tl494開關電源的設計與制作-大學畢業(yè)論文

安徽財貿(mào)職業(yè)學院畢業(yè)設計PAGEPAGE15安徽財貿(mào)職業(yè)學院畢業(yè)論文封面學號姓名班級1指導教師論文題目基于TL494的開關電源設計與制作致謝安徽財貿(mào)職業(yè)學院電子信息系新能源應用專業(yè)畢業(yè)設計16PAGE22基于TL494的開關電源設計與制作摘要隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源。開關電源進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。關鍵詞：TL494開關電源高頻目錄 第1章選題背景 1第2章開關電源簡介 22.1開關電源概述 22.1.1開關電源的工作原理 22.1.2開關電源的組成 32.1.3開關電源的特點 52.2開關電源的分類 52.3開關器件的分析 62.3.1電力二極管 62.3.2電力場效應晶體管MOSFET 6第3章主要電路模塊分析 83.1交流濾波電路 83.2整流橋電路 83.3半橋開關電路 93.4驅動變壓電路 103.5主控電路設計 113.6電路中的其他模塊 12第4章TL494在220V12V開關電源中的應用 144.1TL494工作原理簡述 144.2TL494的各腳功能及參數(shù) 144.3TL494構成的PWM控制器電路 15第5章調(diào)試與檢測 185.1無負載測試 185.2帶負載測試 18結論 19致謝 20附錄 21參考文獻 22第1章選題背景現(xiàn)在科學技術越來越發(fā)達，電子產(chǎn)品也多了起來，電子產(chǎn)品所需的電源也越來越多了，電子產(chǎn)品離不開電源，電子產(chǎn)品越來越多所需的電源越來越多。各個國家的電子產(chǎn)品都發(fā)展了起來，電源在各個國家也就發(fā)展了起來。電子產(chǎn)品用的最多的電源是開關電源。隨著開關電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應用,人們對其需求量日益增長,并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低,又笨又重的線性電源。開關電源輸入端直接將交流電整流變成直流電，再在高頻震蕩電路的作用下，用開關管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高頻變壓器）的幫助下，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。由于變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。而且由于它直接控制直流，使這種電源的效率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，在能源日益匱乏的當代越來越受到人們的青睞。80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域。

第2章開關電源簡介2.1開關電源概述2.1.1開關電源的工作原理開關電源的工作原理圖如圖2-1所示；圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關S加至輸出端，S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調(diào)整管。使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓U0。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1開關電源的工作原理為方便分析開關電源電路，定義脈沖占空比如下：(2-1)式中，T表示開關S的開關重復周期；TON表示開關S在一個開關周期中的導通時間。開關電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關系：Uo=Ui*D(2-2)由式(2-1)和式(2-2)可以看出，若開關周期T一定，改變開關S的導通時間TON，即可改變脈沖占空比D，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變TON來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，因此PWM式開關電源用得較多。若保持TON不變，利用改變開關頻率f=1/T實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓Uo穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制(PFM)。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出濾波電路的設計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變TON，又改變T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用。2.1.2開關電源的組成1.主電路沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。輸入濾波器：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分。輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2.控制電路一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。3.檢測電路提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。4.輔助電源實現(xiàn)電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。開關電源的基本組成如圖2-2所示。其中DC/DC變換器用以進行功率變換，它是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關管的驅動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是PWM信號、PFM信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅動器控制開關器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅動電路控制半導體開關的通斷時間，從而調(diào)整輸出電壓。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2開關電源的基本組成AC/DC變換器也有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器應用較為普遍。開關電源與線性電源相比，其輸入的瞬態(tài)變換比較多地表現(xiàn)在輸出端，在提高開關頻率的同時，由于比較放大器的頻率特性得到改善，開關電源的瞬態(tài)響應指標也能得到改善。開關電源的負載變換瞬態(tài)響應主要由輸出端LC濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關頻率、降低輸出濾波器LC的方法來改善瞬態(tài)響應特性。2.1.3開關電源的特點1.效率高：開關電源的功率開關調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可達90%以上。2.重量輕：由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，電源的重量只有同容量線性電源的1/5，體積也大大縮小。3.穩(wěn)壓范圍寬：開關電源的交流輸入電壓在90～270V范圍變化時，輸出電壓的變化在±2%以下。合理設計電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬，并保證開關電源的高效率。4.可靠安全：在開關電源中，由于可以方便的設置各種形式的保護電路，所以當電源負載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保護功能可靠。5.功耗小：由于功率開關管工作在開關狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，所以采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。2.2開關電源的分類開關電源的分類方法有很多，下面介紹幾種常見的分類方法。1.按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式，開關電源可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)式、脈沖頻率調(diào)制(PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種。2.按開關電源的觸發(fā)方式分類,可分為自激式開關電源，自激式開關電源利用電源電路中的開關晶體管和高頻脈沖變壓器構成正反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，使開關電源輸出直流電壓。在顯示設備的PWM式開關電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時，電源電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。3.按電路的輸出取樣方式分類，可分為直接輸出取樣開關電源，間接輸出取樣開關電源。2.3開關器件的分析2.3.1電力二極管電力二極管可分為普通二極管,快恢復二極管,肖特基二極管三種。普通二極管又稱為整流二極管，多用于開關頻率不高的整流電路中。其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上?？旎謴投O管是恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短的二極管，簡稱為快速二極管?？焖俣O管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用PNP結型結構，有的采用改進的PIN結構。采用外延型PIN結構的快恢復外延二極管(FastRecoveryEpitaxialDiodes，F(xiàn)RED)，其反向恢復時間更短(可低于50ns)，正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在400V以下?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級，前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，有的甚至達到20~30ns。以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點很多，主要是：反向恢復時間很短(10～40ns)，正向恢復過程中不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的不足之處是：當反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。2.3.2電力場效應晶體管MOSFET電力場效應晶體管主要指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。其特點是：用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好，電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電源電子裝置。電力MOSFET的種類按導電溝道可分為P溝道和N溝道，如圖2-3所示。其中G為柵極，S為源極，D為漏極。電力MOSFET的工作原理是：在截止狀態(tài)，漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過；在導電狀態(tài)，在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過，但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC3電力MOSFET的結構和電氣圖形符號

第3章主要電路模塊分析3.1交流濾波電路圖3-1為交流濾波電路的示意圖。交流濾波電路由熔斷絲FU1、熱敏電阻RT、壓敏電阻u和保護電容、電感組成。熔斷絲FU1在電路中起短路保護。熱敏電阻RT是負溫度系數(shù)，當溫度升高時電阻減小，電流增大。壓敏電阻u（脈沖電壓峰值）在電路起瞬間瞬間過電壓保護作用，及是防雷擊。電容C1、C4是濾除交流電中的高頻諧波。電容C2、C3是消除差模濾波，電感L1是消除共模濾波。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC1交流濾波電路3.2整流橋電路如圖3-2所示為半橋式整流電路。圖3-2半橋整流電路此半橋式整流電路具有單向不可控電路。半橋式整流電路的作用就是將交流電轉換成直流電。橋式整流電路的輸出計算方法是VDC=A*Ui(有效值)，A為負載系數(shù)(1.2-1.4)。半橋式整流電路常會出現(xiàn)的問題是直流磁偏，產(chǎn)生直流磁通的原因在下面的電路進行闡述。3.3半橋開關電路圖3-3為半橋開關電路。相關知識的介紹：在此相關開關電源中存在AC-DC-AC-DC的轉換，其中DC-AC的轉換是高頻轉換。在轉換中會出現(xiàn)直流磁通飽和，這是由于電感的作用，電感在電路中相當于短路，電感的計算方法是W=2ΠLI2，又UL=-L(dl/dt)，當UL=0達到磁通飽和。圖3-3半橋開關電路原理圖分析：當前驅電路經(jīng)過濾波后在經(jīng)過橋式整流，然后電流入半橋開關電路，當V1導通時，T1（V1的導通時間）的一次磁通增大，增大的磁通為A1;當V2導通時，T2（V1的導通時間）的一次磁通減小，減小的磁通為A2。整個電路中的磁通為N（A1-A2），當A2=0時此時達到直流磁通。如果沒有達到直流磁通可能由于C5和C6的兩端電壓有波動以及V1和V2的導通不對稱。此電路中VD7和VD8分別提供維持V1和V2三極管的發(fā)射極電流Ib。此電路中C10對V1瞬間從飽和轉換到截止狀態(tài)起裝換作用；C10對V1瞬間從飽和轉換到截止狀態(tài)起裝換作用。3.4驅動變壓電路如圖3-4所示為驅動變壓電路。圖3-4驅動變壓電路圖此變壓器的型號為鐵芯EE40，匝數(shù)一次40二次7，原理分析：輸入的交流電經(jīng)過濾波和整流之后通過此驅動變壓器將信號傳到主控電路中。3.5主控電路設計主控電路如圖3-5所示：它是基于TL494設計的，1腳的電壓為：4腳的作用是調(diào)整占空比。通過計算得出導通占空比應該在37%左右。當V5導通時，意味著Ube>0.7V則UO通過計算大約為4V左右。當輸出電壓過低時，V5處于截止狀態(tài)，當輸出電壓過高時，V5處于導通狀態(tài)。V5通過調(diào)整導通占空比來控制開關電源，對輸出短路起到保護作用。15腳的電壓為：16腳電壓為：。通過計算可知大約為29A。所以它的過載保護電流為29A。圖3-5主控電路設計3.6電路中的其他模塊1.如圖3-6所示為濾波電路：圖3-6濾波電路2.如圖3-7所示為主控電路圖3-7主控電路

第4章TL494在220V12V開關電源中的應用4.1TL494工作原理簡述TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎?，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降到零。4.2TL494的各腳功能及參數(shù)1、16腳為誤差放大器A1、A2的同相輸入端,最高輸入電壓不超過VCC+0.3V；2、15腳為誤差放大器A1、A2的反相輸入端,可接入誤差檢出的基準電壓。3腳為誤差放大器A1、A2的輸出端，在集成電路內(nèi)部用于控制PWM比較器的同相輸入，當A1、A2任一輸出電壓升高時，控制PWM比較器的輸出脈寬減小。同時，該輸出端還引出端外，以便與2、15腳間接入RC頻率校正電路和直流負反饋電路，穩(wěn)定誤差放大器的增益以及防止其高頻自激。3腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實現(xiàn)高電平保護。4腳為死區(qū)時間控制端。當外加1V以下的電壓時，死區(qū)時間與外加電壓成正比。如果電壓超過1V，內(nèi)部比較器將關斷觸發(fā)器的輸出脈沖。5腳為鋸齒波振蕩器外接定時電容端，6腳為鋸齒波振蕩器外接定時電阻端，一般用于驅動雙極型三極管時需限制振蕩頻率小于40kHz。7腳為共地端。8、11腳為兩路驅動放大器NPN管的集電極開路輸出端。當通過外接負載電阻引出輸出脈沖時，為兩路時序不同的倒相輸出，脈沖極性為負極性，適合驅動P型雙極型開關管或P溝道MOSFET管。此時兩管發(fā)射極接共地。9、10腳為兩路驅動放大器的發(fā)射極開路輸出端。當8、11腳接VCC，在9、10腳接入發(fā)射極負載電阻到地時，驅動放大器的輸出為兩路正極性圖騰柱輸出脈沖，適合于驅動N型雙極型開關管或N溝道MOSFET管。12腳為VCC，即輸入端，供電范圍為8～40V。13腳為輸出模式控制端，外接5V高電平時為雙端圖騰柱式輸出，用以驅動各種推挽開關電路。接地時為兩路同相位驅動脈沖輸出，8、11腳和9、10腳可直接并聯(lián)。雙端輸出時最大驅動電流為2×200mA，并聯(lián)運用時最大驅動電流為400mA。14腳為內(nèi)部基準電壓精密穩(wěn)壓電路端，輸出5±0.25V的基準電壓，最大負載電流為10mA，用于誤差檢出基準電壓和控制模式的控制電壓。RT的取值范圍為1.8～500Ω，CT的取值范圍為4700pF～10μF，最高振蕩頻率為fOSC≤300kHz。TL494在工作時，通過5、6腳分別接定時元件CT和RT，經(jīng)相應的門電路去控制TL494內(nèi)部的兩個驅動三極管交替導通和截止，通過8腳和11腳向外輸出相位相差180°的脈寬調(diào)制控制脈沖。TL494若將13腳與14腳相連，可形成推挽式電路；若將13腳與7腳相連，可形成單端輸出電路，為增大輸出，可將兩個三極管并聯(lián)。4.3TL494構成的PWM控制器電路PWM控制是指在開關工作頻率(即開關周期Tn)固定的情況下，直接通過改變導通時間(T0N)來控制輸出電壓U。的一種方式。也就是通過改變開關導通時間T0N來改變開關控制電壓的脈沖寬度。PWM控制器一般由基準電壓穩(wěn)壓器、振蕩器、誤差放大器和脈沖控制電路組成。其中基準電壓穩(wěn)壓器[10]的作用是為電路提供穩(wěn)定的電源。振蕩器的作用是為PWM比較器提供一個鋸齒波信號和與之同步的驅動脈沖控制電路的輸出同步信號。其振蕩頻率可由外部電容Cext和電阻Rext來設定。誤差放大器用于將電源輸出電壓與基準電壓進行比較。脈沖控制電路的作用是以正確的時序使輸出晶體管導通,其結構如圖4-1。圖4-1PWM電路的結構圖通過適當?shù)耐饨与娐罚坏梢援a(chǎn)生PWM信號輸出，而且還有多種保護功能。TL494含有振蕩器、誤差放大器、PWM比較器及輸出級電路等部分。振蕩器(OSC)振蕩頻率由外接元件R、C決定，表達式為：fOSC可選定1～200kHz之間，本電路選用fOSC=40kHz。TL494內(nèi)部的穩(wěn)壓電源將外部供給的+12V電壓變換成+5V電壓，除提供芯片內(nèi)部電路作電源外，還通過14腳對外輸出+5V基準電壓。13腳為輸出脈沖控制端，當1、3腳接地時，輸出脈沖最大占空比為96%；當接高電位時，最大占空比為48%。TL494輸出脈沖的寬度調(diào)節(jié)由振蕩器電容CT兩端的正向鋸齒波和兩個控制信號相比較來實現(xiàn)。只有當鋸齒波電壓高于控制信號時，才會有脈沖輸出，內(nèi)部兩個誤差放大器及外接電阻，電容構成電壓和電流反饋調(diào)節(jié)器，都采用PI調(diào)節(jié)。誤差放大器的給定信號均取自+5V基準電源的分壓并加于2腳和5腳。反饋電壓信號UF由微機處理后引入1腳，與2腳的給定值UG比較后，產(chǎn)生調(diào)制脈寬的控制信號，使輸出直流電壓保持穩(wěn)定。當電池溫度超過規(guī)定值(設為130%TN)時，產(chǎn)生控制信號調(diào)制輸出脈沖的寬度，使電路處于限流輸出運行。來自霍爾電流傳感器所檢測的電流信號IF由微機處理后引入到14腳，當充電電流超過給定值時封鎖輸出脈沖，關斷IGBT，如圖4－2。圖4-2PWM控制器電路原理圖IGBT是電壓驅動型器件，本電路選用了具有降柵壓邏輯式和軟關斷兩種保護功能的厚膜混合集成驅動模塊EXB840，這種型號的電路較好地解決了低飽和壓降IGBT的短路保護問題，能滿足IGBT對驅動電路的特殊要求，保證IGBT能可靠開通和關斷，且電路簡單，工作頻率高，輸入控制信號電流為10mA。以EXB840為核心構成的驅動電路中，驅動模塊EXB840的電源為+20V，在模塊內(nèi)部將20V電壓變換為+15V和-5V兩種電壓，供IGBT柵-射極導通時所需正偏電壓和關斷時所需的負偏壓。TL494輸出的PWM脈沖從9腳或10腳送至EXB840的15腳。EXB840驅動模塊[13]從3腳和1腳輸出正、負驅動脈沖至IGBT的柵、射極之間，開通或關斷IGBT。第5章調(diào)試與檢測5.1無負載測試將實物做好后，檢查是否焊接有錯誤。用檢查無誤后首先進行無負載測試，將實物接入220V的交流電中，觀察電源指示燈是否亮，再用萬用表的直流電壓檔進行測試，將萬用表直流電壓調(diào)到20V的檔上。用紅黑表筆分別接在直流輸出段，紅表筆接