1、電了技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計課題：基于 TL494的非隔離開關(guān)電源設(shè)計專業(yè)班級：學(xué)生：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：物理與電子工程學(xué)院目錄1 設(shè)計任務(wù)與要求 42 集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的區(qū)別 42.1 集成穩(wěn)壓器的組成 42.2 開關(guān)電源的組成 53 開關(guān)電源的分類 64 常見開關(guān)電源的介紹 . 64.1 基本電路 74.2 單端反激式開關(guān)電源 74.3 單端正激式開關(guān)電源 84.4 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源 84.5 推挽式開關(guān)電源 94.6 降壓式開關(guān)電源 94.7 升壓式開關(guān)電源 104.8 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 105 buck變換器 115.1 buck工作原理 115.2 buck變換器的參數(shù)計算 126

2、 TL494 脈寬調(diào)制電路 146.1 TL494芯片主要特征 146.2 TL494工作原理簡述 146.3標(biāo)準(zhǔn)BUCK（降壓）電路圖 157 性能測試結(jié)果分析 168. 結(jié)論與心得 錯誤! 未定義書簽。9. 參考文獻 1710. 附錄 17基于TL494的非隔離開關(guān)電源設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求1掌握PCB制板技術(shù)、焊接技術(shù)、電路檢測以及集成電路的使用方法。2掌握TL494的非隔離開關(guān)電源的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。3研究開關(guān)電源的實現(xiàn)方法，并按照設(shè)計指標(biāo)要求進行電路的設(shè)計與仿真。 具體要求如下： 分析、掌握該課題總體方案，廣泛閱讀相關(guān)技術(shù)資料，并提出自己的見解 掌握開關(guān)電源的工作原理。 設(shè)計硬件

3、系統(tǒng)并進行仿真，掌握系統(tǒng)調(diào)試方法，使系統(tǒng)達到設(shè)計要求。 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計要求：直流輸入電壓：1040V;輸出電壓：5V;輸出電流：1A;效率：72%、集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的區(qū)別輸入端o+調(diào)整管(1)、集成穩(wěn)壓器的組成輸出端O+啟動電路基準(zhǔn)電源放大. 電路保護電路采樣電路圖1集成穩(wěn)壓器的組成電路部包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個組成部分 ，另外加上保護電路和啟動電 路。1調(diào)整管在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管為由兩個三極管組成的復(fù)合管。這種 結(jié)構(gòu)要求放大電路用較小的電流即可驅(qū)動調(diào)整管發(fā)射極回路中較大的輸出電流， 而且 提高了調(diào)整管的輸入電阻。2. 放大電路在W780C系列三端集成穩(wěn)壓電

4、路中，放大管也是復(fù)合管，電路組態(tài)為共射接法， 并采用有源負載，可以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。3. 基準(zhǔn)電源在W780C系列三端集成穩(wěn)壓電路中，采用一種能帶間隙式基準(zhǔn)源，這種基準(zhǔn)源具 有低噪聲、低溫漂的特點，在單片式大電流集成穩(wěn)壓器中被廣泛采用。4采樣電路在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，采樣電路由兩個分壓電阻組成，它對輸出電 壓進行采樣，并送到放大電路的輸入端。5啟動電路啟動電路的作用是在剛接通直流輸入電壓時， 使調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等 部分建立起各自的工作電流。當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作后，啟動電路被斷開，以免影響穩(wěn) 壓電路的性能。6保護電路在W780C系列三端集成穩(wěn)壓電路中，芯片部集成了三種

5、保護電路，它們是限流保 護電路、過熱保護電路和過壓保護電路。、開關(guān)電源的組成脈沖調(diào)制采樣電路圖2開關(guān)電源的組成當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電 路,與基準(zhǔn)電壓進行比較并將二者的差值放大后送至脈沖調(diào)制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化。此脈沖信號作為開關(guān)管的輸入信號，使調(diào)整管導(dǎo)通和截止時間的比例 也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平均值基本保持不變。三、開關(guān)電源的分類1、按開關(guān)管的連接方式，開關(guān)電源可分為串聯(lián)型開關(guān)電源和并聯(lián)型開關(guān)電源串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是串聯(lián)在輸入電壓和輸出負載之間，屬于降壓式穩(wěn)壓電路； 而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是在輸入電壓和輸出負載之間并聯(lián)

6、的，屬于升壓式穩(wěn)壓電路。2、按激勵方式，開關(guān)電源可分為自激式和他激式。在自激式開關(guān)電源中，由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路， 來完成自激振蕩，類似于間歇振蕩器；而他激式 開關(guān)電源必須附加一個振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖加在開關(guān)管上， 控制開關(guān)管的 導(dǎo)通和截止，使開關(guān)電路工作并有直流電壓輸出。3、按調(diào)制方式，開關(guān)電源可分為脈寬調(diào)制（PWM方式和脈頻調(diào)制（PFM方式。 PWM!通過改變開關(guān)脈沖寬度來控制輸出電壓穩(wěn)定的方式， 而PFM是當(dāng)輸出電壓變化 時，通過取樣比較，將誤差值放大后去控制開關(guān)脈沖周期（即頻率） ，使輸出電壓穩(wěn) 定。4、按輸出直流值的大小，開關(guān)電源可分為升壓式開關(guān)電源和降壓式開關(guān)電

7、源， 也可分為高壓開關(guān)電源和低壓開關(guān)電源。5、按輸出波形，開關(guān)電源可分為矩形波和正弦波電路。6按輸出性能，開關(guān)電源可分為恒壓恒頻和變壓變頻電路。7、按開關(guān)管的個數(shù)及連接方式又可將開關(guān)電源分為單端式、推挽式、半橋式和 全橋式等。單端式僅用一只開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩只開關(guān)管， 全橋式則采用 四只開關(guān)管。8、開關(guān)電源按能量傳遞方式又可分為正激式和反激式。9、 按軟開關(guān)方式分，開關(guān)電源有電流諧振型、電壓諧振型、E類與準(zhǔn)E類諧振 型和部分諧振型等。四、常見開關(guān)電源的介紹1. 基本電路開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如下圖 3所示。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電 壓

8、，該電壓進人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波， 最后再將這個方波電壓經(jīng)整 流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及 基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路。 控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。廠二盤辦曲1圖3基本電路2 .單端反激式開關(guān)電源單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負，整流二極 管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能

9、量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，變壓器T初級 繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1整流和電容C濾波后向負載輸出。單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為 20 100W，可以同時輸出不 同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差， 適用于相對固定的負載。單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管 VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值 的兩倍，工作頻率在20 200kHz之間。VDI圖4單端反激式開關(guān)電源3 .單端正激式開關(guān)電源單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示。 這種電路在形式上與單端反激式電 路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管 VT1導(dǎo)通時，VD2也 導(dǎo)通，

10、這時電網(wǎng)向負載傳 送能量，濾波電感L儲存能量；當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感L通過續(xù)流二極管VD3繼 續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于5 0%。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率圍大，可輸出50 200 W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應(yīng) 用較少。圖5單端正激式開關(guān)電源4. 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。 這是一種利用間歇振蕩電路組成

11、的 開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。當(dāng)接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1開始導(dǎo)通，其集電極電 流Ic在L1中線性增長，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓， 使VT1很快飽和。與此同時，感應(yīng)電壓給 C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變 低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic開始減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負、發(fā)射極 為正的電壓，使VT1迅速截止，這時二極管 VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級繞組中的 儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1給 C1反向充電，逐漸提高 VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次

12、翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電 路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組 向負載輸出所需要的電壓。自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)圖6自激式開關(guān)電源5 .推挽式開關(guān)電源推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖六所示。 它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的 磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個開關(guān)管 VT1和VT2兩個開關(guān)管在外激勵 方波信號的控制下交替的導(dǎo)通與截止， 在變壓器T次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾 波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺

13、點是開關(guān)管的耐壓要達到兩倍電 路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在 100500CW圍。圖7推挽式開關(guān)電源6 .降壓式開關(guān)電源降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，二極管VD1截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電，這一電流使電感L中的儲能增加。 當(dāng)開關(guān) 管VT1截止時，電感L感應(yīng)出左負右正的電壓，經(jīng)負載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感L中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣， 只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。圖8降壓式開關(guān)電源7.升壓式開關(guān)電源升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)

14、壓電路如圖八所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電感L儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感L感應(yīng)出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓 上，經(jīng)二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源。圖9升壓式開關(guān)電源8 .反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。 無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工 作。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C 上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上 負下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時給電容C充電

15、。以上介紹了脈沖寬度 調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型， 在實際應(yīng)用中，會有各種各樣 的實際控制電路，但無論怎樣，也都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。圖10反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源五、buck變換器1. buck工作原理BUCK變換器又稱降壓變換器，它是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換直流斬波 器，即輸出電壓低于輸入電壓。其基本結(jié)構(gòu)如圖11.1所示。假定：(I)開關(guān)晶體管、二極管均是理想元件，也就是可以快速地“導(dǎo)通”和“截止” 而且導(dǎo)通壓降為零，截止時漏電流為零； 電感、電容是理想元件，電感工作在線性區(qū)未飽和，寄生電阻為零，電容的 等效串聯(lián)電阻為零； 輸出電壓中紋波電壓與輸出電壓比值小到允許忽略。

16、圖11.1 Buck變換器電路工作過程：當(dāng)主開關(guān)Tr導(dǎo)通，如圖11.2所示，is=匚流過電感線圈L,電流線性增加在負L載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo,極性上正下負。當(dāng)is >i。時，電容在充電 狀態(tài)。這時二極管D承受反向電壓而截止。經(jīng)時間 D1Ts后，如圖11.3所示主開關(guān) Tr截止，由于電感L中的磁場將改變L兩端的電壓極性，以保持其電流匚不變。負iL載兩端電壓仍是上正下負。在i Vlo時，電容處在放電狀態(tài)，以維持Io、Vo不變。L這時二極管D,承受正向偏壓為電流紅構(gòu)成通路，故稱D為續(xù)流二極管。由于變換器輸出電壓Vo小于電源電壓Vs,故稱它為降壓變換器。其工作圖如下圖11.2和圖1

17、1.3所示在一般的電路中是期望BUCK!路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的，在一個完整 的開關(guān)周期中，BUCK?換器的工作分為兩段，其工作波形圖為：%圖11.4 BUCK在連續(xù)模式下的工作波形圖2. buck變換器的參數(shù)計算在BUCI變換器電路中給定輸入電壓 Vs的圍、輸出電壓Vo功率P輸出電流 I。紋波電壓的圍 Vo,開關(guān)頻率fs，就可以推出電路中L、C的參數(shù)值和所需 要開關(guān)管和二極管的耐壓和耐流值，從而選定各自的型號。從圖11.4中的）波形圖可知，在開關(guān)管Tr導(dǎo)通期間（t 一t ），電感電流上L01升量為Vs V°t【1八ODTs(3.1 )在開關(guān)管關(guān)斷期間，電感電流的下降量為% 普dt

18、VsL由于穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量相等,t2 t1ViL1|ViL2V。L所以由上述兩式可得：(3.2 )屮DJs由上式整理得(3.3)V。注意：D為占空比VsD(3.4 )(I)電感L的確定在連續(xù)和不連續(xù)之間有個臨界狀態(tài)，此時ViL2(3.5)將3.2式代入3.5可得:牛薯D2Ts I2 2LVoR(3.6 )將3.6式整理得:LcD2RTs 色 1 D1 Ts2I0(3.7 )2要保證電路工作在連續(xù)工作模式必須使L三Lc, 一般取1.2倍的裕量。(2)電容C的確定 流經(jīng)電容的電流是(iiC iL如圖3.4中；和V波形。iCVCI。)，由于；對電容的充放電產(chǎn)生的紋波電壓iCW。，1w°

19、;-將3.2式代入3.82cdt式得開關(guān)管的峰值電流為:開關(guān)管的耐壓值為:Itp2V0D2VLlt8C s(3.8)Ts28LW0 s1Il -VI l2Vs(3.9)Vmax根據(jù)擬定技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓：Vs= 1040V ;輸出電壓：Vo=5V輸出電流Io=1.0A。有上述公式推到可得：Lc取1.0mHC取 500uF/10VNcmwv PIN CONNECTIONSCT 12 VCRill)0巳Cl3'專ElOroiMim伽rpem 附Coftp Irptri LJL DcadtwneGUI胸 UJ百 Momv回hpuI二亠一II C2根據(jù)耐壓值和余量：開關(guān)管?。篢ip127電流參

20、數(shù)：IC=5A/ICM=8A/IB=0.1A電壓參數(shù)：UCEO=UCBO=100V/UEBO=5V 功率：Ptot=65W 二極管取：IN5819電壓參數(shù)：40V電流參數(shù)：1.0A六、TL494脈寬調(diào)制電路1. TL494芯片主要特征集成了全部的脈寬調(diào)制電路置主從振蕩器置誤差放大器置5.0V參考基準(zhǔn)電壓源可調(diào)整死區(qū)時間置功率晶體管可提供最大500mA的驅(qū)動能力 輸出可控制推拉電路或單端電路欠壓保護2. TL494工作原理簡述TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào) 制電路，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)，其振蕩頻率計算公式為：圖12 TL494芯片部電路輸

21、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(dāng)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(dāng)控制信號增 大，輸出脈沖的寬度將減小。3. 標(biāo)準(zhǔn)BUCK（降壓）電路圖圖12 BUCK電路圖電壓反饋控制（穩(wěn)壓調(diào)節(jié)）：1腳為電壓反饋輸入端，該腳通過一個5.1K電阻直接接到輸出端。2腳也是通過5.1k電阻接到VREF端（5v） 輸出電壓=參考電壓=5V電流反饋控制（限流保護）：輸出負段到地之間接了一個 0.1歐姆的電流采樣電阻，該電阻電壓被接入到 16 腳15 腳電壓=5V*15

22、0/（ 150+5100）= 0.143V限流電流=0.143/0.1=1.43A。當(dāng)負載電流=1.43A時，輸出保護。3腳所接的0.1u電容及45K、1.0M電阻是斜率補償 （為了增加電路的穩(wěn)定性）。 輸出控制13腳為輸出（方式）控制端。該腳接地時為單端連接輸出方式。 所以圖中將8腳和11腳并聯(lián)輸出。參數(shù)TestCondkiQnsReulULin-e RegulationVin = 80Vto40V3.0 mV 0.01%Load RiegulbonVin = 1Z6V lo = 0J2mAto2D0mA6.0 mV 0.02%Output RippleVin u 12.6 Vr lo = 200 mA40 mV ppP A R D.Short Cincuh Current12,6 7=0.1 Q250 mAEfficiencyVin= 12.6 Vr lo = 200mA72%表1七、性能測試結(jié)果分析本次設(shè)計的結(jié)果基本能夠達到預(yù)期的要求:圖13 TL494降壓原理圖