TL494开关电源的设计与制作_毕业论文.doc

安徽财贸职业学院毕业设计安徽财贸职业学院毕业论文封面 学号 姓名 班级 1 指导教师 论文题目 基于TL494的开关电源设计与制作 15安徽财贸职业学院电子信息系新能源应用专业毕业设计基于TL494的开关电源设计与制作摘 要随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。关键词：TL494 开关电源 高频22目 录第1章 选题背景1第2章 开关电源简介22.1 开关电源概述22.1.1 开关电源的工作原理22.1.2 开关电源的组成32.1.3 开关电源的特点52.2 开关电源的分类52.3 开关器件的分析62.3.1电力二极管62.3.2 电力场效应晶体管MOSFET6第3章 主要电路模块分析83.1 交流滤波电路83.2 整流桥电路83.3 半桥开关电路93.4 驱动变压电路103.5主控电路设计113.6电路中的其他模块12第4章 TL494在220V12V开关电源中的应用144.1 TL494工作原理简述144.2 TL494的各脚功能及参数144.3 TL494构成的PWM控制器电路15第5章 调试与检测185.1 无负载测试185.2 带负载测试18结 论19致 谢20附录21参考文献22第1章 选题背景现在科学技术越来越发达，电子产品也多了起来，电子产品所需的电源也越来越多了，电子产品离不开电源，电子产品越来越多所需的电源越来越多。各个国家的电子产品都发展了起来，电源在各个国家也就发展了起来。电子产品用的最多的电源是开关电源。随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低,又笨又重的线性电源。 开关电源输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，在能源日益匮乏的当代越来越受到人们的青睐。80年代计算机电源全面实现了开关电源化，90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域。第2章 开关电源简介2.1 开关电源概述2.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理图如图2-1所示；图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压U0。图2- 1开关电源的工作原理为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下： (2-1)式中，T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：Uo=Ui*D (2-2)由式(2-1)和式(2-2)可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。 由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。若保持TON不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制(PFM)。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。2.1.2 开关电源的组成1.主电路 冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。 输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。 输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 2.控制电路 一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。 3.检测电路 提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。 4.辅助电源 实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。开关电源的基本组成如图2-2所示。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。图2-2 开关电源的基本组成AC/DC变换器也有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。2.1.3 开关电源的特点1.效率高：开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%90%，高的可达90%以上。2.重量轻：由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。3.稳压范围宽：开关电源的交流输入电压在90270V范围变化时，输出电压的变化在±2%以下。合理设计电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。4.可靠安全：在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。5.功耗小：由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。2.2 开关电源的分类开关电源的分类方法有很多，下面介绍几种常见的分类方法。1.按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制(PWM)式、 脉冲频率调制(PFM)式和脉冲调频调宽式三种。2.按开关电源的触发方式分类,可分为自激式开关电源，自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。3.按电路的输出取样方式分类，可分为直接输出取样开关电源，间接输出取样开关电源。2.3 开关器件的分析2.3.1电力二极管电力二极管可分为普通二极管, 快恢复二极管,肖特基二极管三种。普通二极管又称为整流二极管，多用于开关频率不高的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PNP结型结构，有的采用改进的PIN结构。采用外延型PIN结构的快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50 ns)，正向压降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐压多在400V以下。快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，有的甚至达到2030ns。以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是：反向恢复时间很短(1040ns)，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不足之处是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。2.3.2 电力场效应晶体管MOSFET电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。其特点是：用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电源电子装置。电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，如图2-3所示。其中G为栅极，S为源极，D为漏极。电力MOSFET的工作原理是：在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过；在导电状态，在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。图2- 3电力MOSFET的结构和电气图形符号第3章 主要电路模块分析3.1 交流滤波电路图3-1为交流滤波电路的示意图。交流滤波电路由熔断丝FU1、热敏电阻RT、压敏电阻u和保护电容、电感组成。熔断丝FU1在电路中起短路保护。热敏电阻RT是负温度系数，当温度升高时电阻减小，电流增大。压敏电阻u（脉冲电压峰值）在电路起瞬间瞬间过电压保护作用，及是防雷击。电容C1、C4是滤除交流电中的高频谐波。电容C2、C3是消除差模滤波，电感L1是消除共模滤波。图 3- 1交流滤波电路3.2 整流桥电路如图3-2所示为半桥式整流电路。图3- 2 半桥整流电路此半桥式整流电路具有单向不可控电路。半桥式整流电路的作用就是将交流电转换成直流电。桥式整流电路的输出计算方法是VDC=A*Ui(有效值)，A为负载系数(1.2-1.4)。半桥式整流电路常会出现的问题是直流磁偏，产生直流磁通的原因在下面的电路进行阐述。3.3 半桥开关电路图3-3为半桥开关电路。相关知识的介绍：在此相关开关电源中存在AC-DC-AC-DC的转换，其中DC-AC的转换是高频转换。在转换中会出现直流磁通饱和，这是由于电感的作用，电感在电路中相当于短路，电感的计算方法是W=2LI2，又UL=-L(dl/dt)，当UL=0达到磁通饱和。图3-3 半桥开关电路原理图分析：当前驱电路经过滤波后在经过桥式整流，然后电流入半桥开关电路，当V1导通时，T1（V1的导通时间）的一次磁通增大，增大的磁通为A1; 当V2导通时，T2（V1的导通时间）的一次磁通减小，减小的磁通为A2。整个电路中的磁通为N（A1- A2），当A2=0时此时达到直流磁通。如果没有达到直流磁通可能由于C5和C6的两端电压有波动以及V1和V2的导通不对称。此电路中VD7 和VD8分别提供维持V1和V2三极管的发射极电流Ib。此电路中C10对V1瞬间从饱和转换到截止状态起装换作用；C10对V1瞬间从饱和转换到截止状态起装换作用。3.4 驱动变压电路如图3-4所示为驱动变压电路。图 3- 4 驱动变压电路图 此变压器的型号为铁芯EE40，匝数一次40二次7，原理分析：输入的交流电经过滤波和整流之后通过此驱动变压器将信号传到主控电路中。3.5主控电路设计主控电路如图3-5所示：它是基于TL494设计的，1脚的电压为：4脚的作用是调整占空比。通过计算得出导通占空比应该在37%左右。当V5导通时，意味着Ube>0.7V则UO通过计算大约为4V左右。当输出电压过低时，V5处于截止状态，当输出电压过高时，V5处于导通状态。V5通过调整导通占空比来控制开关电源，对输出短路起到保护作用。15脚的电压为：16脚电压为：。通过计算可知大约为29A。所以它的过载保护电流为29A。图3-5 主控电路设计3.6电路中的其他模块1.如图3-6所示为滤波电路：图3-6 滤波电路2.如图3-7所示为主控电路图3-7 主控电路第4章 TL494在220V12V开关电源中的应用4.1 TL494工作原理简述TL494内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。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。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。4.2 TL494的各脚功能及参数 1、16脚为误差放大器A1、A2的同相输入端, 最高输入电压不超过VCC+0.3 V；2、15 脚为误差放大器 A1、A2 的反相输入端, 可接入误差检出的基准电压。 3脚为误差放大器A1、A2的输出端，在集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入，当A1、A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与2、15脚间接入RC频率校正电路和直流负反馈电路，稳定误差放大器的增益以及防止其高频自激。3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。 4脚为死区时间控制端。当外加1V以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲。 5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端，6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端，一般用于驱动双极型三极管时需限制振荡频率小于40kHz。7脚为共地端。 8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当通过外接负载电阻引出输出脉冲时，为两路时序不同的倒相输出，脉冲极性为负极性，适合驱动P型双极型开关管或P沟道MOSFET管。此时两管发射极接共地。 9、10脚为两路驱动放大器的发射极开路输出端。当8、11脚接VCC，在9、10脚接入发射极负载电阻到地时，驱动放大器的输出为两路正极性图腾柱输出脉冲，适合于驱动N型双极型开关管或N沟道MOSFET管。 12脚为VCC，即输入端，供电范围为840V。 13脚为输出模式控制端，外接5 V高电平时为双端图腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。接地时为两路同相位驱动脉冲输出，8、11脚和9、10脚可直接并联。双端输出时最大驱动电流为2×200mA，并联运用时最大驱动电流为400mA。14脚为内部基准电压精密稳压电路端，输出5±0.25V的基准电压，最大负载电流为10mA，用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。RT的取值范围为1.8500，CT的取值范围为4700pF10F，最高振荡频率为fOSC300kHz。TL494在工作时，通过5、6脚分别接定时元件CT和RT，经相应的门电路去控制TL494内部的两个驱动三极管交替导通和截止，通过8脚和11脚向外输出相位相差180°的脉宽调制控制脉冲。TL494若将13脚与14脚相连，可形成推挽式电路；若将13脚与7脚相连，可形成单端输出电路，为增大输出，可将两个三极管并联。4.3 TL494构成的PWM控制器电路PWM控制是指在开关工作频率(即开关周期Tn)固定的情况下，直接通过改变导通时间(T0N)来控制输出电压U。的一种方式。也就是通过改变开关导通时间T0N来改变开关控制电压的脉冲宽度。PWM控制器一般由基准电压稳压器、振荡器、误差放大器和脉冲控制电路组成。其中基准电压稳压器10的作用是为电路提供稳定的电源。振荡器的作用是为PWM 比较器提供一个锯齿波信号和与之同步的驱动脉冲控制电路的输出同步信号。其振荡频率可由外部电容Cext和电阻Rext来设定。误差放大器用于将电源输出电压与基准电压进行比较。脉冲控制电路的作用是以正确的时序使输出晶体管导通,其结构如图4-1。 图 4- 1 PWM电路的结构图 通过适当的外接电路，不但可以产生PWM信号输出，而且还有多种保护功能。TL494含有振荡器、误差放大器、PWM比较器及输出级电路等部分。振荡器(OSC)振荡频率由外接元件R、C决定，表达式为： fOSC可选定1200kHz之间，本电路选用fOSC=40kHz。TL494内部的稳压电源将外部供给的+12V电压变换成+5V电压，除提供芯片内部电路作电源外，还通过14脚对外输出+5 V基准电压。13脚为输出脉冲控制端，当1、3脚接地时，输出脉冲最大占空比为96%；当接高电位时，最大占空比为48%。TL494输出脉冲的宽度调节由振荡器电容CT两端的正向锯齿波和两个控制信号相比较来实现。只有当锯齿波电压高于控制信号时，才会有脉冲输出，内部两个误差放大器及外接电阻，电容构成电压和电流反馈调节器，都采用PI调节。误差放大器的给定信号均取自+5V基准电源的分压并加于2脚和5脚。反馈电压信号UF由微机处理后引入1脚，与2脚的给定值UG比较后，产生调制脉宽的控制信号，使输出直流电压保持稳定。当电池温度超过规定值(设为130% TN)时，产生控制信号调制输出脉冲的宽度，使电路处于限流输出运行。来自霍尔电流传感器所检测的电流信号IF由微机处理后引入到14脚，当充电电流超过给定值时封锁输出脉冲，关断IGBT，如图42。图 4-2 PWM控制器电路原理图IGBT是电压驱动型器件，本电路选用了具有降栅压逻辑式和软关断两种保护功能的厚膜混合集成驱动模块EXB840，这种型号的电路较好地解决了低饱和压降IGBT的短路保护问题，能满足IGBT对驱动电路的特殊要求，保证IGBT能可靠开通和关断，且电路简单，工作频率高，输入控制信号电流为10 mA。以EXB840为核心构成的驱动电路中，驱动模块EXB840的电源为+20 V，在模块内部将20 V电压变换为+15V和-5V两种电压，供IGBT栅-射极导通时所需正偏电压和关断时所需的负偏压。TL494输出的PWM脉冲从9脚或10脚送至EXB840的15脚。EXB840驱动模块13从3脚和1脚输出正、负驱动脉冲至IGBT 的栅、射极之间，开通或关断IGBT。第5章 调试与检测5.1 无负载测试将实物做好后，检查是否焊接有错误。用检查无误后首先进行无负载测试，将实物接入220V的交流电中，观察电源指示灯是否亮，再用万用表的直流电压档进行测试，将万用表直流电压调到20V的档上。用红黑表笔分别接在直流输出段， 红表笔接N段，黑表笔接GND段，观察万用表上的数据，若是12V在输出正确，如果不是12V择用螺丝刀调节定位器，注意要慢旋螺丝刀，边调边观察万用表的数据指示，达到12V时即可。5.2 带负载测试无负载测试完了之后选择几个负载电阻，再次接入220V交流电中。首先将四个负载电阻依次串联起来，在串入一个电流表，然后在接入直流输出的12V段形成回路，再用万用表测输出端的电压，方法和无负载测试相同。记录电流和电压的值。然后再串3个2个负载（每个负载阻值为6.8），最少串2个负载电阻。记录的数据经过整理如下表所示：负载 测量数据电流A电压V1.380.9111.962.030.5211.972.740.4611.97测量数据分析：在实验的误差范围内，数据合理正确。由带负载测试的电压数据可知，该开关电源输出的电压稳定，及开关电源在正常的工作状态下。电压没有达到12V说明此压降为0.05V。结 论经过这次毕业设计，我对开关电源技术又有了新的认识。通过自己对220V12V开关电源相关知识的学习和研究，再加上以前学的Protel、电力电子技术、模拟电子技术等相关知识，我现在基本可以分析一张详细的220V12V开关电源等开关电源电路图。在绘制基于TL494的220V12V开关电源电路总图的过程中我也发现了，基本的原理在实际绘图中应该灵活运用，结合实际情况，如可以适当的增加保护电路、稳压电路以保证电路的精确性。在电路设计时，应考率交流输入整流滤波电路、辅助电源电路、PWM控制及驱动电路、单路直流输出电路等主要部分与其他部分是如何组合起来的。致 谢通过本次毕业设计，我近一步了解了开关电源、模拟电子技术、电力电子技术等相关知识，并在毕业论文中得到一定的体现。论文很多地方都是在老师的指导帮助下完成的。赵老师不仅在课堂上给予我们原理的讲解，在课下也不惜占用自己宝贵的时间来帮我们辅导毕业设计，给予耐心的讲解和提供很多相关的开关电源资料。从选题到开题报告，从写作提纲，到耐心的地指出论文中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此，我表示衷心的感谢。同时我还要感谢在毕业设计期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学们,你们热心的支持和帮助才使得我的毕业设计和毕业论文最终顺利完成。谢谢大家。 附录附图 实物图参考文献1王兆安，黄俊. 电力电子技术（第四版）. 北京：机械工业出版社，2000.2辛伊波，陈文清. 开关电源基础. 西安：西安电子科技大学出版社，2009.3张立. 现代电力电子技术. 北京：科学出版社，2001.4薛永义,王淑英. 新型电源电路应用实例. 北京：电子工业出版社，2000. 5李宣江. 开关电源的设计与应用. 西安：西安交通大学出版社，2004.