基于占空比调节的电压型pwm控制器

基于占空比调节的电压型pwm控制器

0tl494为数控机床控制器随着电子能源技术的日新月异，对设备的电源要求越来越严格。在各种类型电源中开关电源以其稳定性、高效性和功率密度高等优点而得到越来越多的应用。各种开关技术又以PWM技术为主,通过改变脉冲占空比调节输出电压,达到输出稳定。TL494是一种性能优良的电压型PWM控制器。电压型PWM控制器的原理是将电源输出电压Uo与基准值比较,得到误差电压Ue,该误差电压送入调节器,由调节器输出控制电压U,控制电压与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较,改变PWM的输出占空比,进而控制开关管的通断改变输出电压。本系统利用TL494作为电源核心控制器件,通过对输出电压采样,经计算后利用单片机给出控制电压,调节TL494输出占空比,从而控制后级Boost升压电路的输出,构成反馈回路达到稳压输出的目的。1反馈和保护电路系统由主回路、反馈回路、保护电路、人机交互等部分组成。主回路包括隔离变压器降压部分、整流桥路整流部分以及DC-DCBoost升压部分。反馈回路则包括电压电流采样部分、小信号放大部分、A/D转换部分、控制电压输出部分。保护电路包括电压电流检测及保护等电路。人机交互则包含键盘、显示器控制部分。系统的整体框图如图1。2主要道路设计2.1开关管关断与开通交替本系统采用Boost电路进行DC-DC变换。利用调节开关管的占空比来控制输出电压。开关管关断与开通交替进行,电感L将交替的存储和释放能量,电感L储能后使电压上升。而电容C则将输出电压保持平衡,输出输入电压关系为:Uo=Uin(ton+toff)/toff。只需要通过改变开关管通断占空比即可得到所需输出电压。其原理图如图2。2.2控制端电路组成TL494内置5V基准电压参考源,5脚6脚外接电容与电阻,可产生对应锯齿波后送比较器比较进而产生一定周期的振荡信号,振荡器频率为fosc=1/RTCT。4脚为死区时间控制端,13脚为输出方式控制端。芯片内部包含两个相同的误差放大器,输出端经二极管隔离后送至比较器同相端,与反向端锯齿波电压相比较,并决定输出电压的宽度。调宽过程由3脚的电压控制,也可经误差放大器进行控制。两个放大器可独立使用,用于反馈电压和过流保护。本应用电路中TL494的3脚和13号脚接地,2脚和3脚之间接51kΩ的电阻,1脚作输入端。5脚6脚分别接1000pF的电容和2.7kΩ的电阻,产生50kHz的振荡频率,过流保护措施采用15脚接电阻分压16脚接入动作电压值即可。其实现电路如图3。2.3专用驱动芯片开关管驱动选用IR公司MOSFET专用驱动芯片IR2110如图4所示,输入信号为TL494输出的PWM信号,其输出信号则可直接驱动开关管。2.4精确采集采集由于电流很小时经过A/V转换后的电压值很小,此时需要经过放大后才能精确采集。此处选用PGA程控放大的方式,使采集信号放大0～1000倍,保证小电流和大电流均可通过程序控制采得。2.5d/a转换电路D/A转换器的选取直接关系到系统的输出精度和闭环调节的稳定度,此处选用Maxim公司的串口16位高精度D/AMAX5441作为D/A转换器对TL494输出控制电压。而采用MSP430F449有12位A/D转换器,可满足本系统的数据采集精度要求并且可以降低成本、简化电路。3选择和参数计算设备3.1电池放电稳定性开关场效应管及肖特基二极管的选择:功率MOSFET的栅极驱动需要考虑保护、隔离等问题。IRF540是电压控制型器件,静态时几乎不需要输入电流,但由于栅极输入电容Cin的存在,在开通和关断过程中仍需要一定的驱动电流来给输入电容充放电。栅极电压UG的上升时间tr采用放电阻止型缓冲电路来确定。其缓冲电路的电容Cs和电阻Rs的选择原则是MOSFET在关断信号到来之前,将缓冲电容所积累的电荷放净。如果缓冲电路电阻过小,会使电流波动,MOSFET开通时的漏极电流初始值将会增大。输出滤波元件决定了电源的稳定性,是DC-DC变换器设计中最关键部分。重点是要选择两个元件,一个是输出电感L,另一个是输出电容C。影响电源稳定性的最关键参数是输出电容的ESR,一般越小越好。电容的数据手册一般都会给出电容的最大ESR,而最小ESR通常为最大ESR的40%～60%。可以通过多个电容并联的方法来降低ESR提高电路的瞬态响应。此外,在选择电容的时候,电容的温漂也要适当考虑。滤波电容CB=Ιo(Uo-Uin)UofΔUo‚ΔUoCB=Io(Uo−Uin)UofΔUo‚ΔUo取20mV。则CB取值为2200μF。为减小输出的电压纹波,可在输出电压端并联多个低等效电阻的电解电容。电感:由公式:LB=U2in(Uo-Uin)mΙofU2oLB=U2in(Uo−Uin)mIofU2o,电感取值为280μH。占空比:输出电压变化范围30～36V,由公式:Uo/Uin=1/(1-D)可计算出占空比变化范围为0.109～0.4697。3.2开关管及电路损耗的计算在U2=18V,输出电压Uo=36V,输出电流Io=2A的测试条件下。由系统的额定功率Po=72W,为使效率达到90%以上则要求输入功率为80W,允许损耗的功率为8W。电路的功率损耗主要有开关损耗、电感储能损耗、整流二极管损耗、数字电路损耗。(1)开关管的损耗包括开关损耗与导通损耗。开关管的损耗直接与开关频率有关系,其功率损耗的计算公式为Ρ=Ι2RΤonf+0.5×2∫50i2Rf。取Ton=T/2,f=50kHz。则开关管的损耗约为1.5W。(2)肖特基二极管的损耗。当二极管导通时流过二极管的电流等于电感电流,约为Io=Iin=3.86A。为降低损耗可以采用双管并联的方式,每只二极管的电流约为1.8A,对应其UD=0.42V。二极管导通损耗PD=IOUDD=1.4W。(3)储能电感损耗。储能电感损耗公式如下:PIND=PCu+PFe=I2rmsRe+ΔBm。其大致功率为1.1W。(4)数字电路的损耗包括D/A、单片机、LCD、TL494和IR2110以及采样电路等元器件的工作损耗。计算其损耗大致为1W。经计算可得到系统功率损耗约为5W,其效率甚至可达到93.6%。4d/a输出保护系统初始化完毕后输出30V直流电压,然后等待键盘中断。若检测到有输入值则单片机通过控制D/A的输出调节输出电压,然后显示出此时系统电压电流。若没有中断则显示当前电压电流。若检测输出过压或过流,则跳入保护程序。程序流程图如图5。5实际输出率测试设计的开关电源系统测试结果如下:(1)输出电压可调范围测试(负载RL=45Ω)经测试发现本电路输出范围可达到30～36V,步进0.5V。设定值与实际输出值对应表如表1。(2)负载调整率(U2≈18V,UO≈36V)见表2。负载调整率S1≈(36.04-35.55)/36=0.25%。(3)电压调整率(Uo=36V,Io=2A)见表3。则电压调整率计算得Su≈(36.09-36.05)/36=0.