基于TL494的DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設計說明

./電力電子技術課程設計報告設計課題：基于TL494的脈寬調制電路應用專業(yè)__學生__學生__指導XX師X學院物理與電子信息工程系目錄一、設計任務要求………………3二、設計方案分析………………32.1、DC-DC升壓變換器的工作原理………42.2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關系…………52.3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理………………62.4、集成脈寬調制控制器TL494介紹……6三、主要單元電路設計…………83.1、DC-DC升壓變換器主回路設計………83.2、DC-DC變換器控制電路設計…………10四、系統(tǒng)安裝與調試……………12五、總結…………12六、附錄…………13基于TL494的DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設計一、設計任務要求基于TL494設計一個將12V升高到24V的DC-DC變換器。在電阻負載下,要求如下：1、輸出電壓U0=24V。2、最大輸出電流I0max=1A。3、當輸入UI=11~13V變化時,電壓調整率SV≤2%〔在I0=1A時〕。4、當I0從0變化到1A時,負載調整率SI≤5%〔在UI=12V時〕。5、要求該變換器的在滿載時的效率η≥70%。6、輸出噪聲紋波電壓峰-峰值U0PP≤1V〔在UI=12V,U0=24V,I0=1A條件下〕。7、要求該變換器具有過流保護功能,動作電流設定在1.2A。二、設計方案分析2.1、DC-DC升壓變換器的工作原理DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來分,可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工作原理。圖1〔a〕是升壓式DC-DC變換器的主電路,它主要由功率開關管VT、儲能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是,當控制信號Vi為高電平時,開關管VT導通,能量從輸入電源流入,儲存于電感L中,由于VT導通時其飽和壓降很小,所以二極管D反偏而截止,此時存儲在濾波電容C中的能量釋放給負載。當控制信號Vi為低電平時,開關管VT截止,由于電感L中的電流不能突變,它所產生的感應電勢將阻止電流的減小,感應電勢的極性是左負右正,使二極管D導通,此時存儲在電感L中的能量經二極管D對濾波電容C充電,同時提供給負載。電路各點的工作波形如圖1〔b〕。圖1DC-DC升壓式變換器電路與工作波形2.2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關系假定儲能電感L充電回路的電阻很小,即時間常數很大,當開關管VT導通時,忽略管子的導通壓降,通過電感L的電流近似是線性增加的。即：,其中ILV是流過儲能電感電流的最小值。在開關管VT導通結束時,流過電感L的電流為：,iL的增量為。在開關管VT關斷時,續(xù)流二極管D導通,儲能電感L兩端的電壓為,所以流過儲能電感L的電流為：,當開關管VT截止結束時,流過電感L的電流為,iL的減少量為。在電路進入穩(wěn)態(tài)后,儲能電感L中的電流在開關管導通期間的增量應等于在開關管截止期間的減量,即,所以：,其中。可見改變占空比大小,就可以獲得所需要的電壓值,由于占空比總是小于1,所以輸出電壓總是大于輸入電壓。2.3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理通過輸出電壓的關系式可以看出,在輸入電壓或負載變化,要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時,可以采用兩種方案。第一可以維持開關管的截止時間TOFF不變,通過改變脈沖的頻率f來維持輸出電壓U0的穩(wěn)定,這便是脈沖頻率調制〔PFM〕控制方式DC-DC變換器；第二可以保持脈沖的周期T不變,通過改變開關管的導通時間TON,即脈沖的占空比q,以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定,這就是脈寬調制〔PWM〕控制方式DC-DC變換器。由于目前已經有各種型號的集成PWM控制器,所以DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。圖2是DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的原理圖,它主要有取樣電路、比較放大、PWM控制器和DC-DC升壓變換器組成。其穩(wěn)壓原理是,假如輸入電壓UI增大,則通過取樣電阻將輸出電壓的變化〔增大〕采樣,和基準電壓相比較通過比較放大器輸出信號去控制PWM控制器輸出脈沖占空比q的變化〔減小〕,結果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之,當輸入電壓減小時,PWM控制器輸出脈沖占空比q也自動變化〔增大〕,輸出電壓仍能穩(wěn)定。圖2DC-DC升壓穩(wěn)壓電路的組成2.4、集成脈寬調制控制器TL494介紹TL494集成電路內部電路如圖3所示,它由振蕩器、D觸發(fā)器、死區(qū)時間比較器、PWM比較器、兩個誤差放大器、5V基準電壓源和兩個驅動三極管等組成。當TL494正常工作時,輸出脈沖的頻率取決于5腳和6腳所接的電容和電阻,表達式為,在電容CT兩端形成的是鋸齒波,該鋸齒波同時加給死區(qū)時間控制比較器和PWM比較器,死區(qū)時間控制比較器根據4腳所設置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度,利用該腳可以設計電源的軟啟動電路、欠壓或過壓電路等。輸出調制脈沖寬度是由電容CT端的正向鋸齒波和3、4腳輸入的兩個控制信號綜合比較后確定的。當外接控制信號電壓大于5腳電壓時,9、10腳輸出脈沖為低電平〔設9、10腳為跟隨器輸出接法〕,所以隨著輸入控制信號幅值的增加,TL494輸出脈沖占空比減小。13腳為輸出脈沖模式控制端,當該端為高電平時,兩路脈沖輸出分別有觸發(fā)器的和端控制,兩路信號輸出互補,即推挽輸出,此時PWM脈沖輸出頻率為振蕩器頻率的一半,最大占空比為48%。若13腳接地,觸發(fā)器控制不起作用,兩路輸出脈沖相同,其頻率與振蕩器頻率相同,最大占空比為96%,為了增大驅動電流的能力,一般使用時可將兩路并聯(lián)輸出。TL494內部包含兩個誤差放大器,若兩個誤差放大器的反相輸入端2、15腳的參考電位一定,當它們的同相輸入端電位升高時,輸出脈沖的寬度變窄；反之脈沖寬度變寬。所以一般將兩個誤差放大器的同相和反相輸入端分別接到基準信號和反饋信號,使系統(tǒng)完成閉環(huán)控制,實現(xiàn)控制對象的穩(wěn)定。在實際使用中,常利用TL494內部基準電源向外提供+5V基準參考電壓,再通過電阻分壓網絡給誤差放大器提供基準電位。圖3TL494集成脈寬控制器內部電路圖TL494的推薦工作條件見表1。表1TL494推薦工作條件項目名稱最小值典型值最大值單位電源電壓7.01540V集電極輸出電壓—3040V集電極輸出電流〔每只晶體管〕——200mA放大器輸入電壓-0.3—UCC-2.0V進入反饋斷電流——0.3mA基準源輸出電流——10mA定時電阻1.830500kΩ定時電容0.000470.00110μF振蕩頻率1.040300kHz三、主要單元電路設計1、DC-DC升壓變換器主回路設計該升壓電路結構選擇圖1所示的電路。該變換電路設計主要是確定關鍵元件：輸出濾波電容C、電感L、開關管VT和二極管D。輸出濾波電容的選擇假如輸出濾波電容C必須在VT導通的TON期間供給全部負載電流,設在TON期間C上的電壓降≤△U0,△U0為要求的紋波電壓。則,又因為,所以,選擇開關頻率等于50KHz,在本設計給定的條件與要求下,計算輸出濾波電容的值為：10μF,實際選擇100μF/50V的電容。儲能電感的選擇根據電路的工作波形,電感電流包括直流平均值和紋波分量兩部分。假若忽略電路的內部損耗,則變換器的輸出能量和變換器的輸入能量相等,即,所以,即從電源取出的平均電流也就是流入電感的平均電流。電感電流的紋波分量是三角波,在TON期間,電流的增量為；在TOFF期間,電流將下降,其減少量為；在穩(wěn)態(tài)下,。在選擇△I時,一般要求電感的峰值電流不大于其最大平均電流的20%,以免使電感飽和；同時流過電感中的電流最小值也應大于或等于零。實際設計時,選擇電感電流的增量,所以,在開關頻率選擇50kHz和給定的條件與要求下,計算電感量為42μH,實際選擇100μH/2A的電感。電感可以買成品也可自己繞制。開關管的選擇開關管VT在電路中承受的最大電壓是U0,考慮到輸入電壓波動和電感的反峰尖刺電壓的影響,所以開關管的最大電壓應滿足＞1.1×1.2U0。實際在選定開關管時,管子的最大允許工作電壓值還應留有充分的余地,一般選擇〔2~3〕1.1×1.2U0。開關管的最大允許工作電流,一般選擇〔2~3〕II。開關管的選擇,主要考慮開關管驅動電路要簡單、開關頻率要高、導通電阻要小等。本設計選擇N溝道功率場效應管IRF3205,該器件的VDSM=55V,導通電阻僅為8mΩ,IDM=110A,完全滿足設計要求。續(xù)流二極管的選擇在電路中二極管最大反向電壓為U0,流過的電流是輸入電流II,所以在選擇二極管時,管子的額定電壓和額定電流都要留有充分大的余地。另外選擇續(xù)流二極管時還要求導通電阻要小,開關頻率要高,一般要選用肖特基二極管和快恢復二極管。本設計選用MBR10100CT,其最大方向工作電壓為100V,最大正向工作電流為10A,完全滿足設計要求。2、DC-DC變換器控制電路設計DC-DC變換器控制電路選用集成PWM控制器TL494構成,調制脈沖的頻率選擇50kHz,選擇振蕩電容CT為1000pF,電阻RT為22kΩ即可滿足要求。脈沖采用單端輸出方式,將13腳接地,為了提高驅動能力,從內部三極管的集電極輸出,并將兩路并聯(lián),即將8、11腳并聯(lián)接電源〔即輸入電壓UI〕,9、10腳并聯(lián),該端即為脈沖輸出端。為了保證輸出電壓U0穩(wěn)定,要引入負反饋,即通過取樣電阻R1、R2、RP1將輸出電壓反饋到TL494內部誤差放大器的同相輸入端〔1腳〕,誤差放大器的反相輸入端〔2腳〕接一參考電壓,圖中由電阻R3、R4、RP2組成；當輸出電壓增高時,反饋信號和參考電壓比較后,誤差放大器的輸出增大,結果使輸出脈沖的寬度變窄,開關管的導通時間變短,輸出電壓將保持穩(wěn)定。圖中連接在誤差放大器2腳和3腳之間的電阻和電容是構成PID調節(jié)器,目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。在給定參數下,調節(jié)RP2使15腳電位等于2.2V,然后調節(jié)RP1即可調節(jié)輸出電壓值。過流保護電路可以利用TL494內部另一誤差放大器實現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇1Ω/2W的精密電阻,兩端并聯(lián)一高頻濾波電容,誤差放大器的反相端〔15腳〕接電壓等于2.2V的基準電壓,電流取樣電阻上的電壓輸入誤差放大器的同相輸入端〔16腳〕,當電流大于1.2A時,16腳電壓大于15腳電壓,誤差放大器輸出增大,TL494輸出脈沖寬度變窄,輸出電壓減小,則起到限流作用。圖4DC-DC升壓穩(wěn)壓電路四、系統(tǒng)安裝與調試<只調試控制電路部分>1、首先將由TL494組成的控制電路按圖4在面包板上插接調試,調試成功后用protel電路畫圖軟件畫出控制電路的原理圖〔1腳通過電位器RP1接14腳〕,再畫出PCB圖并作出電路板。2、檢查無誤后,12腳加+12V電源。16腳通過接地,用示波器觀察9、10腳連接點的輸出脈沖的波形,調節(jié)電位器RP2,使15腳電位等于2.2V。同時調節(jié)RP1來調節(jié)脈寬。由于各種條件的限制,本次課程設計只做出控制電路部分,不引入過壓與過流保護。脈寬可調即為設計成功。五、總結本次課程設計總的來說是成功的,控制電路基本滿足要求。不足的是在評板時