逆变电源毕业设计(论文)---基于TL494逆变电源设计.doc

i 基于 tl494 逆变电源设计 摘 要 本设计主要应用开关电源电路技术有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成 电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片 tl494 的固定频率脉 冲宽度调制电路及场效应管（n 沟道增强型 mosfet）的开关速度快、无二次击 穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。该逆变电源的主要组成部分为： dc/dc 电路、输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、dc/ac 变换电路、振荡电路、全桥电路。在工作时的持续输出功率为 150w，具有工作 正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造 成本较为低廉，实用性强，可作为多种便携式电器通用的电源。 关键词：过热保护，过压保护，集成电路，振荡频率，脉宽调制 inverter power supply design based on tl494 ii abstract the design applying the switching power source circuit technology in connected. relating with knowledge about what imitate integrated circuit、power source integrated circuit、power amplification integrated circuit and switching regulated voltage circuit on principle. sufficient apply chip tl494 fixed-frequency pulse width modulation circuit and field effect transistor (n channel strengthen mosfet) whose switch speed quick, nothing secondary break down and hot stability good merit to design circuit. owe the inverter main part ingredient by dc/dc circuit、importing the over-voltage crowbar circuit、exporting an over-voltage crowbar protect a circuit、overheat protective circuit、dc/ac shifts circuit、oscillating circuit and entire bridge circuit. continuing for during the period of the job exports power functions such as being 150 w, having the regular guiding lights working, exporting an over-voltage crowbar, importing the over-voltage crowbar and overheat protective. the cost of manufacture being a power source of turn is comparatively cheap, the pragmatism is strong, and it has a function annex to the various portably type. key words: over heat protective, over-voltage integrated circuit (ic), oscillating frequency, pulse width modulation (pwm). 目 录 前 言.1 iii 第 1 章 简介.3 1.1 概述.3 第 2 章 逆变电源原理与构成.4 2.1 逆变电源的基本构成和原理.4 2.1.1 逆变电源的基本构成和原理.4 2.1.2 逆变电源的技术性能指标及主要特点.7 2.2 逆变电源的主要元器件及其特性.7 2.2.1 tl494 电流模式 pwm 控制器.7 2.2.2 场效应管.11 2.2.3 三极管12 第 3 章 各部分支路电路设计及其参数计算.13 3.1 各部分支路电路设计及其参数计算.13 3.1.1 dc/dc 变换电路.13 3.1.2 输入过压保护电路14 3.1.3 输出过压保护电路15 3.1.4 dc/ac 变换电路.16 3.1.5 tl494 芯片外围电路18 3.1.6 tl494 芯片外围电路18 3.1.7 逆变电源的整机电路原理图19 3.1.8 电路的元件参数表19 第 4 章 调试.20 结 论.21 谢 辞.22 附录 a 整机原理图23 附录 b 元件参数表25 附录 c 元件参数表.26 附录 d 整机 pcb 板(两面)27 参考文献.29 外文资料翻译.30 iv 1 前 言 开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流 直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源（switched mode power supply-smps） 。其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军 事等各个领域。彩色电视机、vcd 播放机等家用电器、医用 x 光机、ct 机，各 种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫 星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳 流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采 用晶闸管的相控电源相比具有效率高和体积小、重量轻两个明显的优点。因为具 有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。 值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常 低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于 510mv）的情况下，仍需要线性电源， 由于大功率全功率非常大（1mw 以上）时，仍需采用相控电源。但随着控制技 术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在 不断扩大。 开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态，所以称为开关电源，其原 理是用整流电路先把交流变成直流，再用开关管把直流电变成高频的直流电，这 个高频直流在通过开关变压器时，在次级感应出交流电流，再通过整流滤波后， 变成平稳的直流电，同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的比例 （占空比） 。由于开关变压器的频率很高，同样的功率，体积可以做的很小，所 以整个电源可以做到体积小重量轻。开关电源能输出多种可控的直流电压供不同 的电路使用。 目前逆变电源应用广泛，但是电路复杂，价格比较昂贵，为此设计一款逆变 电源。该电源主要应用开关电源电路技术的有关知识，涉及模拟集成电路、电源 集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片 tl494 的固定频 率脉冲宽度调制电路1和场效应管2（n 沟道增强型 mosfet）的开关速度快、 2 无二次击穿、热稳定性好的优点与三极管一起构成的组合设计电路。 该逆变电源可将电瓶的 12v 直流电转换为 220v/50hz 的交流电，供数码相机、 cd 机、md 唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品 使用。因此具有相当强的通用性。 该逆变电源在工作时的持续输出功率为 150w，并且具有输出过压保护、输 入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造成本较为低廉，千台以上数量的 批产成本仅在 40 元/台左右，并且当印制板的尺寸不受限制时，可以将输出功率 做到 200w 以上，因此该逆变电源几乎可以替代目前市场上所售的各种逆变器或 者逆变电源产品，其应用前景十分广阔。 第 1 章 简介 3 1.1 概述 逆变电源是将直流点逆变成交流电，本设计逆变电源工作是的持续输出功率 为 150w，并且具有输出过压保护以及过热保护等功能。该电源的制作成本低， 批量生产成本更低，并且当印制板尺寸不受限制时，可以将输出功率做到 200w 以上，因此该逆变电源的市场前景十分广阔。本逆变电源可将电瓶的 12v 直流电 转换为 220v/50hz 的交流电，供数码相机、cd 机、md 唱机、笔记本电脑、小 型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品使用。因此具有相当强的通用性。 第 2 章 逆变电源原理与构成 4 2.1 逆变电源的基本构成和原理 2.1.1 逆变电源的基本构成和原理 以图 2-1 的单向桥式逆变电源为例说明其最基本的工作原理。图中 s1-s4是 桥式电路的 4 个臂，他们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关 s1、s4闭合， s2、s3 断开时，负载电压 u0为正；带开关 s1、s4断开，s2、s3闭合时 u0为负， 其波形如图 2-2 所示，这样就把直流点变成交流电，改变两组开关的切换频率， 即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路的最基本得工作原理。当负载为电 阻时，负载电流 i0和电压 u0的波形形状相同，相位也相同，当负载为阻感时，i0 相位滞后于 u0，两者波形的形状也不同，图 2-2 给出的就是阻感负载时的 i0波形。 设 t1 时刻以前 s1、s4导通，u0和 i0均为正。在 t1时刻断开 s1、s4，同时合上 s2、s3，则 u0的极性立刻变为负，但是，因为负载中有电感，其电流方向不能立 刻改变而仍维持原方向，这时负载电流从直流电源负极流出，经 s2、负载和 s3 流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到 t2时 刻降为零，之后 i0才反向并逐渐增大。s2、s3断开，s1、s4闭合时的情况类似。 上面是 s1 s4均为理想开关时的分析，实际电路的工作过程要复杂一些。 ud s1 s2 负载 u0 s3 s4 i0 图 2-1 逆变电路 5 t u0 t1 t2 i0 图 2-2 逆变电路波形 1. 本设计的基本构成及其原理 该设计电路的方框图如图 2-3。该电路由 12v 直流输入、输入过压保护电路、 过热保护电路、逆变电路 i、220v/50khz 整流滤波、逆变电路 ii、输出过压保护 电路等组成。逆变电路 i、逆变电路 ii 的框图分别见图 3、图 4。逆变电路又包括 频率产生电路（50khz 和 50hz pwm 脉冲宽度调制电路） 、直流变换电路(dc/dc)将 12v 直流转换成 220v 直流、交流变换电路(dc/ac)将 12v 直流变换为 220v 交流。 图 2-3 整机原理方框图 逆变电路 i 原理如图 2-4 所示。此电路的主要功能是将 12v 直流电转换为 220v/50khz 的交流电。 6 图 2-4 逆变 i 电路原理方框图 逆变电路 ii 如图 2-5 所示。此电路的主要功能是将 220v 直流电转换为 220v/50hz 的交流电。全桥电路以 50hz 的频率交替导通，产生 50hz 交流电。 图 2-5 逆变 ii 电路原理方框图 2. 电路工作原理 输入 12v 直流电源电压，经过逆变电路 i 得到 220v/50khz 的交流电，此交 流电再经过整流滤波电路得到 220v 高压直流电，然后经过逆变 ii 得到 220v/50hz 交流电。其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路 构成整个电路的保护电路。一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路立即启 动，然后停止逆变电路 i 的工作。过热保护电路是当电路工作温度过高时，启动 保护使逆变电路 i 停止工作。输出过压保护电路与逆变电路 ii 构成反馈回路，一 旦电路输出异常则停止逆变电路 ii 的工作。在逆变电路 i 中是用一块 tl494 芯片 产生 50khz 的脉冲频率，经过变压器推挽电路将 12v 直流转换成 220v/50khz 7 的交流电。在逆变电路 ii 中再用一块 tl494 芯片产生 50hz 的脉冲波，全桥电路 以 50hz 的频率交替导通，从而将 220v 直流和 50hz 脉冲电路整合，然后输出 220v/50hz 的交流电。在该电路中都是利用 tl494 的输出端作为逆变电路工作状 态的控制端。 2.1.2 逆变电源的技术性能指标及主要特点 1. 输入：12v 直流（汽车蓄电池） 。 2. 输出：220v 交流（非正弦波） 。 3. 输出功率：大于 100w。 4. 具有输入过压保护和输出过压保护。 5. 有过热保护功能。 6. 可作为多种电器的通用电源。 7. 含有工作正常指示灯。 2.2 逆变电源的主要元器件及其特性 2.2.1 tl494 电流模式 pwm 控制器 tl494 是一种固定频率脉冲宽度调制电路1，它包含了开关电源控制所需的 全部功能，广泛用于单端正激双管式、半桥式以及全桥式开关电源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求。 1. 主要特征 集成了全部的脉冲宽度调制电路。 tl494 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） 。 tl494 内置误差放大器。 tl494 内置 5v 参考基准电压源。 可调整死区时间。 tl494 内置功率晶体管，可提供 500ma 的驱动能力。 有推或拉两种输出方式。 2. 引脚设置及其功能 8 tl494 的内部电路由基准电压产生电路、振荡器、死区时间比较器、误差放 大器（两个） 、pwm 比较器以及输出电路等组成，各引脚功能见表 2-1。 表 2-1 tl494 引脚功能表 引脚符号功能典型电压 1v1(+)误差放大器 1 误差信号输入端（同相信号端）2.6 2v1(-)误差放大器 1 误差信号输入端（反相信号端）2.6 3voutc误差放大器 1 和 2 输出信号补偿元件连接段4 4cont死区控制信号输入端，所加控制电压可调输出脉冲宽度0.3 5ct振荡器外接振荡电容连接端，与 6 脚外接的电阻一起可产 生频率 f=1.1/rc 的锯齿信号 0.4-4v 6rt振荡器外接振荡电阻连接端，见 5 脚说明3.7 7gnd基准电源电源电路接地线端0 8ca推挽电路输出信号端 a,输出电压可达 40v,电流为 200ma（反相输出） 0-15v 9ea推挽电路输出信号端 a,属同相信号输出端0 10eb推挽电路输出信号端 b,属同相信号输出端0 11 cb推挽电路输出信号端 b，输出电压可达 40v，电流为 200ma(反相输出) 与 8 脚等相位差 180 度的脉冲波 12vccin工作电源电压输入端25 13out con 输出方式设定信号输入端。当该脚接基准电压是，输出呈 推挽型，输出方波最大占空比为 48；当该脚接地是内部 二个输出晶体管并联工作输出电流可达 400ma，最大占空 比为 96 5 14+5+5v 基准电源输出端，可输出 5v 的基准参考电压5 15v2(-)误差放大器 2 误差信号输入端（反相信号端）5.4 16v2(+)误差放大器 2 误差信号输入端（同相信号端）0 3. 工作原理 tl494 是一个固定频率 pwm 控制电路，其内部结构如图 2-6 所示。tl494 适用于设计所有的单端或双端开关电源电路，其主要性能如下： 9 图 2-6 tl494 内部结构图 1. 输入电源电压为 740v，可用稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简 化。tl494 末级的两只三极管在 740v 范围工作时，最大输出电流可达 250ma。因此，其带负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联 工作，小功率时可直接驱动。 2. 内部有 5v 参考电压，使用方便，当参考电压短路时，有保护功能，控制 很方便。 3. 内部有一对误差放大器，可做反馈放大及保护功能，控制非常方便。 4. 在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中又需要方波人 为不对称，即需控制方波的占空比。通过对 tl494 的 4 脚控制，即可调节占空比， 还可作输出软启动保护用。 5. 可以选择单端、并联及交替三种输出方式。 tl494 的 1 脚及 2 脚为误差放大器的输入端。由 tl494 芯片构成电压反馈电 路时，1、2 脚上通过电阻从内部 5v 基准电压上取分压，作为 1 脚比较的基准。 3 脚用于补偿校正，为 pwm 比较器的输入端，接入电阻和电容后可以抑制振荡， 4 脚为死区时间控制端，加在 4 脚上的电压越高，死区宽度越大。当 4 脚接地时， 10 死区宽度为零，即全输出；当其接 5v 电压时；死区宽度最大，无输出脉冲。利 用此特点，在 4 脚和 14 脚之间接一个电容，可达到输出软启动的目的，还可以 供短路保护用。5 脚及 6 脚接振荡器的接地电容、电阻。 tl494 内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻 和一个电容进行调节，其振荡频率如式 2-1： (2-1) 1 fosc ctrt = 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 行比较而实现的。三极管 vt1和 vt2受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号 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时才会被选通。当控 制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。 控制信号由集成电路外部输入，其中一条送至死区时间比较器，另一路送往 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%。当输出端接地时，最大输出占空比 为 96%，当输出端接参考电平时，占空比为 48%。在死区时间控制端上接固定电 压（在 0-3.3v 之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 pwm 比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一个手段：当反馈电压 从 0.5v 变为 3.5v 时，输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降 到零。两个误差放大器具有从-0.3v 到 ucc-2.0v 的共模输入范围，这可从电源的 输出电压和电流中察觉到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与 pwm 比较 器反相输入端进行“或”运算。正是由于这种电路结构，误差放大器只需最小的输 出即可支配控制回路。 当 ct放电时，一个正脉冲将出现在死区时间比较器的输出端，受脉冲约束的 双稳态触发器进行计时，同时停止 vt1和 vt2的工作。若输出控制端连接到参考 电压上，那么调制脉冲交替送至两个三极管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。 如果工作于单端状态，且占空比小于 50%时，则输出驱动信号可分别从 vt1和 vt2中取得。输出变压器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模 式下，当需要更大的驱动电流输出时，可将 vt1和 vt2并联使用，这时需将输出 模式控制端接地，以关闭双稳态触发器。在这种状态下，输出脉冲的频率将等于 振荡器的频率。 11 tl494 内置一个 5v 的基准电压产生电路，使用外置偏置电压时，可提供高 达 10ma 的负载电流。在典型的 070温度范围和 50 mv 电压的温漂条件下， 该基准电压产生电路能提供5%的精度。 表 2-2 tl494 的极限参数 tl494 的极限参数 名称代号极限值单位 工作电压vcc42v 集电极输出电压vc1,vc242v 集电极输出电流ic1,ic2500ma 放大器输入电压范围vir-0.3v - +0.4vv 功耗pd1000mw 热阻rbja80 工作结温tj125 工作环境温度 tl494b tl494c tl494i ncv494b ta -40 - +125 0 - +70 -40 - +85 -40 - +125 额定环境温度ta40 2.2.2 场效应管 场效应管（fet）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半 导体器件3，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单机型 晶体管，场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且 输入回路的内阻高达 107-1012，噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比后者 耗电省，这些优点使之从 20 世纪 60 年代诞生起就广泛地应用于各种电子电路之 中。它分为结型和绝缘栅型两种不同的结构 场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。 它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件3。其代表符号如图 2-7。这 12 种器件不仅兼有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等 特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简 单等优点，因此大大的扩展了它的应用范围，特别是在大规模和超大规模集成电 路中得到了广泛的应用。mosfet 开关较快而无存储时间，故在较高工作频率下 开关损耗较小，另外所需的开关驱动功率小，降低了电路的复杂性。本设计采用 的是 n 沟道增强型 mosfet。只有在正的漏极电源的作用下，在栅源之间加上正 向电压（栅极接正，源极接负） ，才能使该场效应管导通。当0 时才有可能vgs 有电流即漏极电流产生。即当时 mos 管才导通。0vgs 图 2-7 mosfet 代表符号图 2.2.3 三极管 本设计选用两种三极管，电路中有 50khz 和 50hz 两个频率，用于 50khz 电路三极管选择为 8550 型4，8550 型三极管是一种常用的普通三极管，它是低 电压、大电流、小信号的 pnp 型硅三极管，集电极-基极电压 vcbo：-40v，工作 温度：-55+150主要用途：开关应用和射频放大。用于 50hz 低频三极管选 择 ksp44 型，它是 npn 型三极管。三极管工作状态有截止、放大、饱和。此设 计电路中运用三极管导通截止开关特性。 第 3 章 各部分支路电路设计及其参数计算 3.1 各部分支路电路设计及其参数计算 3.1.1 dc/dc 变换电路 由 dc/ac 和整流滤波电路组成5。电路结构如图 3-1，vt1和 vt2的基极分 13 别接 tl494 的两个内置晶体管的发射极。中心器件变压器 t1，实现电压由 12v 脉冲电压转变为 220v 脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成 220v 高压 直流电压。变压器 t1 的工作频率选为 50khz 左右4，因此 t1 可选用 ei33 型的 高频铁氧体磁心变压器，变压器的匝数比为 122200.05，变压器选择为 e 型， 可自制。经过实践调制选择初级匝数为 102，次级匝数为 190。10/1900.05 即满 足变压器匝数比约为 0.05。电路正常时， tl494 的两个内置晶体管交替道统， 导致图中晶体管 vt1、vt2的基极也因此而交替导通，vt3和 vt4 交替导通。因 为变压器选择为 e 型，这样使变压器工作在推挽状态，vt3和 vt4以频率为 50khz 交替导通，使变压器的初级输入端有 50khz 的交流电。当 vt1导通时， 场效应管 vt3因为栅极无正偏压而截止，而此时 vt2截止，导致场效应管 vt4栅 极有正偏压而导通。当 vt1导通时，vt2截止，场效应管 vt3因为栅极无正偏压 而截止，而此时 vt2截止，导致场效应管 vt4栅极有正偏压而导通。且交替导通 时其峰值电压为 12v，即产生了 12v/50khz 的交流电。当电路工作不正常时， tl494 输出控制端为低电平时，tl494 的两个内置晶体管的集电极（8 脚和 9 脚） 有 12v 正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。vt1和 vt2因为基极都 为高电平而饱和导通，而场效应管 vt3、vt4将因栅极无正偏压都处于截止状态， 逆变电源停止工作，led 指示灯熄灭。极性电容 c1滤去 12v 直流中的交流成分， 降低输入干扰。滤波电容 c1可取为 2200。r1、r2、r3起限流作用，取值为f 4.7。整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管k d1d4接成电桥的形式，称单相桥式整流电路2。在桥式整流电路中，电容 c2滤 去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路2知： td=rc(35)t/2 (3-1) 当 f=50khz 时，r=116时，r 为后继负载电阻，则 1 50 t khz =k c4.310-10f。根据电容标称值选择 c2为 10。输出 220v 高压直流电，f 供后继逆变电路使用。 14 图 3-1 直流变换电路图 3.1.2 输入过压保护电路 电路结构如图 3-2，由 dz1、电阻 r1和电阻 r2、电容 c1、二极管 vd1组成。 输出端口接 tl494 芯片 i 的同相输入端（第 1 脚） ，通过该芯片的误差比较器对 其输出进行控制6，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。 因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间 过大电压进行负载保护。vd1、c1、r1组成了保护状态维持电路，只要发生瞬间 的输入电压过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿 c1和 r1支路充电，继续维 持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。当 c1和 r1充电完 成，c1和 r2支路开始处于放电状态，当 c1放电完成时，tl494 芯片 i 的同相输 入端由低电平翻转为高电平，导致 tl494 芯片 i 的 3 脚即反馈输入端为高电平状 态，进而导致 tl494 芯片内部的 pwm 比较器、或门、或非门的输出均发生翻转， tl494 芯片内置功率输出级三极管 vt1和 vt2均转为截止状态。此时将导致直流 变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。同时 tl494 的 4 脚 为高电平状态，4 脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的 电位，使该比较器的输出为恒定的高电平，由 tl494 芯片内部结构知，芯片内置 三极管截止，从而停止后继电路的工作。稳压管的稳压值一般为输入电压的 100%130%。稳压管 dz1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值。考虑到 15 汽车行驶过程中电瓶电压的正常值变化幅度大小，通常将稳压管的稳压值选为 15v 或者 16v 较为合适。在此取为 15v，稳压管的功率为 0.15w。r1取为 100 ，r2、r3均取为 4.7，c1、c2均取为 47。kkf 图 3-2 输入过压电路保护图 3.1.3 输出过压保护电路 电路结构如图 3-3，当输出电压过高时将导致稳压管 dz1击穿，使 tl494 芯 片 ii 的 4 脚对地的电压升高，启动 tl494 芯片 ii 的保护电路，切断输出。 vd1、c1、r2组成了保护状态维持电路，r3、r4为保护电阻，用以增大输出阻抗。 稳压管的稳压值一般规定为输出电压的 130%150%7。后继电路为 220v/50hz 输 出，其中负载电阻为 100，tl494 芯片 ii 的输出脚电压最大为 12v，r1为限k 流电阻可取值为 100，r2为保护电阻可取为 16，根据电路分压知识8，kk 则 r2上的电压为： u=r2220/(r1+r1)=220 16/11630.34v (3-2) 即稳压管的电压取值最大为 30.34v，这里稳压管取值为 30v。 图 3-3 输出过压电路保护图 16 3.1.4 dc/ac 变换电路 电路结构如图 3-4，该变换电路为全桥桥式电路6。其中 tl494 芯片的 8 脚 和 11 脚为内置的两个三极管的集电级，且两个内置三极管是交替导通的，变替 导通的频率为 50hz。图中 8 脚和 11 脚分别接入了上下两部分完全对称的桥式电 路，因为两三极管交替工作，工作频率为 50hz，所以选用桥式电路，目的在于得 到 50hz 交流电。上下两部分电路工作过程完全相同。选其中一部分作为说明。 这里将其简化如图 3-5。图中 vt0为 tl494 芯片 ii 的一个内置三极管设为 vt00，另一个设为 vt01。当 vt00 导通时，即 vt01截止时：vt1的基级没有正偏 压，从而使 vt1 截止，然后 vt3的栅极有 12v 正偏电压，使 vt3导通。而 vt4 因为栅极无正偏压截止，输出 220v 电压。当 vt00截止时，即 vt01导通时：vt1 基级有 12v 正偏压，集电极有 12v 反向电压，从而导通。vt3的栅极无正偏电压， 从而使 vt3截止。而 vt4因为栅极有 12v 正偏压导通。因为 vt3截止，220v 电 压无法送至输出。但此时下半部分的电路有 220v 电压输出。因为此时 tl494 芯 片 ii 的另一个内置三极管 vt01导通，它的集电极即第 11 脚使逆变电路 i 有 220v 电压输出。原理同上。上下两部分以频率为 50hz 而交替导通，从而使电路有 220v/50hz 的交流电输出。由于 tl494 芯片为脉冲调制器，其产生的波形为脉冲 波而不是正弦波。vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6应选择低频小功率型的。这 里 vt1和 vt2为晶体三极管可选择 ksp14 型，vt3、vt4、vt5和 vt6为场效应 管可选择为 irf740 型。限流电阻可选择 10、1、4.7、3.3的经典kkkk 取值。c1、c2和 c3均为平滑输出的吸收电容。c1和 c2可取为 10，c3取为f 0.01。f 17 图 3-4 dc/ac 转换电路图 图 3-5 简化图 3.1.5 tl494 芯片外围电路 电路结构如图 3-6，包含过热保护电路及振荡电路。15 脚为芯片 tl494 的反 相输入端，16 为同相输入端，电路正常情况下 15 脚电压应略高于 16 脚电压才能 18 保证误差比较器 ii 的输出为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯 片内置 5v 基准电压源，负载能力为 10ma。所以 15 脚电压应高于 5v。15 脚电 压计算式为： (3-3) 212t u=12 r /(+r +r )r 这里为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在 150300 范围内任选，适当rt 选大写可提高过热保护电路启动的灵敏度。这里取 200。r1取 36，r 取 39k ，则 15 脚电压为 6.22v。符合要求。该脉宽调制器的振荡频率为 50khz，由k 公式（2-1）知,图中 c2、r3为芯片的振荡元件。c2即为，r3即为 tt 1 osc f c r =ct 。其中取为 50khz，c2取 4700，则 r3取 4.3。rtfoscpfk 图 3-6 tl494 芯片 i 外围电路 3.1.6 tl494 芯片外围电路 电路结构如图 3-7，同样 15 脚为芯片 tl494 的反相输入端，16 脚为同相输 入端，电路正常情况下 15 脚电压应略高于 16 脚电压才能保证误差比较器 ii 的输 出为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯片内置 5v 基准电压源， 由图可知 15 脚的电压为 5v，16 脚的电压为 0v。芯片内置比较器 ii 的输出为低 电平。5 脚和 6 脚为振荡器的定时电容和定时电阻接入端。因为要使输出频率为 19 50hz，由公式知：当取为 220时， ct=9.09 10-8 ，可取为 tt 1 osc f c r =rtkf 0.1。c1和 r2是芯片的振荡元件，即是 r2 取值为 220，c1取值为 0.1。fkf 芯片的 8 脚和 11 脚接逆变电路 ii，4 脚接输入过压保护电路。电容 c2取值为 47 ，电阻 r3取值为 10，当输入过压保护电路启动后，使电容 c2对 r3放电，fk 使 4 脚保持为低电平，使 tl494 芯片 ii 的电路维持一端时间，直到 c2放电完毕， 则使 4 脚为高电平，抬高死区电压，从而使芯片 ii 停止工作。 图 3-7 tl494 芯片 ii 外围电路 3.1.7 逆变电源的整机电路原理图 3.1.8 电路的元件参数表 第 4 章 调试 20 该逆变电源在接通 12v 直流电源后，led 指示灯亮，说明电路工作正常。由 于该电路设有上电软启动9功能，在接通电源后要等 7s 左右才有 220v 直流输出。 若发生输入电流过大、输出电压过大或者电路工作环境过热的情况均会使 led 指示灯变暗，说明逆变电路停止工作。若在接通电源后要等 10s 左右指示灯还没 有点亮，说明逆变电路有问题或者 led 灯极性安装反了。该电路的 pcb 板10示 意图见附录 c。 结 论 逆变电源应用广泛，但是电路复杂，价格比较昂贵，为此设计一款逆变电源。 21 该电源主要应用开关电源电路技术的有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成电 路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片 tl494 的固定频率脉冲 宽度调制电路1和场效应管2（n 沟道增强型 mosfet）的开关速度快、无二次 击穿、热稳定性好的优点与三极管一起构成的组合设计电路。 该逆变电源在工作时的持续输出功率为 150w，并且具有输出过压保护、输入 过压保护以及过热保护等功能。主要组成部分为：dc/dc 电路、输入过压保护电 路、输出过压保护电路、过热保护电路、dc/ac 变换电路、振荡电路、全桥电路。 该电源的制造成本较为低廉，千台以上数量的批产成本仅在 40 元/台左右，并且 当印制板的尺寸不受限制时，可以将输出功率做到 200w 以上，因此该逆变电源 几乎可以替代目前市场上所售的各种逆变器或者逆变电源产品，其应用前景十分 广阔。该逆变电源可将电瓶的 12v 直流电转换为 220v/50hz 的交流电，供数码相 机、cd 机、md 唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式 产品使用。因此具有相当强的通用性。 谢 辞 经过两个多月来的资料收集，分析、整理、方案修改、确定，到设计论述的 撰写，到现在基本完成了所有毕业设计的项目这个漫长的过程，当然是辛苦的， 不过，从个人角度来说，这个更是我大学本科四年一次对自己专业能力的总结和 22 升华，毕业设计论文完结，这也意味着我在洛阳理工学院学习生活奋斗的生涯也 即将结束。在这里，我要感谢老师的精心培养和教导，同学们得支持和鼓励。 首先，我要特别感谢我的导师辛伊波老师，严谨细致、一丝不苟的作风一直 是我工作、学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启 迪。 还要感谢大学教导过的的所有老师，感谢他们对我的辛勤教育，让我在这四 年里如沐春风。 感谢我的室友们，四年了，仿佛昨天还刚到学校被分到一个宿舍。四年里， 我们没有红过脸，没有吵过嘴，我们是嘴和睦的模范宿舍！只是今后大家就难得 再聚在一起，没关系，各奔前程，朝着幸福的大道奔去，大家珍重、我们在一起 的日子，我会记一辈子的。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完 成，有多少可敬的师长、同学、朋友给我无言的帮助，在这里请接收我诚挚的谢 意! 23 附录 a 整机原理图 24 25 附录 b 元件参数表 装配位号装配参数装配位号装配参数 c1 22f/16v c2 47f /16v c3 47f/16v c44700pf c5 2200f/16v c6 47f/16v c7 47f/16v c8 0.1f c9 0.01f c10 0.01f c11 0.22f c12 10f/400v c14 0.01f/1000v c13 10f/50v vd1vd41n4148c15 10f/50v vd9vd111n4148vd5d8her306 vd131n4148vd12fr107 dz115v/0.5wvd14fr107 ic1、ic2 tl494cndz230v/0.5w vt1、vt3 8550led 绿色 3 vt5、vt8 ksp44 vt2、vt4 irf3205 vt9、vt10 irf740 vt6、vt7 irf740 r239kr136k r4270r3100k r64.7kr5100k r8r114.7kr74.3k r1310kr12470k r1510kr14220k r17、r18 1kr164.7k r204.7kr193.3k r2210kr211k r251k r23、r24 4.7k r273.3kr2616k 26 附录 c 元件参数表 装配位号装配参数装配位号装配参数 dcin12v/dcx ac 弹片插孔 rt150t1ei33 r28、r29 100k- 27 附录 d 整机 pcb 板(两面) 28 29 参考文献 1 周志敏, 周纪海，纪爱华现代开关电源控制电路设计及应用m北京： 人民邮电出版社，2005：124-147 2 康华光，陈大钦电子技术基础（模拟部分） （第四版）m北京：高 等教育出版社，1999：37，51，53-55，57，68-70，168-170，444-470 3 康华光，邹寿彬电子技术基础（数字部分） （第四版）m北京：高 等教育出版社，2000：32-33，197-198 4 曾兴雯，刘乃安，陈健高频电子线路 北京：高等教育出版社， 2004：95-97 5 何希才新型电子电路应用实例m北京：科学出版社，2005：22- 26，241-245 6 都永超，朱汉林无线电（期刊）j北京：人民邮电出版社2005 年 11 月总第 518 期48-50 7 黄燕常用电子设备开关电源检修方法m北京：科学出版社， 2002：30-38，84，94，154 8 李瀚荪电路分析基础（第 3 版）m北京：高等教育出版社， 1993：51-55 9 日英汉无线电技术词典编辑组日英汉无线电技术词典z北京： 国防工业出版社，1971：258，496，761，901 10夏路易，石宗义电路原理图与电路板设计教程 protel99sem北京：北京希望电子出版社，2002：72-79 11王兆安，黄俊电力电子技术.机械工业出版社，2010:132-133. 12清华大学电子学教研组，华成英，童诗白.模拟电子技术基础.北京： 高等教育出版社，2006:40,116. 13黄俊，王兆安电力电子变流技术（第 3 版）.北京：机械工业出版 社，1994:124. 14赵良炳现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，1995:23,45. 15李序葆，赵永健电力电子器件及其应用.北京：机械工业出版社， 1996:44,152,156. 30 外文资料翻译 modeling, simulation, and reduction of conducted electromagnetic interference due to a pwm buck type switching power supply i a. farhadi abstract:undesired generation of radiated or conducted energy in electrical systems is called electromagnetic interference (emi). high speed switching frequency in power electronics converters especially in switching power supplies improves efficiency but leads to emi. different kind of conducted interference, emi regulations and conducted emi measurement are introduced in this paper. compliancy with national or international regulation is called electromagnetic compatibility (emc). power electronic systems producers must regard emc. modeling and simulation is the first step of emc evaluation. emi simulation results due to a pwm buck type switching power supply are presented in this paper. to improve emc, some techniques are introduced and their effectiveness proved by simulation. index terms:conducted, emc, emi, lisn, switching supply i. introduction fast semiconductors make it possible to have high speed and high frequency switching in power electronics . high speed switching causes weight and volume 1 reduction of equipment, but some unwanted effects such as radio frequency interference appeared . compliance with electromagnetic compatibility (emc) regulations is 2 necessary for producers to present their products to the markets. it is important to take emc aspects already in design phase . modeling and simulation is the most effective 3 tool to analyze emc consideration before developing the products. a lot of the previous studies concerned the low frequency analysis of power electronics components . 4 5 different types of power