TL494逆变器之详细设计论文.doc

- I - 摘要摘要 DC/AC 逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成交流电能的一种变流 装置，供交流负载使用。因此，逆变技术在开发和利用的领域中有着至关重要的 地位。 本设计则针对车载逆变电源，系统地论述了 DC/AC 车载逆变器技术的现状、 发展、制作过程及应用。其中通过采用芯片 TL494CN 构成了该逆变电源的核心控 制电路，以及在电路中选用了 EI33 型的高频变压器，大大降低了该逆变电源的 成本及重量，逐步改善了逆变器的性能。整个电路将输入的 12V 的直流电通过二 次频变转换成 220V/50Hz 的交流电后输出，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。 关键词：关键词：逆变器，逆变器，TL494CNTL494CN，高频变压器高频变压器 - II - 目录 摘要 .I 第一章 绪论 1 1.1 课题选题背景 .1 1.2 逆变技术的现状及趋势 .1 1.3 采用逆变技术的目的 .1 1.4 采用逆变技术的优越性 .2 第二章 课题有关内容的研究现状 4 2.1 逆变器主电路的基本形式 .4 2.2 逆变电源的关键问题 .4 2.3 车载逆变电源的现状 .5 2.4 本章小结 .6 第三章 车载逆变电源原理 7 3.1 车载逆变电源的介绍 .7 3.2 主要芯片介绍 .7 3.2.1 TL494 芯片简介7 3.2.2 TL494 各引脚功能9 3.2.3 TL494 工作原理.10 3.3 逆变电源工作原理 12 3.3.1 逆变原理部分 12 3.3.2 保护电路部分 17 3.4 本章小结 18 第四章 原理图绘制和电路板调试 .19 4.1 PROTEL99 介绍 19 4.2 原理图的绘制 19 4.3 PCB 图的绘制 .20 - III - 4.4 实物的制作及调试 21 4.5 本章小结 22 第五章 毕业设计总结 .23 致 谢 .24 参考文献 25 附录一 元器件参数表 .26 附录二 封装库清单表 .27 附录三 实物图 .29 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题选题背景 近年来，电子电力技术发展迅猛，逆变电源广泛应用于日常生活，车载系 统，邮电通信等领域。现代社会中，有车族在户外需要使用的电子设备越来越 多,例如车用 DVD、车用冰箱、手提电脑、手机充电器和各种电源适配器。在发 达国家车载逆变电源是每辆车必须具备的。而在国内配备这种转换器的车辆还 很少,加之每年汽车销售量居高不下,因而车载逆变电源转换器在国内将会有很 大的市场前景。 1.2 逆变技术的现状及趋势 一般认为，逆变技术的发展可以分为如下两个阶段： 19561980 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以低速器件 为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆 变效率低，正弦波逆变器开始出现。 1980 年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是，开关器件以高速 器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以 PWM 为主，体积重量小，逆变 效率高。正弦波逆变技术发展日趋完善。1 1.3 采用逆变技术的目的 采用逆变技术的目的使为了获得不同或变化形式的电能。 例如： (1)由蓄电池中的直流电源获得交流电 如不间断电源（UPS） 、应急灯电源 等。 (2)由蓄电池中的直流电源获得多路稳定的直流电 如程控电话交换机的二 次电源等各种通用 DC/DC 变换器。 (3)获得可变频率的交流电源 如交流电动机调速变频器等。 (4)实现电能量回馈，如电动机制动再生能量回馈有源逆变系统等。 (5)使电源设备小型化，高效节能，获得更好的稳定性和调节性能，如各种 - 2 - 类型的直流电源变换器。 (6) 利用感应涡流产生热量，如中频炉和高频感应加热（电磁灶等） 。2 1.4 采用逆变技术的优越性 在现代逆变技术的应用领域中，许多用电设备和系统都有一个发展的过程。 由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控管（晶闸管）整流式，直到发展到逆 变式，这不仅是因为现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的 条件，更重要的还是因为采用逆变技术有很多优越性： (1)灵活的调节输出电压或电流的幅度和频率 通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而 使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备的工作要求来灵活的变 化。 (2)将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电 例如，不间断断电源设备再电网停电时，将蓄电池中的直流电逆变成交流 电，供计算机等用电设备使用，不间断其工作，从而不会造成太大损失。 (3)明显的减少设备的体积和重量，节省材料 很多用电设备中，变压器和电抗器再很大程度上决定了其体积和重量.对于 变压器有以下公式： U=KfNSBm （1- 1） 式中：U绕组电压 K波形系数（正弦波为 4.44，方波为 4） F工作频率（HZ） N绕组线圈匝数 S变压器铁心的有效横截面积（） Bm铁芯工作最大磁密度（T） 由（1-1）公式可知，当 U，K 和 Bm 都不变时，NS 与 f 成反比关系，既 NS=U/KBmf （1- 2） 在功率变换电路中，U 一般为市电级电压，变化不会太大，各种磁性材料 允许的磁通密度也不会相差太大。但是，如果能将变压器绕组中所加电压的频 - 3 - 率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效横截面积之积就会显著减小。比如， 如果f有 50HZ 增加到 50KHZ，提高 1000 倍，则NS将会减小为原来的千分之一， ，假设N变为原来的 1/40，S变为原来的 1/25，可见变压器的体积和重量明显 的减小了，当然也节约了制作变压器的刚材和磁性材料。 (4)高效节能 例如，传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在 0.5 至 0. 8 之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。现代功率因数概念 由式给出: （1- 3） 式中 PF 功率因数(Power Factor ) P 有功功率(W) S 视在功率(VA) U 输入电压有效值(V) I 输入电流有效值(A) I1 输入电流基波有效值(A) 一输入电流基波与电压波形的相位角 我们把定义成为谐波因数，把 cos 叫做相位因数，这样功率因数就等 于谐波因数与相位因数的乘积。在逆变器中，对输入电压进行全波不控整流再 进行逆变， 很小，cos1，如果采用功率因数校正技术(Power Factor Corrector，PFC )，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使 yl。这样， PF1，节能的效果也是非常明显的。 (5)动态响应快、控制性能好、电气性能指标好 由于逆变电路得工作频率高，调节周期短，使得电源设备得动态响应或者 说动态特性很好。 (6)保护快 由于逆变器工作频率高，控制速度快，对保护信号的反应也快，从而增加 了系统的可靠性。2 因此，研究一种体积小、可靠性高，动态响应速度快的新型逆变电源在理 论上和实际应用中都有着十分重要的意义。无论是在国内还是在国际上，对逆 变电源得研究一直被人们所重视，况且前人在这领域也已经取得了很多非常有 - 4 - 学术价值和应用价值得研究成果。 第二章课题有关内容的研究现状 2.1 逆变器主电路的基本形式 常用逆变器主电路的基本形式有三种分类方法:按照相数分类，可分为单相 和三相;按照直流测波形和交流侧波形分类，可分为电压源型和电流源型逆变器， 按电路拓扑结构，可以分为单端正激(Forward)、单端反激(Flyback)、升压 (Boost 式、降压(Buck)式、推挽(Pull-push)拓扑结构、半桥(Half-bridge)结 构、全桥(Full-bridge)结构等。 理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定值而没有脉动，直流电压 波形和电流波形中也不应该产生波动。而在实际逆变电路中，因为逆变器的脉 动数值有限，因而逆变功率是脉动的。当逆变器的逆变功率的脉动波形由直流 电流来体现时，称之为电压源型逆变器，直流电源是恒压源。电压源型逆变器 直流侧有较大的直流滤波电容。当逆变器的逆变功率的脉动波形由直流电流来 体现时，称之为电流源型逆变器，直流电源是恒流源。电流源型逆变器直流侧 接有较大的滤 波电感。 此外，控制逆变器输出量(电压或电流)有两种方法，一种是脉冲幅度调制 PAM，其特点是保持脉冲宽度不变而改变脉冲幅值:另一种是脉冲宽度调制 PWM，其特点是保持脉冲幅值不变而改变脉冲宽度。3 2.2 逆变电源的关键问题 (1)高频变压器的稳定性：很难采购到符合自己要求的变压器。对于工业产 品，应当有一个在规定范围内通用的规范化的参数，这对磁性元件来说是非常 困难的。而表征磁性元件的大多数参数（电感量，电压，电流，处理能量，频 - 5 - 率，匝比，漏感，损耗）对制造商是无所适从的。可综合考虑成本，体积，重 量和制造的困难程度，在一定的条件下可获得较满意的结果。 (2)推挽电路中的驱动电路由于推挽结构的偏磁而无法避免偏磁现象的产生， 但可采用一些办法来减轻偏磁现象。主要解决方法有:1，采用峰值电流控制， 这是目前最有效的抑制偏磁的办法。2，设计变压器的时候，注意初级两个绕组 的对称性要良好。4 (3)克服或减轻偏磁主要还是从其开关管的驱动方式着手，即采用电压电流 型 PWM 控制。常用的控制芯片有 KA7500B, SG352, TL494 等。 在 PWM 逆变器中，软开关技术的研究。目的是要实现脉宽调制软开关技术， 就是将软开关技术引进到 PWM 逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现 软开关工作。5 2.3 车载逆变电源的现状 目前市场上的车载逆变器的分类主要按输出的波形分，主要分为两大类： 一类是方波逆变器，另一类是正弦波逆变器。其中纯方波逆变器输出的则是质 量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生（如图 2-1） ， 这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅 为额定负载的 4060 ，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中 包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电 源滤波电容。而正弦波逆变器中包括修正正弦波逆变器和纯正弦波逆变器。其 中修正正弦波逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间 间隔（如图 2-1） ，使用效果非常不错。6虽然纯正弦波逆变器提供高质量的交 流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均比较高。况且修正正弦 波逆变器输出的电压可以满足我们绝大部分的用电需求，效率高，噪音小，售 价适中，因而成为市场中的主流产品。 - 6 - 方波 纯正弦波修正正弦 波 图图 2-12-1 各种逆变器产生的波形图各种逆变器产生的波形图 2.4 本章小结 本章详细介绍了逆变器的主要结构形式和逆变电源遇到的关键问题，同过 对三种波形的逆变器的比较，决定设计一个修正正弦波的逆变器。在低成本的 车载逆变器市场中方波逆变器占了很大一部分，设计一个低成本的修正正弦波 逆变器正是现在市场的主流趋势，其应用前景是非常广阔的。 - 7 - 第三章 车载逆变电源原理 3.1 车载逆变电源的介绍 车载逆变电源可以把汽车上的 12V/24V 直流电转变成大多数电器所需要的 220V 交流电。功率开关把输入的直流电压转变成脉宽调制的交流电压,然后利 用推挽逆变器和高频变压器把交流电压升高,再用全波整流把交流电压转换成直 流,最后由全桥变换器把高压直流逆变成所需交流电。电源转换器可作为移动交 流电源在车辆、船舶上使用,也适合与太阳能电池配合使用,能够方便地为这些 电器设备提供交流电。 - 8 - 3.2 主要芯片介绍 3.2.1 TL494 芯片简介 图图 3-13-1 TL494TL494 芯片管脚图芯片管脚图 电压型脉宽调制(PWM)控制电路 TL494CN 是单片双极型线性集成电路，包含 了脉宽调制型开关电源的所有控制部分。它内部包括有 5V 参考电源、两个误差 放大器、触发器、输出控制电路、脉宽调制比较器，死区时间比较器和一个振 荡器。它的开关工作频率为 1.0 KHZ 至 300KHZ,输出电压可达 40V,工作温度范 围为 0-70，TL494CN 的封装形式为 16 线塑封双列直插式。 特点： (1)内部经过修调的 5V 基准电压源精度达到 1% (2)未相连的输出晶体管具有 200mA 的陷电流和灌电流能力 (3)输出控制以适应推挽输出和单端输出 (4)通过死区时间控制可调整占空比周期 (5)完整得 PWM 控制线路 (6)片上振荡器可进行主从型工作 - 9 - (7)内部控制线路可禁止双脉冲出现在任何一个输出端。 功能描述： 振荡器的振荡(开关)频率由外接的定时电阻(RT)和定时电容(CT)决定。 锯齿波的幅度与误差放大器的输出电压由脉宽调制(PWM)比较器进行比较.PWM 比较器的输出送到脉冲驱动触发器和输出控制逻辑。 误差电压由误差放大器产生，误差放大器将输出电压和 5V 内部参考源之间 的电压差放大。第二个误差放大器通常用来完成电流限制功能。 输出控制逻辑(13 脚)用来选择输出功率管是推挽输出还是单端输出 死区时间控制用来防止两个输出晶体管的通态交叠。如果死区时间控制(4 脚)接地，死区时间约占总周期的 3-5%。 可以用外接电阻和电容来改善误差放大器的频响。这些外接元件通常接在 补偿端(3 脚)和误差放大器的反向输入端 (2 脚或 15 脚)之间。 两个或更多的 TL494CN 的开关频率能够进行同步(主从方式)。充电电流由 主片来提供，放电电流由所有的从片来完成，仅主片需要定时电阻 RT。 3.2.2 TL494 各引脚功能 图3-2是TL494内部结构图 基准稳压器 10E2 PWM 比较器 振荡器 1 4 死区时间控制 7GND 5CT 16 同相输入 14VREF 6RT 12Vcc 15 反相输入 3 补偿/PWM 比较输入 3.5VDC D Q CK Q 死区时间比较器 1 1 & & UV 封锁 4.9VDC 0.7mA 0.7V 0.12V VT1 VT2 11C2 9E1 8C1 13 输出控制 1 同相输入 2 反相输入 - 10 - 图图3-23-2 TL494TL494芯片内部结构图芯片内部结构图 第（1）脚为第一组误差放大器的同相输入端。 第（2）脚为第一组误差放大器的反相输入端。从第（14）脚输出的 5V 基 准电压经 R14、 R20 分压得到约 4V 的电压，与第（1）脚电压进行比较。由于 输+5V 电压升高时第（1）脚取样 ,电压成比例升高，当此电压超过 4V 时，误 差放大器输出高电平，通过 IC 内部比较器控制输出 ,脉宽减小，以使 5V 电压 下降，达到稳压的目的。 第（3）脚为第一误差放大器输出的引出端。外接 C19、C20、C21、R11 组 成的频率校正网路，以防止放大器发生自激。 第（4）脚为死区控制端。当 IC 工作在推挽状态时，其两组输出脉冲使两 只推挽开关管依次导通和关断。为了避免开关管的滞事效应造成瞬间导通而击 穿开关管，在脉冲的序列之间留 有一定的空隙，称为死区。改变第（4）脚的 电压，可改变死区时间。当第（4）脚电压大于 5V 基准电压时，输出脉冲关断。 在 0-5V，死区时间成比例增大。 第（5）脚内部振荡电路，外接定时电容 C18， 第（6）脚为外接定时电阻 R9。此 RC 的值决定 TL494 输出脉冲的重复频 率，其值为 FKHZ=1.2/R 欧姆.C（UF） 。按图中数据，此电源的工作频率为 30KHZ。 第（7）脚共地端，也是供电的负极端。 第（8） （11）脚为两路输出放大管的集电极。 第（9） （10）脚为内部驱动放大管的发射极，接地。 第（12）脚为供电端，其允许输入电压可达 8-40V，因此无需外部稳压器。 第（13）脚为工作状态设定端。当第（13）脚为 5V 基准电压时，两路输 出脉冲相差 180 度，每路输出量 200mA 的驱动电流，用于驱动推挽或半桥、桥 - 11 - 式电路。当第（13）脚接地时，两路输出脉冲为同相位，为 8-40V 时，第 （14）脚均输出 50.25V 的稳定基准电压。 第（14）脚内部基准电压源。在 IC 供电组误差放大器的反向输入端，在 该电源中作为过流保护取样输入。 3.2.3 TL494 工作原理 芯片内部电路包括振荡器、两个误差比较器、5VDC基准电源、死区时间比 较器、欠压封锁电路、PWM比较器、输出电路等。7 1振荡器： 提供开关电源必须的振荡控制信号，频率由外部RT、CT决定。这两个元件 接在对应端与地之间。取值范围：RT：5-100k，CT：0.001-0.1uF。 振荡频率：f=1/RTCT。 形成的信号为锯齿波。最大频率可以达到500kHz。 2死区时间比较器： 这一部分用于通过0-4VDC电压来调整占空比。当4脚预加电压抬高时，与振 荡锯齿波比较的结果，将使得D触发器CK端保持高电平的时间加宽。该电平同时 经过反相，使输出晶体管基极为低，锁死输出。4脚电位越高，死区时间越宽， 占空比越小。 由于预加了0.12VDC，所以，限制了死区时间最小不能小于4%，即单管工作 时最大占空比96%，推挽输出时最大占空比为48%。图3-3给出了死区时间比较器 单独作用时的工作相关波形。 图图3-33-3 4 4脚输出波形脚输出波形 t t t 4 脚电位 振荡器 5 脚信号 VCK 死区封锁时间 VQ - 12 - 3PWM比较器及其调节过程： 由两个误差放大器输出及3脚（PWM比较输入）控制。 当3端电压加到3.5VDC时，基本可以使占空比达到0，作用和4脚类似。但此 脚真正的作用是外接RC网络，用做误差放大器的相位补偿。 常规情况下，在误差放大器输出抬高时，增加死区时间，缩小占空比；反 之，占空比增加。作用过程和4脚的死区控制相同，从而实现反馈的PWM调节。 0.7VDC的电压垫高了锯齿波，使得PWM调节后的死区时间相对变窄。 如果把3脚比做4脚，则PWM比较器的作用波形和图3-2类似。然而，该比较 器的占空比调节，要在死区时间比较器的限制范围内起作用。 单管工作方式时，VCK直接控制输出，输出开关频率与振荡器相同。当13脚 电位为高时，封锁被取消，触发器的Q、Q非端分别控制两个输出管轮流导通， 频率是单管方式的一半。 45VDC基准电源： 这个5VDC基准电源用于提供芯片需要的偏置电流。如13脚接高电平时，及 误差放大器等可以使用它。基准电源精度5%，电流能力10mA，温度范围0-70度。 5误差放大器： 两个误差放大器用于电源电压反馈和过流保护。 这两个放大器以或的关系，同时接到PWM比较器同相输入端。反馈信号比较 后的输出，送PWM比较器，以和锯齿波比较，进行PWM调节。 由于放大器是开环的，增益达到95dB。加之输出点3被引出，使用时，设计 者可以根据需要灵活使用。 6UC封锁电路： 用于欠压封锁，当Vcc低于4.9VDC，或者内部电源低于3.5VDC时，CK端被钳 位为高电平，从而使输出封锁，达到保护作用。 7输出电路： 输出电路有两个输出晶体管，单管电流500mA。其工作状态由13脚（输出控 制）来决定。 当13脚接低电平时，通过与门封锁了D触发器翻转信号输出，此时两个晶体 管状态由PWM比较器及死区时间比较器直接控制，二者完全同步，用于控制单管 开关电源。当然，此时两个输出也允许并联使用，以获得较大的驱动电流。当 - 13 - 13脚接高电平时，D触发器起作用，两个晶体管轮流导通，用于驱动推挽或桥式 变换器。 3.3 逆变电源工作原理 3.3.1 逆变原理部分 主要思路是先将 12V 的直流电逆变为 220V/50KHZ 的交流电(DC/AC)，然后 利用桥式整流和电容的充电快放电慢的特性整流出 220V 的直流电(AC/DC)，最 后再逆变为 220V/50HZ 交流电，由 XAC 插座输出到负载上。电路图如图 3-4。 下面将把整个电路原理图按三个主要逆变部分详细说明。 - 14 - 图图 3-43-4 逆变电路原理图逆变电路原理图 - 15 - (1)DC/AC 逆变电源部分 图图 3-53-5 DC/ACDC/AC 部分电路图部分电路图 12V 直流到 220V/50KHZ 交流电部分由图 3-5 中 TL494CN 芯片 IC1 控制晶体 三极管 VT1、VT3 和场效应管 VT2、VT4,和变压器共同完成。IC1 的 5 脚外接电 容 C4 和 6 脚外接电阻 R7 为脉宽调制器的定时元件，脉宽调制频率为 F=1.1/(0.047*4.3)KHZ=50KHZ，即 IC1 控制 VT1、VT2、VT3、VT4 工作在 50KHZ 的频率。IC1 正向输入时，IC1 内置三极管 VT1 工作在放大状态，VT2 工作在截 止状态，此时 IC1 的 9 脚外围晶体二极管 VD3 导通，因此场效应管 VT2 栅极电 压达到一定值，VT2 为饱和导通状态；当 IC1 内置三极管 VT1 工作在截止状态 时，IC1 的 9 脚外围晶体二极管 VD3 截止，VT3 基极为低电平，所以 VT3 为饱和 - 16 - 导通状态，VT3 为饱和导通状态时，VT4 因栅极无正偏压而处于截止状态，此时 直流电经变压器初级线圈上半部分通过 VT2 接地，经过变压器放大形成上半周 期电流。当 IC1 反向输入时，同理 IC1 控制场效应管 VT2 截止、VT4 饱和导通， 此时直流电经变压器初级线圈下半部分通过 VT4 接地，经过变压器放大形成下 半周期电流。因此，经变压器初级线圈的电流相当于 12V/50KHZ 的交流电，变 压器次级输出为 220V/50KHZ 交流电。先将 12V 直流电逆变为 12V/50KHZ 交流电 的目的有 2 个：一、这样可以将变压器做的很小很轻；二、人耳能听见的最高 频率为 20KHZ，小于 20KHZ 人耳将会听见吱吱的声音。 （2）AC/DC 逆变部分 图图 3-63-6 AC/DCAC/DC 部分电路图部分电路图 为了满足大功率场效应管 VT6、VT9 能正常工作，再将 220V/50KHZ 交流电 用桥式整流法逆变为 220V 支流电，图 3-6 将完成这部分功能。此部分功能由 VD5、VD6、VD7、VD8，C12 共同组成桥式整流，利用电容充电快放电慢的特性 整流出 220V 直流电。桥式整流的工作原理是，四个整流二极管组成一个电桥， 变压器次级线圈和 C12 接到电桥的两个对角线位置。当 T1 输出为正半周期时， 二极管 VD8 和 VD5 导通，VD6 和 VD7 截止，电流沿 VD5 经 VD8 指向电容 C12；当 T1 输出为负半周期时，VD8 和 VD5 截止，VD6 和 VD7 导通状态，电流沿 VD6 经 - 17 - VD7 指向 C12，由于 T1 输出的 2 个半周期中经过电容 C12 的电流方向相同，实 现了全波整流， 再利用电容的充电快放电慢的特性，成功将电流整流为直流 (220V 直流电)。 （3）DC/AC 逆变部分 图图 3-73-7 DC/ACDC/AC 部分电路图部分电路图 最后由 TL494CN 芯片的 5 脚外接点容 C8 和 6 脚外接电阻 R14 决定脉宽频率 为 F=1.1(0.1220)KHZ=50HZ 控制 VT5、VT8、VT6、VT9 工作在 50HZ 的频率 下，将 220V 直流电逆变为 220V/50HZ 的交流电，图 3-7 将完成这部分功能。 TL494 正向时，IC2 控制 VT5 为饱和导通状态，VT8 为截止状态，由于 VT5 为饱 和导通状态，则 VT6 为饱和导通状态。由于 VT8 处于截止状态，VT9 因栅极无 正偏压而处于截止状态，同时 VT7 因栅极无正偏压而处于截止状态，VT10 为饱 和导通状态。此时 220V 直流电经 VT6 沿 XAC 插座到负载再经 VT10 接地，形成 正半周期电流；反向时，IC2 控制 VT5 为截止状态，VT8 为饱和导通状态，由于 VT5 为截止状态，则 VT6 因栅极无正偏压而处于截止状态，由于 VT8 为饱和导 通状态，VT9 处于饱和导通状态，同时 VT10 处于饱和导通状态，VT7 因栅极无 正偏压而处于截止状态。此时 220V 直流电经 VT9 沿 XAC 插座到负载再经 VT7 接 地，形成负半周期电流；这样接将 220V 直流电成功转变为 220V/50HZ 交流电输 - 18 - 出供负载使用。 3.3.2 保护电路部分 图 3-4 中 IC1、IC2 采用两只 TL494CN 芯片构成了该逆变电源的核心控制电 路。TL494CN 是专用的双端式开关塑封结构，工作温度范围为 070C，极限 工作电源电压为 740V，最高工作频率为 300KHZ。 TL494CN 芯片内置 5V 基准源，稳压精度为 5V5，负载能力为 10mA，通 过其 14 脚输出供外部电路使用。TL494CN 芯片还内置 2 只 NPN 功率输出管，可 提供 500mA 的驱动能力。TL494CN 内部电路如图 3-2 所示。 图 3-4 电路中 IC1 的 15 脚外围电路 R1、C1 组成上电软启动电路，上电时 电容 C1 两端的电压由 0V 逐步升高，当 C1 端电压达到 5V 以上时，允许 IC1 内 部的 脉宽调制电路开始工作。当电源断电后，C1 通过电阻 R2 放电，保证下次 上电时软启动电路能正常工作。 IC1 的 15 脚外围电路的 R1、R2、Rt 组成的过热保护电路，Rt 为正温度系 数热敏电阻，常温阻值可在 150300 欧姆范围内任选，适当选大些可提高过热 保护电路启动的敏感度。 IC1 的 15 脚的对地电压值 U 是一个比较重要的参数，图 3-4 电路中 UVCCR2（R1+R2Rt）V，常温下的计算值为 U6.2V。结合图 3-2图 3-4 可知，正常工作情况下要求 IC1 的 15 脚的电压应略高于 16 脚电压（芯片 的 14 脚相连为 5V） ，常温下 6.2V 大小正好满足要求，并略留有一定的余量。 当电路工作异常的时候，MOS 功率管 VT2 或 VT4 的温度大幅提高，热敏电 阻 Rt 的阻值超过 4K 欧姆时，IC1 内部比较器 1 的输出将由低电平翻转为高电 平，IC1 的 3 脚也随即转为高电平状态，致使芯片内部的 PWM 比较器、或门、 或非门输出均发生翻转，IC1 内置功率管输出三极管 VT1 和三极管 VT2 均转为 截止状态。当 IC1 内的两只功率输出管截止时，图 3-4 电路中的 VT1、VT3 将因 基极为低电平而饱和导通，VT1、VT3 导通后，功率管 VT2 和 VT4 因栅极无正偏 压而处于截止状态，逆变电源电路停止工作。 IC1 的 1 脚外围电路的 DZ1、R5、VD1、C2、R6 构成 12V 输入电源过压保护 电路。稳压管 DZ1 的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值，VD1、C2、R6 还组成保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电压过压现象，保护电路就会 启动并维持一段时间，以确保后级功率输出管的安全。考虑到汽车行驶过程中 - 19 - 电瓶电压的正常变化幅度大小，通常将稳压管 DZ1 的稳压值选为 15V 或者 16V 较为合适。 IC1 的 3 脚外围电路的 C3、R5 时构成上电软启动时间维持以及电路保护状 态维持的关键性电路。实际上不管是电路软启动的控制还是保护电路的启动控 制，其最终结果均反映在 I 的 3 脚的电平状态上。当电路上电或保护电路启动 时，IC1 的 3 脚为高电平，对电容 C3 沿 R5 支路进行充电。当导致保护电路启 动的诱因消失后，C3 通过 R5 支路进行放电，因放电所需时间较长，故电路的 保护状态仍得以维持一段时间。 当 IC1 的 3 脚为高电平时，将沿 R8、VD4 支路对电容 C7 进行充电，同时将 电容 C7 两端的电压提供给 IC2 的 4 脚，使 IC2 的 4 脚保持为高电平状态。从图 3-2 的芯片内部电路可知，当 4 脚为高电平时，将抬高芯片内死区时间比较器 同相输入端的电位，使该比较器输出保持为恒定高电平，经或门、或非门后使 内置的三极管 VT1 和三极管 VT2 均截止。当 IC2 内置三极管 VT1 和三极管 VT2 截止时，图 3-4 电路中的 VT5 和 VT8 处于饱和导通状态，VT5、VT8 导通后，其 后级的 MOS 管 VT6 和 VT9 将因栅极无正偏压而都处于截止状态，逆变电源电路 停止工作。 IC1 的 5 脚外接电容 C4 和 6 脚外接电阻 R7 为脉宽调制器的定时元件，所 决定的脉宽调制频率为：F=1.1 (0.00474.3)kHz=50kHz.即电路的三极管 VT1、VT2、VT3、VT4、变压器 T1 的工作频率均为 50KHZ 左右，因此 T1 应选用 EL33 型的高频铁氧体磁心变压器，变压器 T1 的作用是将 12V 脉冲升压为 220V 的脉冲，其初级匝数为 202,次级匝数为 380。 IC2 的 5 脚外接电容 C8 和 6 脚外接的电阻 R14 为脉宽调制器的定时元件， 所决定的脉宽调制频率为：F=L1(C8R14)=1.1(0.1220)kHz=50Hz。 R29、R30、R27、C11、DZ2、组成 XAC 插座 220V 输出端的过压保护电路， 当输出电压过高时将导致稳压管 DZ2 击穿，使 IC2 的 4 脚的对地电压上升，芯 片 IC2 内的保护电路动作，切断输出。 3.4 本章小结 这一章主要介绍了车载逆变电源的原理以及在原理中应用到主要芯片 TL494CN。逆变电源的主要思路是以 TL494CN 为控制核心，通过二次频变，分三 个步骤来实现。其中电路保护的设计要求有点高，是在王老师的指导下完成设 - 20 - 计的。 第四章 原理图绘制和电路板调试 随着电子工业的发展，新型器件尤其是集成电路的不断涌现，电路板设计 越来越复杂和精密，手工设计越来越难以适应形势发展的需要。计算机的普及 和发展很好地解决了这个问题。人们可以利用 CAD 辅助设计软件进行辅助设计。 这些软件有一些共同的特征：他们都能够协助用户完成电子产品线路的设计工 作，比较完善的电子线路 CAD 软件至少具有自动布线的功能，更完善的还应有 自动布局、逻辑检测、逻辑模拟等功能。Protel 就是这类软件中的杰出代表。 4.1 PROTEL99 介绍 Protel99 的一个最大的特点就是它采用了“客户/服务器”这样的架构。 用户在设计大型系统原理图时，可采用自上而下的模块化设计方案。用户可以 先分别对各基本块进行设计，全部完成后再按照各个基本块之间的关系将他们 再组织起来形成一个整体，从而完成系统的整个设计过程。相反，用户也可以 实现自下而上的设计。 Protel99 的 PCB 设计组件具有强大的设计自动化功能、编辑功能以及完善 的库元件管理等。它能提供交互式的全局编辑，对象属性的修改操作同原理图 一样。PCB 设计组件的设计自动化是借助于自动布线组件实现的，同时他还具 备在线式的设计检查功能（DRC） ，以修正违反设计规则的错误。它同时也具备 了完善的库元件管理功能，用户可以方便地创建一个新的 PCB 元件。通过网络 还可以共享更多用户库。 在 Protel99 中，实现自动布线的组件是 Route 5.0，它主要为 PCB 设计组 件实现设计的自动化功能而服务。该方法基于人工智能，可以对 PCB 版面进行 优化。8 4.2 原理图的绘制 先新建一个 DATABASE。然后在 Documents 中建立 sch 文件。就可以在原理 - 21 - 图文件中绘制原理图了。 首先要在 Libraries 中添加 lib 文件。常用的 lib 在 Librarysch目录下 的 Miscellaneous Devices.ddb 文件和 Protel DOS Schematic Libraries.ddb 文件中都有了。电阻的 Filte 是 RES1，电解电容的 Filte 是 CAPACITOR，瓷片 电容的 Filte 是 CAP，IC1，IC2 的 Filte 是 DIP16，可变电阻的 Filte 是 POT1，SW1 的 Filte 是 SW DIP-4，稳压二级管的 Filte 是 DIODE VARACTOR，三 级管的 Filte 是 NPN，发光二极管的 Filte 是 LED，变压器的 Filte 是 T1，MOS 管的 Filte 是 NPN，其他没的就需要在 DATABASE 中新建 lib 文件。 把器件挪到图纸上，双击它，可以修改它的属性。在 Desianation 中写入 器件的名称，在 Part 中写入器件的数值，在 Footprint 中写入器件的封装。只 要把这些元件放在合适的位置，再按照设计的电路图把器件用线连起来就可以 了。最后只要加以修改，使得图纸变得美观。 4.3 PCB 图的绘制 在该 DATABASE 中新建 PCB 文件。在 Design 栏中的 Options 选项中的 Layers 页中，选中 TopLayer 和 BottomLayer，在 Silkscreen 中选择 TopOverlay 和 BottomOverlay，在 Other 中选择 Keepout 和 Multilayer。其中 Keepout 和 Mech 层规定了 PCB 板的电气界限和物理界限。 Protel99 提供了众多的工作层，我们需要对它们有一定的了解。如 Signal Layer（信号层） 、Internal Plane（内部电源/接地层） 、Mechanical Layer（机械层） 、Drill Layer（转孔层） 、Solder Mark（阴焊层） 、Paste Mark（防锡膏层） 、Silkcreen（丝印层） 、Others（其他层） 。 其中 Signal Layer（信号层）由 16 个子层组成，包括 TopLayer（顶层） 、 BottomLayer（底层） 、Mid1（中间层 1） 、Mid2（中间层 2） 、Mid3（中间层 3） 、 .、Mid14（中间层 14） 。信号层中的顶层和底层主要用于放置元件和信号的 走线，中间层主要用放置信号的走线。 Mechanical Layer（机械层）也有四个。分别为 Mech1、Mech2、Mech3、Mech4。他们主要用于放置有关制作和装配的信息。 和绘制原理图一样，要在 Beowse PCB 的边框中选择 Libraries，增加 LibraryPcbGeneric Footprints目录下的 Advpcb.ddb 文件和 Miscellaneous.ddb 文件。常用的封装在这里都有了。 - 22 - 电解电容的 Footprints 是 E5-10,瓷片电容的 Footprints 是 E5-10,电阻 的 Footprints 是 0805, D2 LED 的 Footprints 是 RAD 0.2,三极管的 Footprints 是 E5-10，可变电阻 Rt 还有 CK4 的封装是自己由 BNC 的基础上修改 的。SW DIP-4 的 Footprints 是绘制在 Topoverlay 层上的。 绘制的方法也和原理图一样，把器件拖到 PCB 图上后，双击。可以在 Component 对话框中 Designator 中对器件命名。可以自己手动布线，也可以在 原理图中生成网络表，再由网络表产生 PCB 图。确定了物理和电气界限后就可 以自动布线了。 在原理图中的 Reports 中的 Bill of Material，选择 Sheet、Footprint、Description 就可以生成网络表。然后在 PCB 的界面下选 Design 的 Load Nets，便可以载入网络表了。再使用 Auto Route 工具就可以自 动布线了，生成 PCB 图。 （如图 4-1） 。 图图 4-14-1 PCBPCB 图图 - 23 - 4.4 实物的制作及调试 在 PCB 板子上安装元器件比在面包板上安装简单多了，板子表层上都已标 好元器件的位置，只是在焊接的时候应当注意虚焊。 实物做出来后，接下来就是对其进行调试。在调试之前，必须要用万用表 检查场效应管的各个管脚是否有短路现象，因为出现短路，一旦在电路板两端 加入 12V 直流电源，很容易就烧掉场效应管。确保没有任何问题的时候，开始 在输入端加入电压源，在输出端用示波器检测，但发现输出的波形比较乱。我 马上仔细的检查各个线路，但发现都没有错的。但是测量芯片 IC1 的 3 脚对地 直流电压时，该电压在 1V 以上说明芯片已经被软启动，第一步逆变部分正常工 作。经过几天的检查，无奈找不出问题，调试结果失败了。 4.5 本章小结 这一章主要介绍了运用 protel 软件设计电路原理图和 PCB 图的过程以及电 路板的调试。在 PCB 图的绘制过程中，遇到了封装上的问题。由于是第一次画 PCB 图，书上又没有详细介绍每个元器的对应封装表。我是在同学的帮助下完 成封装的。由于很多无法预料的因素，在调试时遇到许多问题无法解释清楚。 - 24 - 第五章 毕业设计总结 光阴似箭，四年的大学生活就快结束了。由于毕业设计是我们在学校的最 后一次作业，也是份量最重的一次作业。所以，我十分重视，希望通过勤奋和 努力能使我的毕业设计尽量做的更好。 在最初拿到这个课题的时候，我对这个设计所涉及的知识点所知甚少，在 网上查询了几个网站后，才略有了解。不过我连 Protel 等 EDA 软件还不会操作， 所以花了不少时间自学。一开始，我先去找关于课题的一切资料，做好准备工 作。我仔细阅读从图书馆借来的书和因特网上找的资料，为课题设计打下坚实 的理论基础。俗话说，万事开头难！由于第一次做硬件设计，一开始在设计原 理图方面就遇到困难了，不知从何下手。后来在王老师的指导下，根据逆变原 理的三个步骤，以这个思路来设计出电路原理图。然后在原理图的基础上画出 PCB 原理图，最后在 PCB 板子上做出实物。 这次毕业设计无论是从专业方面还是从为人处事方面都给我好好的上了一 堂课，这也是我在大学的最后一课，希望我能保持良好的习惯与品性，改正错 误的观点与做法，满怀信心的走出校园。 - 25 - 致 谢 在毕业设计期间，我要感谢我的老师还有我的同学，是他们的无私帮助才 使我顺利完成了毕业设计的任务。如果没有他们，我将难以想象我可以象现在 一样顺利地完成这次毕业设计。 在本论文完成之际，先要向我的导师王洪波老师致以诚挚的谢意。在毕业 设计的过程中，王老师给了我许许多多的帮助和关怀。王老师不仅有着丰富的 电路设计经验，而且待人平易近人，在王老师的悉心指导中，我不仅学到了有 用的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多；同时杨翊老师对我的毕业 设计也非常关心，定期的了解我的进展情况，为此我向王洪波和杨翊老师表示 衷心的感谢。实验室的叶林朋老师在我调试硬件的过程中给与了很大帮助，还 有沈小波同学在 protel 上的帮助，在此对两位深表感谢。 同时，我要感谢给我授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑， 让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我 也要感谢我的母校浙江科技学院，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让 我的大学生活丰富多姿，为我的人生留下精彩的一笔。 - 26 - 参考文献 1 曲学基.逆变技术基础与应用 M. 北京：电子工业出版社，2007-1：1-10 2 刘凤君. .现代逆变技术及应用 M.北京 电子工业出版社，2006 1-4， 178-180 3 周志敏.逆变电源实用技术 M. 北京：中国电力出版社， 2005-1：130- 147 4 司冬子，李 勋，杨荫福.逆变电源过流保护策略研究J. 通信电源技术. 2004-12，第21卷第6期：1-3 5 袁佑新，李波，辛华强.基于 PWM 控制器 KA7500B 的逆变电源设计J. 通 信电源技术. 2006-3，第 23 卷第 2 期：13-15 6 张庆双.电源应用电路集粹 M.北京：机械工业出版社， 2005-2：241- 256 7 于军，翟玉文，孙陆梅.TL494 脉宽调制器集成电路的研究 J 吉林化工学 院自动化系：吉林化工学院学报. 2005，22(3)：47-49 8 章优士，齐永龙.