放大器輸出的引出端。外接C19、C20、C21、R11組成的頻率校正網(wǎng)路，以防止放大器發(fā)生自激。 第（4）腳為死區(qū)控制端。當IC工作在推挽狀態(tài)時，其兩組輸出脈沖使兩只推挽開關(guān)管依次導通和關(guān)斷。為了避免開關(guān)管的滯事效應(yīng)造成瞬間導通而擊穿開關(guān)管，在脈沖的序列之間留有一定的空隙，稱為死區(qū)。改變第（4）腳的電壓，可改變死區(qū)時間。當?shù)冢?）腳電壓大于5V基準電壓時，輸出脈沖關(guān)斷。在05V，死區(qū)時間成比例增大。 第（5）腳為內(nèi)部振蕩電路，外接定時電容C18。第（6）腳為外接定時電阻R9。此RC的值決定TL494輸出脈沖的重復頻率，其值為FKHz=1.2/R 歐姆.C（UF）。

32、按圖中數(shù)據(jù)，此電源的工作頻率為30KHz。 第（7）腳為共地端，也是供電的負極端。 第（8）（11）腳為兩路輸出放大管的集電極。 第（9）（10）腳為內(nèi)部驅(qū)動放大管的發(fā)射極，接地。 第（12）腳為供電端，其允許輸入電壓可達840V，因此無需外部穩(wěn)壓器。第（13）腳為工作狀態(tài)設(shè)定端。當?shù)冢?3）腳為5V基準電壓時，兩路輸出脈沖相差180度，每路輸出量200mA的驅(qū)動電流，用于驅(qū)動推挽或半橋、橋式電路。當?shù)冢?3）腳接地時，兩路輸出脈沖為同相位，為840V時，第（14）腳均輸出5±0.25V的穩(wěn)定基準電壓。 第（14）腳為內(nèi)部基準電壓源。在IC供電組誤差放大器的反向輸入端，在該電源中作為

33、過流保護取樣輸入。3.2.3 TL494工作原理TL494芯片的內(nèi)部電路由鋸齒波振蕩器6、兩個誤差比較器、5V直流基準電源、死區(qū)時間比較器、欠壓封鎖電路、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。（1）鋸齒波振蕩器TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，產(chǎn)生0.33V的鋸齒波。振蕩頻率可通過外部的一個電阻RT和一個電容CT進行調(diào)節(jié)，這兩個元件接在對應(yīng)端與地之間。取值范圍：RT：5100，CT：0.0010.1uF。振蕩頻率：f=1/RTCT。形成的信號為鋸齒波。最大頻率可以達到500kHz。（2）5V直流基準電源TL494內(nèi)置了基于帶隙原理的基準電源，這個5V直流基準電源用于提供芯片需要的偏置電流。如13腳

34、接高電平時，及誤差放大器等可以使用它。基準電源精度為5%，電流能力10mA，溫度范圍070度。TL494極限參數(shù)如表3-1所示：表3-1 TL494的極限參數(shù)TL494的極限參數(shù)名稱代號極限值單位工作電壓VCC42V集電極輸出電壓VC1 VC242V集電極輸出電流IC1 IC2500mA放大器輸入電壓范圍Vir-0.3V-0.5VV功耗Pd100mW熱阻Rbja80°C工作結(jié)溫Tj125°C額定環(huán)境溫度Ta40°C（3）死區(qū)時間比較器死區(qū)時間由Dead Time Control引腳4設(shè)置，它通過一個比較器對脈沖觸發(fā)器實行干擾，限制最大占空比。這一部分用于通過0-4

35、V直流電壓來調(diào)整占空比。當4腳預(yù)加電壓抬高時，與振蕩鋸齒波比較的結(jié)果，將使得D觸發(fā)器CK端保持高電平的時間加寬。該電平同時經(jīng)過反相，使輸出晶體管基極為低，鎖死輸出。4腳電位越高，死區(qū)時間越寬，占空比越小。由于預(yù)加了0.12V直流。所以，限制了死區(qū)時間最小不能小于4%，即單管工作時最大占空比96%，推挽輸出時最大占空比為48%。死區(qū)時間比較器單獨作用時的相關(guān)波形如圖3-3所示：ttt4腳電位振蕩器5腳信號VCK死區(qū)封鎖時間VQ圖3-3 引腳4輸出波形（4）PWM比較器7及其調(diào)節(jié)過程由兩個誤差放大器輸出及3腳（PWM比較輸入）控制。當3端電壓加到3.5VDC時，基本可以使占空比達到0，作用和4腳類

36、似。但此引腳真正的作用是外接RC網(wǎng)絡(luò)，用做誤差放大器的相位補償。常規(guī)情況下，在誤差放大器輸出升高時，增加死區(qū)時間，縮小占空比；反之，占空比增加。作用過程和4腳的死區(qū)控制相同，從而實現(xiàn)反饋的PWM調(diào)節(jié)。0.7VDC的電壓提高了鋸齒波，使得PWM調(diào)節(jié)后的死區(qū)時間相對變窄。如果把3腳比做4腳，則PWM比較器的作用波形和圖3-3類似。然而，該比較器的占空比調(diào)節(jié)，要在死區(qū)時間比較器的限制范圍內(nèi)起作用。單管工作方式時，VCK直接控制輸出，輸出開關(guān)頻率與振蕩器相同。當13腳電位為高時，封鎖被取消，觸發(fā)器的Q、端，分別控制兩個輸出晶體管輪流導通，頻率是單管方式的一半。（5）誤差放大器兩個誤差放大器用于電源電壓

37、反饋和過流保護。這兩個放大器以或的關(guān)系，同時接到PWM比較器同相輸入端。反饋信號比較后的輸出，送PWM比較器，以和鋸齒波比較，進行PWM調(diào)節(jié)。由于放大器是開環(huán)的，增益達到95dB。加之輸出點3被引出，使用時，設(shè)計者可以根據(jù)需要靈活使用。（6）UC封鎖電路用于欠壓封鎖，當Vcc低于4.9VDC，或者內(nèi)部電源低于3.5VDC時，CK端被鉗制為高電平，從而使輸出封鎖，達到保護作用。（7）輸出電路輸出電路有兩個輸出晶體管，單管電流500mA。其工作狀態(tài)由13腳（輸出控制）來決定。當13腳接低電平時，通過與門封鎖了D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)信號輸出，此時兩個晶體管狀態(tài)由PWM比較器及死區(qū)時間比較器直接控制，二者完全同

38、步，用于控制單管開關(guān)電源。當然，此時兩個輸出也允許并聯(lián)使用，以獲得較大的驅(qū)動電流。當13腳接高電平時，D觸發(fā)器起作用，兩個晶體管輪流導通，用于驅(qū)動推挽或橋式變換器。3.3 逆變電路設(shè)計3.3.1 逆變電路部分本設(shè)計思路是先將12V的直流電逆變?yōu)?20V/50Hz的交流電（DC/AC），然后利用橋式整流和電容的充電快放電慢的特性整流出220V的直流電（AC/DC），最后再逆變?yōu)?20V/50Hz交流電，由XAC插座輸出到負載上。電路圖如圖3-4所示。下面將把整個電路原理圖按三個主要逆變部分詳細說明。圖3-4 逆變電路原理圖（1）DC/AC逆變電源部分DC/AC逆變電源電路如圖3-5所示：圖3-5

39、 DC/AC部分電路圖12V直流電到220V/50KHz交流電部分由圖3-5中TL494CN芯片IC1控制晶體三極管VT1、VT3和場效應(yīng)管VT2、VT4和變壓器共同完成。IC1的5腳外接電容C4和6腳外接電阻R7為脈寬調(diào)制器的定時元件，脈寬調(diào)制頻率為F=1.1/(0.0047×4.3)KHz=50KHz，即IC1控制VT1、VT2、VT3、VT4工作在50KHz的頻率。IC1正向輸入時，IC1內(nèi)置三極管VT1工作在放大狀態(tài)，VT2工作在截止狀態(tài)，此時IC1的9腳外圍晶體二極管VD3導通，因此場效應(yīng)管VT2柵極電壓達到一定值，VT2為飽和導通狀態(tài)；當IC1內(nèi)置三極管VT1工作在截止狀

40、態(tài)時，IC1的9腳外圍晶體二極管VD3截止，VT3基極為低電平，所以VT3為飽和導通狀態(tài)，VT3為飽和導通狀態(tài)時，VT4因柵極無正偏壓而處于截止狀態(tài)，此時直流電經(jīng)變壓器初級線圈上半部分通過VT2接地，經(jīng)過變壓器放大形成上半周期電流。當IC1反向輸入時，同理IC1控制場效應(yīng)管VT2截止、VT4飽和導通，此時直流電經(jīng)變壓器初級線圈下半部分通過VT4接地，經(jīng)過變壓器放大形成下半周期電流。因此，經(jīng)變壓器初級線圈的電流相當于12V/50KHz的交流電，變壓器次級輸出為220V/50KHz交流電。先將12V直流電逆變?yōu)?2V/50KHz交流電的目的有兩個：一、可以將變壓器做的很小很輕；二、人耳能聽見的最高

41、頻率為20KHz，小于20KHz人耳將會聽見吱吱的聲音。（2）AC/DC逆變電源部分AC/DC逆變電路如圖3-6所示：圖3-6 AC/DC部分電路圖為了滿足大功率場效應(yīng)管8VT6、VT9能正常工作，再將220V/50KHz交流電用橋式整流法逆變?yōu)?20V支流電，圖3-6將完成這部分功能。此部分功能由VD5、VD6、VD7、VD8，C12共同組成橋式整流，利用電容充電快放電慢的特性整流出220V直流電。橋式整流的工作原理是，四個整流二極管組成一個電橋，變壓器次級線圈和C12接到電橋的兩個對角線位置。當T1輸出為正半周期時，二極管VD8和VD5導通，VD6和VD7截止，電流沿VD5經(jīng)VD8指向電容

42、C12；當T1輸出為負半周期時，VD8和VD5截止，VD6和VD7導通狀態(tài)，電流沿VD6經(jīng)VD7流向C12，由于T1輸出的2個半周期中經(jīng)過電容C12的電流方向相同，實現(xiàn)了全波整流，再利用電容的充電快放電慢的特性，成功將電流整流為直流(220V直流電)。（3）DC/AC逆變部分DC/AC逆變電路如圖3-7所示：圖3-7 DC/AC部分電路圖最后由TL494CN芯片的5腳外接點容C8和6腳外接電阻R14決定脈寬頻率為F=1.1/(0.1×220)KHz=50Hz，控制VT5、VT8、VT6、VT9工作在50Hz的頻率下，將220V直流電逆變?yōu)?20V/50Hz的交流電，圖3-7將完成這部

43、分功能。TL494正向時，IC2控制VT5為飽和導通狀態(tài)，VT8為截止狀態(tài)，由于VT5為飽和導通狀態(tài)，則VT6為飽和導通狀態(tài)。由于VT8處于截止狀態(tài)，VT9因柵極無正偏壓而處于截止狀態(tài)，同時VT7因柵極無正偏壓而處于截止狀態(tài)，VT10為飽和導通狀態(tài)。此時220V直流電經(jīng)VT6沿XAC插座到負載再經(jīng)VT10接地，形成正半周期電流；反向時，IC2控制VT5為截止狀態(tài)，VT8為飽和導通狀態(tài)，由于VT5為截止狀態(tài)，則VT6因柵極無正偏壓而處于截止狀態(tài)，由于VT8為飽和導通狀態(tài)，VT9處于飽和導通狀態(tài)，同時VT10處于飽和導通狀態(tài)，VT7因柵極無正偏壓而處于截止狀態(tài)。此時220V直流電經(jīng)VT9沿XAC插

44、座到負載再經(jīng)VT7接地，形成負半周期電流；這樣接可將220V直流電成功轉(zhuǎn)變?yōu)?20V/50Hz交流電輸出供負載使用。3.3.2 保護電路部分圖3-4中IC1、IC2采用兩只TL494CN芯片構(gòu)成了該逆變電源的核心控制電路。TL494CN是專用的雙端式開關(guān)塑封結(jié)構(gòu)，工作溫度范圍為070°C，極限工作電源電壓為740V，最高工作頻率為300KHz。TL494CN芯片內(nèi)置5V基準源，穩(wěn)壓精度為5V5，負載能力為10mA，通過其14腳輸出供外部電路使用。TL494CN芯片還內(nèi)置2只NPN功率輸出管，可提供500mA的驅(qū)動能力。TL494CN內(nèi)部電路如圖3-2所示。圖3-4電路中IC1的15腳

45、外圍電路R1、C1組成上電軟啟動電路9，上電時電容C1兩端的電壓由0V逐步升高，當C1端電壓達到5V以上時，允許IC1內(nèi)部的脈寬調(diào)制電路開始工作。當電源斷電后，C1通過電阻R2放電，保證下次上電時軟啟動電路能正常工作。IC1的15腳外圍電路的 R1、R2、Rt組成的過熱保護電路，Rt為正溫度系數(shù)熱敏電阻，常溫阻值可在150300歐姆范圍內(nèi)任選，適當選大些可提高過熱保護電路啟動的敏感度。IC1的15腳的對地電壓值U是一個比較重要的參數(shù)，圖3-4電路中UVCC×R2/（R1+R2Rt）V，常溫下的計算值為U6.2V。結(jié)合圖3-2圖3-4可知，正常工作情況下要求IC1的15腳的電壓應(yīng)略高于

46、16腳電壓（芯片的14腳相連為5V），常溫下6.2V大小正好滿足要求，并略留有一定的余量。當電路工作異常的時候，MOS功率管10VT2或VT4的溫度大幅提高，熱敏電阻Rt的阻值超過4K歐姆時，IC1內(nèi)部比較器1的輸出將由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，IC1的3腳也隨即轉(zhuǎn)為高電平狀態(tài)，致使芯片內(nèi)部的 PWM比較器、或門、或非門輸出均發(fā)生翻轉(zhuǎn)，IC1內(nèi)置功率管輸出三極管VT1和三極管VT2均轉(zhuǎn)為截止狀態(tài)。當IC1內(nèi)的兩只功率輸出管截止時，圖3-4電路中的VT1、VT3將因基極為低電平而飽和導通，VT1、VT3導通后，功率管VT2和VT4因柵極無正偏壓而處于截止狀態(tài)，逆變電源電路停止工作。IC1的1腳外圍電路

47、的DZ1、R5、VD1、C2、R6構(gòu)成12V輸入電源過壓保護電路。穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)壓值決定了保護電路的啟動門限電壓值，VD1、C2、R6還組成保護狀態(tài)維持電路，只要發(fā)生瞬間的輸入電壓過壓現(xiàn)象，保護電路就會啟動并維持一段時間，以確保后級功率輸出管的安全?？紤]到汽車行駛過程中電瓶電壓的正常變化幅度大小，通常將穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)壓值選為15V或者16V較為合適。IC1的3腳外圍電路的C3、R5時構(gòu)成上電軟啟動時間維持以及電路保護狀態(tài)維持的關(guān)鍵性電路。實際上不管是電路軟啟動的控制還是保護電路的啟動控制，其最終結(jié)果均反映在I的3腳的電平狀態(tài)上。當電路上電或保護電路啟動時，IC1的3腳為高電平，對電容C3沿

48、R5支路進行充電。當致使保護電路啟動的誘因消失后，C3通過R5支路進行放電，因放電所需時間較長，故電路的保護狀態(tài)仍得以維持一段時間。當IC1的3腳為高電平時，將沿R8、VD4支路對電容C7進行充電，同時將電容C7兩端的電壓提供給IC2的4腳，使IC2的4腳保持為高電平狀態(tài)。從圖3-2的芯片內(nèi)部電路可知，當4腳為高電平時，將抬高芯片內(nèi)死區(qū)時間比較器同相輸入端的電位，使該比較器輸出保持為恒定高電平，經(jīng)或門、或非門后使內(nèi)置的三極管VT1和三極管VT2均截止。當IC2內(nèi)置三極管VT1和三極管VT2截止時，圖3-4電路中的VT5和VT8處于飽和導通狀態(tài)，VT5、VT8導通后，后級的MOS管VT6和VT9

49、將因柵極無正偏壓而都處于截止狀態(tài)，逆變電源電路停止工作。IC1的5腳外接電容C4和6腳外接電阻R7為脈寬調(diào)制器的定時元件，所決定的脈寬調(diào)制頻率為：F=1.1/ (0.0047×4.3)kHz=50kHz.即電路的三極管VT1、VT2、VT3、VT4、變壓器T1的工作頻率均為50KHz左右，因此T1應(yīng)選用EL33型的高頻鐵氧體磁芯變壓器，變壓器T1的作用是將12V脈沖升壓為220V的脈沖，其初級匝數(shù)為40，次級匝數(shù)為380。IC2的5腳外接電容C8和6腳外接的電阻R14為脈寬調(diào)制器的定時元件，所決定的脈寬調(diào)制頻率為：F=L1/(C8×R14)=1.1/(0.1×22

50、0)kHz=50Hz。R29、R30、R27、C11、DZ2、組成XAC插座220V輸出端的過壓保護電路11，當輸出電壓過高時將導致穩(wěn)壓管DZ2擊穿，使IC2的4腳的對地電壓上升，芯片IC2內(nèi)的保護電路動作，切斷輸出。4 電路圖繪制和調(diào)試隨著電子工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型器件特別是集成電路的大量涌現(xiàn)，電路板設(shè)計變得日益復雜和精密，手工設(shè)計難以適應(yīng)新形勢發(fā)展的要求。計算機的普及和應(yīng)用很好地解決了這個問題。人們可以利用CAD12（計算機輔助設(shè)計）軟件進行輔助設(shè)計。這些軟件有一些共同的特征：它們都能夠協(xié)助人們完成電子設(shè)備線路的設(shè)計工作，比較完善的電子線路CAD軟件至少具有自動布線的功能，更完善的還應(yīng)有

51、自動布局、邏輯檢測、邏輯模擬等功能。PROTEL就是這類軟件中的杰出代表。4.1 PROTEL99簡介Protel99是Protel公司近10年致力于Windows平臺開發(fā)的最新結(jié)晶，能實現(xiàn)從電學概念設(shè)計到物理產(chǎn)生數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設(shè)計數(shù)據(jù)管理。因而今天的Protel最新產(chǎn)品已不是單純的PCB（印制電路板）設(shè)計工具，而是一個系統(tǒng)工具，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設(shè)計。Protel99的PCB設(shè)計組件具有強大的設(shè)計自動化功能、編輯功能以及完善的庫元件管理等。它能提供交互式的全局編輯，對象屬性的修改操作同原理圖一樣。PCB設(shè)計組件的設(shè)計自動化是借助于自動布線組件實現(xiàn)的，同時他還具

52、備在線式的設(shè)計檢查功能（DRC），以修正違反設(shè)計規(guī)則的錯誤。它同時也具備了完善的庫元件管理功能，用戶可以方便地創(chuàng)建一個新的PCB元件。通過網(wǎng)絡(luò)還可以共享更多用戶庫。在Protel99中，實現(xiàn)自動布線的組件是Route 5.0，它主要為PCB設(shè)計組件實現(xiàn)設(shè)計的自動化功能而服務(wù)。該方法基于人工智能，可以對PCB版面進行優(yōu)化。4.2 電路圖繪制先新建一個DATABASE。然后在Documents中建立sch文件。就可以在原理圖文件中繪制原理圖了。首先要在Libraries中添加lib文件。常用的lib在Librarysch目錄下的Miscellaneous Devices.ddb文件和Protel

53、DOS Schematic Libraries.ddb文件中都有了。電阻的Filte是RES1，電解電容的Filte是CAPACITOR，瓷片電容的Filte是CAP，IC1，IC2的Filte是DIP16，可變電阻的Filte是POT1，SW1的Filte是SW DIP-4，穩(wěn)壓二級管的Filte是DIODE VARACTOR，三級管的Filte是NPN，發(fā)光二極管的Filte是LED，變壓器的Filte是T1，MOS管的Filte是NPN，其他沒的就需要在DATABASE中新建lib文件。把器件挪到圖紙上，雙擊它，可以修改它的屬性。在Desianation中寫入器件的名稱，在Part中寫入

54、器件的數(shù)值，在Footprint中寫入器件的封裝。只要把這些元件放在合適的位置，再按照設(shè)計的電路圖把器件用線連起來就可以了。最后只要加以修改，使得圖紙變得美觀。4.3 PCB圖繪制在該DATABASE中新建PCB文件。在Design欄中的Options選項中的Layers頁中，選中TopLayer和BottomLayer，在Silkscreen中選擇TopOverlay和BottomOverlay，在Other中選擇Keepout和Multilayer。其中Keepout和Mech層規(guī)定了PCB板的電氣界限和物理界限。 Protel99提供了眾多的工作層，我們需要對它們有一定的了解。如Signal Layer（信號層）、Internal Plane（內(nèi)部電源/接地層）、Mechanical Layer（機械層）、Drill Layer（轉(zhuǎn)孔層）、Solder Mark（陰焊層）、Paste Mark（防錫膏層）、Silkscreen（絲印層）、Others（其他層）。其中Signal Layer（信號層）由16個子層組成，包括TopLayer（頂層）、BottomLayer（底層）、Mid1（中間層1）、Mid2（中間層2）、Mid3（中間層3）、.、Mid14（中間層14）。信號層中的頂層和底層主要用于放置元件和信號的走線，中間層主要用放置信號的走線。