設(shè)計案例分析

單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源或降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計基于TL開關(guān)電源設(shè)計第1頁技術(shù)指標電源容量輸入：交流15~24Vac。輸出：電源電壓+12V(不可調(diào))，紋波小于150mVP-P，最大輸出電流0.5A(限流型保護)。工作頻率開關(guān)電源工作頻率為30~40kHz。控制電路采取脈沖寬度調(diào)制控制集成電路。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第2頁課題意義含有實用性：幾乎全部電子設(shè)備都包括電源設(shè)計，容量較大時多采取開關(guān)電源。掌握一個共性技術(shù)：脈沖寬度調(diào)制技術(shù)－PWM是一項共性技術(shù)，應用面廣，如硅整流弧焊電源控制、逆變電源設(shè)計、恒溫控制、直流電機調(diào)速等。學習集成電路應用方法：TL494、SG3525A是慣用、經(jīng)典固定頻率脈沖寬度調(diào)制控制電路，應用方法有一定代表性。易于建立工程設(shè)計概念：課題包括多個經(jīng)典工程要素，如：功率器件最大電流、耐壓、開關(guān)速度，磁性材料選擇、功率電感設(shè)計與繞制等。較經(jīng)典設(shè)計驗證方法和負載試驗。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第3頁三、單端正激式開關(guān)電源工作原理導通狀態(tài)截止狀態(tài)輸入輸出關(guān)系

ε稱為占空比基于TL開關(guān)電源設(shè)計第4頁四、TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功效結(jié)構(gòu)基于TL開關(guān)電源設(shè)計第5頁四、TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功效結(jié)構(gòu)TL494時序當鋸齒波電平＜死區(qū)時間控制電平時，死區(qū)時間比較器輸出高電平。當鋸齒波電平＜反饋/PWM輸入電平時，PWM比較器輸出高電平。死區(qū)時間控制電壓和反饋/PWM輸入電壓，二者中較高電平控制觸發(fā)器時鐘寬度。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第6頁TL494時序(續(xù))當輸出控制電壓=H時，Q和時鐘信號均為0時，Q1基極獲高電平導通，/Q和時鐘信號均為0時，Q2基極獲高電平導通，兩管輪番導通，稱為推挽工作方式。當輸出控制電壓=L時，時鐘信號為0時，Q1和Q2基極獲高電平導通，兩管同時導通，稱為單端工作方式。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第7頁功效描述含有控制開關(guān)式電源所需主要功效塊。線性鋸齒波振蕩器(3V)，頻率用兩個外部元件RT

和CT

設(shè)置，近似Ｆosc=1.1/(RT*

CT)輸出脈沖寬度由“死區(qū)時間控制”和“反饋/PWM比較器輸入”兩個信號中電平較高一個控制，控制信號電平與電容器CT

上鋸齒波進行比較，實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)整。控制信號電平線性增加輸出晶體管Q1和Q2導通時間線性降低。“輸出控制”=5V為推挽輸出，最小死區(qū)時間為48%；=0為單端輸出，最小死區(qū)時間為96%。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第8頁五、TL494工作條件工作條件條件符號最小經(jīng)典最大單位電源電壓VCC7.01540V集電極電壓VC1,VC2--3040V集電極輸出電流(每個三極管)IC1,IC2----200mA誤差放大器輸入共模電壓Vin-0.3--VCC－2V反饋/PWM比較器輸入端電流Ifb----0.3mA基準輸出電流Iref----10mA計時電阻RT1.830500kΩ計時電容CT0.00470.0110μF振蕩器頻率Fosc1.040200kHz基于TL開關(guān)電源設(shè)計第9頁六、原理圖穩(wěn)壓原理－－輸出電壓負反饋。L1100uH0.5AC8220uF25V

若某種原因造成輸出電壓過高，則誤差放大器1同向端電位升高，反饋/PWM端電位上升，Q1管導通時間降低，占空比降低，結(jié)果輸出電壓降低。最終使輸出電壓保持穩(wěn)定，R17和R16中點電壓為5V。R12/R10為誤差放大器1靜態(tài)放大倍數(shù)，影響控制精度。C6和R13影響誤差放大器1動態(tài)放大倍數(shù)，抑制瞬變。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第10頁六、原理圖過載保護－－過載時，降低輸出電壓使負載電流保持在保護值。

不論開關(guān)管T2是否導通，流過負載電流都經(jīng)過R9(由上向下)，R9下端電位為負，當負載電流達一定值時，誤差放大器2反相端電位為負，誤差放大器2輸出（即反饋/PWM端）為正，Q1管不導通，輸出電壓降低。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第11頁六、原理圖軟開啟－－上電時輸出電壓由低到高建立，需要一定時間。

上電時，C7充電需要一定時間，死區(qū)電壓由高逐步變低，Q1管導通時間逐步增大，輸出電壓逐步升高。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第12頁七、0參數(shù)選擇整流管：橋式整流，整流管工作電流=0.5負載電流，大反向電壓=輸入交流電壓峰值，IN4007(1A/1kV)能夠滿足要求。濾波電容：RLC=(3~5)T，整流濾波后電壓VIN=18~28.8V,RL~18V/0.5A=36Ω，T＝10mS，1000uF/35V電解電容可滿足要求。最慣用電解電容：1.0、2.2、3.3、4.7、6.8及對應十百千uF，耐壓有6、16、25、35、50、63、100、120、250、400V。工作頻率：音頻上限~20kHz，F(xiàn)osc~33kHz，TOSC=30uS，tON=TOSCVO/(VIN-Vsta)=13.0~21.4uS。基于TL開關(guān)電源設(shè)計第13頁七、參數(shù)選擇開關(guān)管：開關(guān)速度<1uS，耐壓>2(VIN)max，電流>2(IO)max

TIP127(100V/5A,Darl-L,hFE>1000,tr和td<1uS)滿足要求，內(nèi)帶保護二極管可不帶RC吸收回路，需帶散熱器。IC

VEC

PTtONtOFFtVIN+VFVSTAIECO圖四：開關(guān)管開關(guān)速度與功耗分析基于TL開關(guān)電源設(shè)計第14頁七、參數(shù)選擇輸出電壓：VO=5V*(1+R17/R16)~12.1V保護電流：Imax=(Vref/R7)*R8/R9~0.5A電感量：L~100μH。續(xù)流二極管：快恢復二極管，反向偏壓＝(VIN)max-VSTA-VO，峰值電流<2(IO)max，F(xiàn)R103~1A/300V或FR107~1A/1kV滿足要求。(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpkt續(xù)流管陰極電位VK

、電感電流IL、負載電流IO

(tON)min(tOFF)max儲能充分

(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpk=2(IO)maxt續(xù)流管陰極電位VK

、電感電流IL、負載電流IO

(tON)min(tOFF)max臨界儲能(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxt續(xù)流管陰極電位VK

、電感電流IL、負載電流IO

(tON)min(tOFF)max儲能不足

VO圖五：最大輸入/滿負荷時續(xù)流波形基于TL開關(guān)電源設(shè)計第15頁七、參數(shù)選擇輸出電容：一個工作周期共向輸出電容充電荷⊿Q~0.5(IO)max(0.5TOSC)紋波0.5⊿VP-P=⊿Q/CO，

CO=(3~5)(IO)maxTOSC/2⊿VP-P

CO=C8=220uF能滿足要求注產(chǎn)生紋波兩個原因：1.輸出電容容量有限；2.開關(guān)過程產(chǎn)生過沖，這部分較難濾除。軟啟時間：~100mS。(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpkt續(xù)流管陰極電位VK

、電感電流IL、負載電流IO

(tON)min(tOFF)max儲能充分

(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpk=2(IO)maxt續(xù)流管陰極電位VK

、電感電流IL、負載電流IO

(tON)min(tOFF)max臨界儲能(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxt續(xù)流管陰極電位VK

、電感電流IL、負載電流IO

(tON)min(tOFF)max儲能不足

VO圖五：最大輸入/滿負荷時續(xù)流波形基于TL開關(guān)電源設(shè)計第16頁八、電感繞制鐵氧體磁芯或磁罐(高頻磁性材料、居里溫度~230Ｃ）。漆包線線徑：考慮趨膚效應和機械強度，趨膚效應：調(diào)頻電流只分布在導體表面，30kHz時，穿透濃度~0.2mm，電流密度可按5A/mm2計算。漆包線直徑：0.4mm以上可滿足要求。磁線截面：L~S*S，截面小必匝數(shù)多，匝數(shù)過多引發(fā)飽和，飽和造成功率管、電感線圈與磁芯發(fā)燒，應防止。匝數(shù)：L~N2，設(shè)計時先用柒包線繞若干匝，用電感表測量電感量，按平方正比關(guān)系計算，確定匝數(shù)，再繞。線端刮柒、引至線架、搪錫，用電感表驗證電感量。國產(chǎn)MnZn鐵氧體（低、中頻）磁性材料，磁導率:5000~7000，飽和磁通密度BS:400~530mTtIL基于TL開關(guān)電源設(shè)計第17頁九、設(shè)計步驟與設(shè)計驗證依據(jù)技術(shù)指標進行理論設(shè)計繪制原理圖器件參數(shù)選擇設(shè)計PCB元件檢驗、焊裝設(shè)計驗證通電前外觀檢驗空載通電試驗觀察有否異常溫升觀察輸出電壓、鋸齒波觀察續(xù)流管陰極波形，脈沖過沖是否＜穩(wěn)態(tài)值改變輸入電壓，看波形占空比改變加載試驗半滿負載，觀察溫升情況中等輸入電壓/滿載，觀察溫升和續(xù)流情況最高輸入電壓/滿載，觀察溫升和續(xù)流情況，判斷電感量是否充分；觀察開關(guān)管EC極電壓，判斷其是否工作在飽和與截止兩狀態(tài)，開關(guān)速度是否滿足要求；輸出電壓紋波是否滿足要求最小輸入電壓/滿載，觀察溫升和續(xù)流情況過載試驗輸入電壓分別為最小、中等、最大三種情況，超負載~10%，觀察過載保護是否工作，保護時工作波形工作穩(wěn)定性長時間工作情況（30min）基于TL開關(guān)電源設(shè)計第18頁十、設(shè)計匯報（A4紙打印）設(shè)計題目（2＃黑/居中）設(shè)計人姓名（4＃宋/居中）指導老師姓名（5＃宋/居中）設(shè)計內(nèi)容摘要（5＃宋/縮進2字符）關(guān)鍵詞（5＃宋/縮進2