基于TL494的DC-DC升压稳压变换器设计.doc

电力电子技术课程设计报告1电力电子技术课程设计报告设计课题：基于TL494的脉宽调制电路应用专业班级：08电气(2)班学生学号：学生姓名：指导老师：物理与电子信息工程系电力电子技术课程设计报告2目录一、设计任务要求3二、设计方案分析32.1、DC-DC升压变换器的工作原理42.2、DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系52.3、DC-DC变换器稳压原理62.4、集成脉宽调制控制器TL494介绍6三、主要单元电路设计83.1、DC-DC升压变换器主回路设计83.2、DC-DC变换器控制电路设计10四、系统安装与调试12五、总结12六、附录13电力电子技术课程设计报告3基于TL494的DC-DC升压稳压变换器设计一、设计任务要求基于TL494设计一个将12V升高到24V的DC-DC变换器。在电阻负载下，要求如下：1、输出电压U0=24V。2、最大输出电流I0max=1A。3、当输入UI=1113V变化时，电压调整率SV2%（在I0=1A时）。4、当I0从0变化到1A时，负载调整率SI5%（在UI=12V时）。5、要求该变换器的在满载时的效率70%。6、输出噪声纹波电压峰-峰值U0PP1V（在UI=12V，U0=24V，I0=1A条件下）。7、要求该变换器具有过流保护功能，动作电流设定在1.2A。二、设计方案分析2.1、DC-DC升压变换器的工作原理DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。图1（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由功率开关管VT、储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD组成。电路的工作原理是，当电力电子技术课程设计报告4控制信号Vi为高电平时，开关管VT导通，能量从输入电源流入，储存于电感L中，由于VT导通时其饱和压降很小，所以二极管D反偏而截止，此时存储在滤波电容C中的能量释放给负载。当控制信号Vi为低电平时，开关管VT截止，由于电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D导通，此时存储在电感L中的能量经二极管D对滤波电容C充电，同时提供给负载。电路各点的工作波形如图1（b）。图1DC-DC升压式变换器电路及工作波形2.2、DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系假定储能电感L充电回路的电阻很小，即时间常数很大，当开关管VT导通时，忽略管子的导通压降，通过电感L的电流近似是线性增加的。即：tLUIiILVL，其中ILV是流过储能电感电流的最小值。在开关管VT导通结束时，流过电感L的电流为：ONLVLPTLUIII，iL的增量为ONITLU。电力电子技术课程设计报告5在开关管VT关断时，续流二极管D导通，储能电感L两端的电压为dtdiLUUuLIL0，所以流过储能电感L的电流为：tLUUIiILPL0，当开关管VT截止结束时，流过电感L的电流为OFFILPLVLTLUUIIi0，iL的减少量为OFFITLUU0。在电路进入稳态后，储能电感L中的电流在开关管导通期间的增量应等于在开关管截止期间的减量，即OFFIONITLUUTLU0，所以：IIONIOFFUqUTTTUTTU110，其中TTqON。可见改变占空比大小，就可以获得所需要的电压值，由于占空比总是小于1，所以输出电压总是大于输入电压。2.3、DC-DC变换器稳压原理通过输出电压的关系式可以看出，在输入电压或负载变化，要保证输出电压保持稳定时，可以采用两种方案。第一可以维持开关管的截止时间TOFF不变，通过改变脉冲的频率f来维持输出电压U0的稳定，这便是脉冲频率调制（PFM）控制方式DC-DC变换器；第二可以保持脉冲的周期T不变，通过改变开关管的导通时间TON，即脉冲的占空比q，以实现输出电压的稳定，这就是脉宽调制（PWM）控制方式DC-DC变换器。由于目前已经有各种型号的集成PWM控制器，所以DC-DC变换器普遍采用PWM控制方式。图2是DC-DC升压稳压变换器的原理图，它主要有取样电路、比较放大、PWM控制器和DC-DC升压变换器组成。其稳压原理是，假如输入电压UI增大，则通过取样电阻将输出电压的变化（增大）采样，和基准电压电力电子技术课程设计报告6相比较通过比较放大器输出信号去控制PWM控制器输出脉冲占空比q的变化（减小），结果可使输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM控制器输出脉冲占空比q也自动变化（增大），输出电压仍能稳定。图2DC-DC升压稳压电路的组成2.4、集成脉宽调制控制器TL494介绍TL494集成电路内部电路如图3所示，它由振荡器、D触发器、死区时间比较器、PWM比较器、两个误差放大器、5V基准电压源和两个驱动三极管等组成。当TL494正常工作时，输出脉冲的频率取决于5脚和6脚所接的电容和电阻，表达式为TTCfR1.1，在电容CT两端形成的是锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器，死区时间控制比较器根据4脚所设置的电压大小输出脉冲的死区宽度，利用该脚可以设计电源的软启动电路、欠压或过压电路等。输出调制脉冲宽度是由电容CT端的正向锯齿波和3、4脚输入的两个控制信号综合比较后确定的。当外接控制信号电压大于5脚电压时，9、10脚输出脉冲为低电平（设9、10脚为跟随器输出接法），所以随着输入控制信号幅值的增加，TL494输出脉电力电子技术课程设计报告7冲占空比减小。13脚为输出脉冲模式控制端，当该端为高电平时，两路脉冲输出分别有触发器的Q和Q端控制，两路信号输出互补，即推挽输出，此时PWM脉冲输出频率为振荡器频率的一半，最大占空比为48%。若13脚接地，触发器控制不起作用，两路输出脉冲相同，其频率与振荡器频率相同，最大占空比为96%，为了增大驱动电流的能力，一般使用时可将两路并联输出。TL494内部包含两个误差放大器，若两个误差放大器的反相输入端2、15脚的参考电位一定，当它们的同相输入端电位升高时，输出脉冲的宽度变窄；反之脉冲宽度变宽。所以一般将两个误差放大器的同相和反相输入端分别接到基准信号和反馈信号，使系统完成闭环控制，实现控制对象的稳定。在实际使用中，常利用TL494内部基准电源向外提供+5V基准参考电压，再通过电阻分压网络给误差放大器提供基准电位。图3TL494集成脉宽控制器内部电路图TL494的推荐工作条件见表1。表1TL494推荐工作条件电力电子技术课程设计报告8项目名称最小值典型值最大值单位电源电压7.01540V集电极输出电压3040V集电极输出电流（每只晶体管）200mA放大器输入电压-0.3UCC-2.0V进入反馈断电流0.3mA基准源输出电流10mA定时电阻1.830500k定时电容0.000470.00110F振荡频率1.040300kHz三、主要单元电路设计1、DC-DC升压变换器主回路设计该升压电路结构选择图1所示的电路。该变换电路设计主要是确定关键元件：输出滤波电容C、电感L、开关管VT和二极管D。输出滤波电容的选择假如输出滤波电容C必须在VT导通的TON期间供给全部负载电流，设在TON期间C上的电压降U0，U0为要求的纹波电压。则00UTICON，又因为TUUUTION00，所以0000)(UUfUUICI，选择开关频率等于50KHz，电力电子技术课程设计报告9在本设计给定的条件及要求下，计算输出滤波电容的值为：10F，实际选择100F/50V的电容。储能电感的选择根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部分。假若忽略电路的内部损耗，则变换器的输出能量和变换器的输入能量相等，即00IUIUII，所以LVOFFIIITTIUUII000，即从电源取出的平均电流也就是流入电感的平均电流。电感电流的纹波分量是三角波，在TON期间，电流的增量为LTUIONI；在TOFF期间，电流将下降，其减少量为LTUUIOFFI)(0；在稳态下，II。在选择I时，一般要求电感的峰值电流不大于其最大平均电流的20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或等于零。实际设计时，选择电感电流的增量IONIILTUI4.1，所以0200200004.1)(4.1)(4.1IUfUUUUfUIUUUUITULIIIIIIONI，在开关频率选择50kHz和给定的条件及要求下，计算电感量为42H，实际选择100H/2A的电感。电感可以买成品也可自己绕制。开关管的选择开关管VT在电路中承受的最大电压是U0，考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电压的影响，所以开关管的最大电压应满足1.1×1.2U0。实际在选定开关管时，管子的最大允许工作电压值还应留有充分的余地，