逆变电源毕业设计(论文)---基于TL494逆变电源设计.doc
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1、I 基于 TL494 逆变电源设计 摘 要 本设计主要应用开关电源电路技术有关知识,涉及模拟集成电路、电源集成 电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理,充分运用芯片 TL494 的固定频率脉 冲宽度调制电路及场效应管(N 沟道增强型 MOSFET)的开关速度快、无二次击 穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。该逆变电源的主要组成部分为: DC/DC 电路、输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、DC/AC 变换电路、振荡电路、全桥电路。在工作时的持续输出功率为 150W,具有工作 正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造 成本较为低廉,实用性强,可作为多
2、种便携式电器通用的电源。 关键词:过热保护,过压保护,集成电路,振荡频率,脉宽调制 Inverter Power supply Design Based on TL494 II ABSTRACT The design applying the switching power source circuit technology in connected. Relating with knowledge about what imitate integrated circuit、power source integrated circuit、power amplification integrat
3、ed circuit and switching regulated voltage circuit on principle. Sufficient apply chip TL494 fixed-frequency pulse width modulation circuit and field effect transistor (N channel strengthen MOSFET) whose switch speed quick, nothing secondary Break down and hot stability good merit to design circuit.
4、 Owe the inverter main part ingredient by DC/DC circuit、importing the over-voltage crowbar circuit、exporting an over-voltage crowbar protect a circuit、overheat protective circuit、DC/AC shifts circuit、oscillating circuit and entire bridge circuit. Continuing for during the period of the job exports p
5、ower functions such as being 150 W, having the regular guiding lights working, exporting an over-voltage crowbar, importing the over-voltage crowbar and overheat protective. The cost of manufacture being a power source of turn is comparatively cheap, the pragmatism is strong, and it has a function a
6、nnex to the various portably type. KEY WORDS: over heat protective, over-voltage integrated circuit (IC), oscillating frequency, pulse width modulation (PWM). 目 录 前 言.1 III 第 1 章 简介.3 1.1 概述.3 第 2 章 逆变电源原理与构成.4 2.1 逆变电源的基本构成和原理.4 2.1.1 逆变电源的基本构成和原理.4 2.1.2 逆变电源的技术性能指标及主要特点.7 2.2 逆变电源的主要元器件及其特性.7 2.2
7、.1 TL494 电流模式 PWM 控制器.7 2.2.2 场效应管.11 2.2.3 三极管12 第 3 章 各部分支路电路设计及其参数计算.13 3.1 各部分支路电路设计及其参数计算.13 3.1.1 DC/DC 变换电路.13 3.1.2 输入过压保护电路14 3.1.3 输出过压保护电路15 3.1.4 DC/AC 变换电路.16 3.1.5 TL494 芯片外围电路18 3.1.6 TL494 芯片外围电路18 3.1.7 逆变电源的整机电路原理图19 3.1.8 电路的元件参数表19 第 4 章 调试.20 结 论.21 谢 辞.22 附录 A 整机原理图23 附录 B 元件参数
8、表25 附录 C 元件参数表.26 附录 D 整机 PCB 板(两面)27 参考文献.29 外文资料翻译.30 IV 1 前 言 开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,用于交流 直流或直流直流电能变换,通常称其为开关电源(Switched Mode Power Supply-SMPS) 。其功率从零点几瓦到数十千瓦,广泛用于生活、生产、科研、军 事等各个领域。彩色电视机、VCD 播放机等家用电器、医用 X 光机、CT 机,各 种计算机设备,工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置,以及飞机、卫 星、导弹、舰船中,都大量采用了开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路,根据
9、负载对电源提出的输出稳压或稳 流特性的要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制。 开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源,如采用调整管的线性电源和采 用晶闸管的相控电源相比具有效率高和体积小、重量轻两个明显的优点。因为具 有这些优点,开关电源的应用越来越广泛,大有取代线性电源和相控电源的趋势。 值得注意的是,开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大,所以在需要非常 低的噪声与纹波(如纹波峰峰值要小于 510mV)的情况下,仍需要线性电源, 由于大功率全功率非常大(1MW 以上)时,仍需采用相控电源。但随着控制技 术和元器件技术的不断发展,开关电源的各方面的性能都在不断
10、提高,容量也在 不断扩大。 开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态,所以称为开关电源,其原 理是用整流电路先把交流变成直流,再用开关管把直流电变成高频的直流电,这 个高频直流在通过开关变压器时,在次级感应出交流电流,再通过整流滤波后, 变成平稳的直流电,同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的比例 (占空比) 。由于开关变压器的频率很高,同样的功率,体积可以做的很小,所 以整个电源可以做到体积小重量轻。开关电源能输出多种可控的直流电压供不同 的电路使用。 目前逆变电源应用广泛,但是电路复杂,价格比较昂贵,为此设计一款逆变 电源。该电源主要应用开关电源电路技术的有关知识,涉及模拟集成电
11、路、电源 集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理,充分运用芯片 TL494 的固定频 率脉冲宽度调制电路1和场效应管2(N 沟道增强型 MOSFET)的开关速度快、 2 无二次击穿、热稳定性好的优点与三极管一起构成的组合设计电路。 该逆变电源可将电瓶的 12V 直流电转换为 220V/50Hz 的交流电,供数码相机、 CD 机、MD 唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品 使用。因此具有相当强的通用性。 该逆变电源在工作时的持续输出功率为 150W,并且具有输出过压保护、输 入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造成本较为低廉,千台以上数量的 批产成本仅在 40 元/
12、台左右,并且当印制板的尺寸不受限制时,可以将输出功率 做到 200W 以上,因此该逆变电源几乎可以替代目前市场上所售的各种逆变器或 者逆变电源产品,其应用前景十分广阔。 第 1 章 简介 3 1.1 概述 逆变电源是将直流点逆变成交流电,本设计逆变电源工作是的持续输出功率 为 150W,并且具有输出过压保护以及过热保护等功能。该电源的制作成本低, 批量生产成本更低,并且当印制板尺寸不受限制时,可以将输出功率做到 200W 以上,因此该逆变电源的市场前景十分广阔。本逆变电源可将电瓶的 12V 直流电 转换为 220V/50Hz 的交流电,供数码相机、CD 机、MD 唱机、笔记本电脑、小 型录像机
13、、电动剃须刀、手机等便携式产品使用。因此具有相当强的通用性。 第 2 章 逆变电源原理与构成 4 2.1 逆变电源的基本构成和原理 2.1.1 逆变电源的基本构成和原理 以图 2-1 的单向桥式逆变电源为例说明其最基本的工作原理。图中 S1-S4是 桥式电路的 4 个臂,他们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关 S1、S4闭合, S2、S3 断开时,负载电压 u0为正;带开关 S1、S4断开,S2、S3闭合时 u0为负, 其波形如图 2-2 所示,这样就把直流点变成交流电,改变两组开关的切换频率, 即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路的最基本得工作原理。当负载为电 阻时,负载电流 i0和
14、电压 u0的波形形状相同,相位也相同,当负载为阻感时,i0 相位滞后于 u0,两者波形的形状也不同,图 2-2 给出的就是阻感负载时的 i0波形。 设 t1 时刻以前 S1、S4导通,u0和 i0均为正。在 t1时刻断开 S1、S4,同时合上 S2、S3,则 u0的极性立刻变为负,但是,因为负载中有电感,其电流方向不能立 刻改变而仍维持原方向,这时负载电流从直流电源负极流出,经 S2、负载和 S3 流回正极,负载电感中储存的能量向直流电源反馈,负载电流逐渐减小,到 t2时 刻降为零,之后 i0才反向并逐渐增大。S2、S3断开,S1、S4闭合时的情况类似。 上面是 S1 S4均为理想开关时的分析
15、,实际电路的工作过程要复杂一些。 Ud S1 S2 负载 U0 S3 S4 i0 图 2-1 逆变电路 5 T u0 t1 t2 i0 图 2-2 逆变电路波形 1. 本设计的基本构成及其原理 该设计电路的方框图如图 2-3。该电路由 12V 直流输入、输入过压保护电路、 过热保护电路、逆变电路 I、220V/50KHz 整流滤波、逆变电路 II、输出过压保护 电路等组成。逆变电路 I、逆变电路 II 的框图分别见图 3、图 4。逆变电路又包括 频率产生电路(50KHz 和 50Hz PWM 脉冲宽度调制电路) 、直流变换电路(DC/DC)将 12V 直流转换成 220V 直流、交流变换电路(
16、DC/AC)将 12V 直流变换为 220V 交流。 图 2-3 整机原理方框图 逆变电路 I 原理如图 2-4 所示。此电路的主要功能是将 12V 直流电转换为 220V/50KHz 的交流电。 6 图 2-4 逆变 I 电路原理方框图 逆变电路 II 如图 2-5 所示。此电路的主要功能是将 220V 直流电转换为 220V/50Hz 的交流电。全桥电路以 50Hz 的频率交替导通,产生 50Hz 交流电。 图 2-5 逆变 II 电路原理方框图 2. 电路工作原理 输入 12V 直流电源电压,经过逆变电路 I 得到 220V/50KHz 的交流电,此交 流电再经过整流滤波电路得到 220
17、V 高压直流电,然后经过逆变 II 得到 220V/50Hz 交流电。其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路 构成整个电路的保护电路。一旦输入电压出现过大或者过小时,保护电路立即启 动,然后停止逆变电路 I 的工作。过热保护电路是当电路工作温度过高时,启动 保护使逆变电路 I 停止工作。输出过压保护电路与逆变电路 II 构成反馈回路,一 旦电路输出异常则停止逆变电路 II 的工作。在逆变电路 I 中是用一块 TL494 芯片 产生 50KHz 的脉冲频率,经过变压器推挽电路将 12V 直流转换成 220V/50KHz 7 的交流电。在逆变电路 II 中再用一块 TL494 芯片产
18、生 50Hz 的脉冲波,全桥电路 以 50Hz 的频率交替导通,从而将 220V 直流和 50Hz 脉冲电路整合,然后输出 220V/50Hz 的交流电。在该电路中都是利用 TL494 的输出端作为逆变电路工作状 态的控制端。 2.1.2 逆变电源的技术性能指标及主要特点 1. 输入:12V 直流(汽车蓄电池) 。 2. 输出:220V 交流(非正弦波) 。 3. 输出功率:大于 100W。 4. 具有输入过压保护和输出过压保护。 5. 有过热保护功能。 6. 可作为多种电器的通用电源。 7. 含有工作正常指示灯。 2.2 逆变电源的主要元器件及其特性 2.2.1 TL494 电流模式 PWM
19、 控制器 TL494 是一种固定频率脉冲宽度调制电路1,它包含了开关电源控制所需的 全部功能,广泛用于单端正激双管式、半桥式以及全桥式开关电源。TL494 有 SO-16 和 PDIP-16 两种封装形式,以适应不同场合的要求。 1. 主要特征 集成了全部的脉冲宽度调制电路。 TL494 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) 。 TL494 内置误差放大器。 TL494 内置 5V 参考基准电压源。 可调整死区时间。 TL494 内置功率晶体管,可提供 500mA 的驱动能力。 有推或拉两种输出方式。 2. 引脚设置及其功能 8 TL494 的内部电路由基准电压产生电
20、路、振荡器、死区时间比较器、误差放 大器(两个) 、PWM 比较器以及输出电路等组成,各引脚功能见表 2-1。 表 2-1 TL494 引脚功能表 引脚符号功能典型电压 1V1(+)误差放大器 1 误差信号输入端(同相信号端)2.6 2V1(-)误差放大器 1 误差信号输入端(反相信号端)2.6 3VOUTC误差放大器 1 和 2 输出信号补偿元件连接段4 4CONT死区控制信号输入端,所加控制电压可调输出脉冲宽度0.3 5CT振荡器外接振荡电容连接端,与 6 脚外接的电阻一起可产 生频率 f=1.1/Rc 的锯齿信号 0.4-4v 6RT振荡器外接振荡电阻连接端,见 5 脚说明3.7 7GN
21、D基准电源电源电路接地线端0 8CA推挽电路输出信号端 A,输出电压可达 40V,电流为 200mA(反相输出) 0-15v 9EA推挽电路输出信号端 A,属同相信号输出端0 10EB推挽电路输出信号端 B,属同相信号输出端0 11 CB推挽电路输出信号端 B,输出电压可达 40V,电流为 200mA(反相输出) 与 8 脚等相位差 180 度的脉冲波 12VccIN工作电源电压输入端25 13OUT CON 输出方式设定信号输入端。当该脚接基准电压是,输出呈 推挽型,输出方波最大占空比为 48;当该脚接地是内部 二个输出晶体管并联工作输出电流可达 400mA,最大占空 比为 96 5 14+
22、5+5V 基准电源输出端,可输出 5V 的基准参考电压5 15V2(-)误差放大器 2 误差信号输入端(反相信号端)5.4 16V2(+)误差放大器 2 误差信号输入端(同相信号端)0 3. 工作原理 TL494 是一个固定频率 PWM 控制电路,其内部结构如图 2-6 所示。TL494 适用于设计所有的单端或双端开关电源电路,其主要性能如下: 9 图 2-6 TL494 内部结构图 1. 输入电源电压为 740V,可用稳压电源作为输入电源,从而使辅助电源简 化。TL494 末级的两只三极管在 740V 范围工作时,最大输出电流可达 250mA。因此,其带负载能力较强,即可按推挽方式工作,也可
23、将两路输出并联 工作,小功率时可直接驱动。 2. 内部有 5V 参考电压,使用方便,当参考电压短路时,有保护功能,控制 很方便。 3. 内部有一对误差放大器,可做反馈放大及保护功能,控制非常方便。 4. 在高频开关电源中,输出方波必须对称,在其他一些应用中又需要方波人 为不对称,即需控制方波的占空比。通过对 TL494 的 4 脚控制,即可调节占空比, 还可作输出软启动保护用。 5. 可以选择单端、并联及交替三种输出方式。 TL494 的 1 脚及 2 脚为误差放大器的输入端。由 TL494 芯片构成电压反馈电 路时,1、2 脚上通过电阻从内部 5V 基准电压上取分压,作为 1 脚比较的基准。
24、 3 脚用于补偿校正,为 PWM 比较器的输入端,接入电阻和电容后可以抑制振荡, 4 脚为死区时间控制端,加在 4 脚上的电压越高,死区宽度越大。当 4 脚接地时, 10 死区宽度为零,即全输出;当其接 5V 电压时;死区宽度最大,无输出脉冲。利 用此特点,在 4 脚和 14 脚之间接一个电容,可达到输出软启动的目的,还可以 供短路保护用。5 脚及 6 脚接振荡器的接地电容、电阻。 TL494 内置线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻 和一个电容进行调节,其振荡频率如式 2-1: (2-1) 1 Fosc CtRt = 输出脉冲的宽度是通过电容 Ct上的正极性锯齿波电压与另外两个控制
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