开关直流降压电源(BUCK)设计.doc

开关直流降压电源（BUCK）设计摘要随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。近年来,随着功率电子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技术以及电源理论发展 ,新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。该电路具有体积小，控制方便灵活，输出特性好、纹波小、负载调整率高等特点。开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文采用双端驱动集成电路TL494输的PWM脉冲控制器设计开关电源，利用MOSFET管作为开关管，可以提高电源变压器的工作效率，有利于抑制脉冲干扰，同时还可以减小电源变压器的体积。关键词：直流，降压电源，TL494，MOSFET目录摘要1Abstract11.方案论证与比较31.1 总方案的设计与论证31.2 控制芯片的选择31.3 隔离电路的选择32. BUCK电路工作原理43. 控制电路的设计及电路参数的计算63.1 TL494控制芯片63.2 电路参数的计算73.2.1电感值的计算73.2.2 线圈圏数计算74. 实验结果以及分析74.1实验结果7设计小结9参考文献9前 言电源是实现电能变换和功率传递的主要设备、在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，如：节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。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，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、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。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。1.方案论证与比较1.1 控制芯片的选择方案一：选择MC34063控制芯片。该器件本身包含了DCDC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DCDC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。方案二：采用TL494芯片。它是一种固定频率脉宽调制电路，主要为开关电源电路而设计，在开关电路中比较常见。综合对芯片的熟悉程度以及考虑到本次设计是比较小的手工制作电路，所以选择方案二最为合宜。2 开关电源的组成2.1基本环节开关电源由以下四个基本环节组成，见图2-1所示。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，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放大，整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其它信号；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，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，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。DC/DC变换器有多种电路形式，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，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，由于反馈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。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的方法改善瞬态响应特。图2-1 电源基本组成框图2.2推挽式放大器一种功率放大器。由一对参数相近的晶体管，交替工作在信号的正、负两个半周期成一推一挽形式的功率放大器。通常工作在乙类状态，两管集电极电流交替出现并合成在负载上，输出功率和效率大于单管功率放大器。在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路，这种电路中用两只三极管构成一级放大器电路，两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周，即用一只三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。 推挽放大器电路中，一只三极管工作在导通、放大状态时，另一只三极管处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，原先导通、放大的三极管进入截止，而原先截止的三极管进入导通、放大状态，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。 图2-2推挽放大电路2.3 BUCK电路工作原理图2-3. BUCK电路图降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如上所示。该电路使用MOS管作为开关。在上图中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。若负载中无反电动势时，只需令Em=0。电路的工作波形如下所示：图2-2. 电流连续时波形图由图2-2中的V的栅射电压波形可知，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。当t=时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值很大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为 ；式中，为V处于通态的时间；为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由此式知，输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。负载电流的平均值为 ，若负载中的L值较小，则在V关断后，到了时刻，如图7所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为脉冲宽度调制（PWM方式）。2） 保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制。3） 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。本次设计电路采用PWM方式控制MOSFET的通断。图2-3. 电流断续时波形以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。由于L为无穷大，故负载电流维持为不变。电源只在V处于通态时提供能量，为。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为。一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：则：与上述结论一致。在上述情况中，均假设L值为无穷大，且负载电流平直。在这种情况下，假设电源电流平均值为，则有：其值小于等于负载电流，由上式得 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。3.双端驱动集成电路TL4943.1 TL494简介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。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。TL494能产生PWM，能调整频率和脉宽，还有一路基准电压，这些都满足DC-DC的条件，采用不同拓扑，得到升压和降压，如图3-1所示：图3-1 TL494外形图TL494其他主要特点如下：(1) 集成了全部的脉宽调制电路。(2) 片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)。(3)内置误差放大器。(4)内止5V参考基准电压源。(5)可调整死区时间。(6)内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。(7)推或拉两种输出方式。3.2 TL494的工作原理TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的电阻RT和电容CT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%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在03.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 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。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围。3.3 TL494内部电路图3-2 TL494内部电路框图TL494是一种电压控制模式的PWM控制和驱动集成电路芯片，由于它具有两路相位相差180的PWM驱动信号输出，因此被广泛的应用与单端式（正极式和反极式）和双端式（半桥式、全桥式和推挽式）开关稳压电源电路。总体结构比同类集成电路SG3524更完善。TL494内部电路框图见图3-2。 (1)内置RC定时电路设定频率的独立锯齿波振荡器，其振荡频率：,取R=4.7K欧姆，C103.计算得。式中，f单位为KHz，R的单位为k，C的单位为F，其最高振荡频率为300KHz，能驱动双极型开关管或MOSFET管。(2)内部设有比较器组成的死区时间控制电路，用外加电压控制比较器的输出电平，通过其输出电平使触发器翻转换，控制两路输出之间的死区时间。当脚输出电平升高时，死区时间增大。(3)触发器的两路输出设有控制电路，使内部2只开关管既可输出双端时序不同的驱动脉冲，驱动推挽开关电路和半桥开关电路，也可输出同相序的单端驱动脉冲，驱动单端开关电路。(4)内部两组完全相同的误差放大器，其同相输入端和反相输入端均被引出芯片外，因此可以自由设定其基准电压，以方便用于稳压取样，或用其中一种作为过压、过流的超阈值保护。(5)输出驱动电流单端达到400mA，能直接驱动峰值开关电流达5A的开关电路。双端输出为2200mA，加入驱动级即能驱动近千瓦的推挽式和半桥式电路。若用于驱动MOSFET管，则需另加入灌流驱动电路。 时序图如图3-3所示。TL494若将13脚与14脚相连可形成推挽式工作；若将13脚与7脚相连可形成单端输出方式。为增大输出可将2个三极管并联。 图3-3时序图3.4 TL494构成的PWM控制器电路PWM控制器电路其核心采用专用集成芯片TL494，原理见图3-4所示，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。OSC振荡频率由外接元件R，C决定，表达式为：fOSC可选定1KHz200KHz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，并通过14脚对外输出+5V基准电源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。来自温度传感器AD590所检测的电池温度信号TF由微机处理后引入到16脚，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4脚，当充电电流超过给定值时封锁输出脉冲，关断IGBT。图3-4 TL494脉冲宽度调制电路芯片14脚输出基准电压通过电阻分压进入15号脚作来与16号反馈信号进行比较的基值。从主电路输出端引出的反馈信号即16号脚，与15号脚的基值进行比较，从面调节8号脚和11号脚输出的脉冲信号的占空比，从而达到调节MOS管的开通与关断的频率与时间，最终实现输出端输出理想的稳定的电压值。本次设计选择输入15V，输出8V。4 电路参数的计算4.1电感值的计算由于产生脉冲的芯片相应R4.7K欧姆，C103.则芯片产生的脉冲频率为f=1.1/(RC).计算得f=23.4KHZ.在电感充放电一个周期内：得 开通时 对于BUCK电路，开通时， D=Uo/Ui=15/8=0.533所以 IL取1A故计算得出 L4.2 线圈圏数计算由公式：，可得匝数N10圈实际绕制12圈，测得L=3135. 电路设计总图图5-1 电路设计总图6. 电路调试及结果分析6.1实验调试检查电路焊接无错误后开始进行调试，步骤如下：1. 断开电感，输入接15V，输出接8V。2. 调节人R10是TL494的15号引脚输出为2.5V。3. 调节人R1是TL494的16号引脚输出为2.5V。4. 接上电感