开关稳压电源设计报告.doc

开关稳压电源设计报告摘要 本设计是对2007年全国大学生电子竞赛的E题。电路的设计是利用并联型开关稳压电源的拓扑结构，通过分析以ICTL494芯片为核心的PWM控制器的工作原理，实现了DCDC变换。得出适合于设计要求的主电路的结构，并在此基础上设计出控制电路、保护电路、驱动电路。运用调节占空比的大小自动控制输出电压，并对各部分电路的原理进行分析。设计出电路的闭环控制系统，使电源工作在一个稳定的系统，并留出20%较大的控制余量。根据设计要求以及主电路的结构，对电路中各参数进行计算。最后对电路进行测试，并根据其进行改进。关键词：开关稳压电源 PWM ICTL494芯片 驱动电路1题目分析与方案论证：图1 电源框图a. 题目分析: 题目给出的框图如图1所示。该方案是通过变压器降压，再经过整流电路、滤波电路得到直流电，再经过DC-DC的变换控制电路，得到要求的直流电。要使电路能达到设计要求，DC-DC变换的关键是PWM控制。它是开关电源的核心部分，由功率变换和高频整流两部分组成。题目需要将直流电源转换成大于输入电压的稳定的输出电压。串联型稳压电路是降压型的电路，并联型稳压电路是升压型的电路。所以我们采用的并联型开关稳压，通过升压电路，能使得输出电压大于输入电压。通过调节占空比使输出电压为30V-36V可调。b. 方案论证：交流电220V/5HZ变压器整 流滤 波PWM控制电路 保护电路MOS门电路滤 波负 载 图2 方案一框图 图3 方案二框图方案一的电路简单，清晰，易于操作调试。且PWM的的外围参数设置方法多样。易控制方案二的优点是线性可调，但是高频变压器绕制要求较高，整体配置调试难度大。因此，我们选择方案一。2桥式整流电路与电容滤波电路 图4 桥式整流电路与电容滤波电路首先把交流电转化成直流电。这里采用桥式整流。桥式整流与半波整流的相比，输出电压的脉动小很多。由于还需要进行DC-DC的确变换，对直流的要求不是很高，所以在整流后只加上一个电容进行滤波，以减小整流后直流电中的脉动成分。 图5 整流与滤波后的电压波形图3. DC-DC主回路的拓扑结构并联开关型稳压电路的拓扑结构如图6所示。其中输入电压的为直流供电电压，晶体管T为开关管，开关管的基极信号为矩形波（也是PWM的输出），电感L和电容C组成滤波电路，D为续流二极管。图6a. 控制方法与实现方案图7图7中，T管的工作状态受的控制。当为高电平时，饱和导通， 通过T给电感L充电储能，充电电流几乎线性增大;D因受到反压截止;滤波电容C对负载电阻放电，等效电路如(b)所示，各部分电流如图标注。当为低平时，T截止，L产生感生电动势，其方向阻止电流的变化，因而电流与同方向，两个电压相加后通过二极管D对C充，等效电路如(c)所示。所以，无论T和D的状态如何，负载电流方向始终不变。经过分析，可以得出控制信号，电感上的电压和输出电压的波形，如图(c)。从波形分析可知，只有当L足够大时，才能升压;并且只有当C足够大时，;输出电压的脉动才可能足够小;当的周期不变时，其占比愈大，输出电压将愈高。在其工作原理下，当开关晶体管导通期间，输入电压加到储能电感L的两端(这里忽视了V的饱和压降)，二极管因被反向偏置而截止。在此期间流过L的电流为近似线性增加的锯齿形电流如(b)，并以磁能的形式储能存在L中。在这期间的变化值为=:在开关晶体管V截止时，储能电感L两端的电压极性相反，此时二极管被正向偏置而导通。储能在L中的能量通过二极管的输送给负载电阻和滤波电容。在此期间L中的泄放电流是锯齿形电流的线性下降部分(图C)所示，这期间电流变化=。同理，当开关晶体管V的导通期间在储能电感L中增加的电流数值应该等于开关等于截止期间在储能电感L减少的电流值。只有这样才能达到动态平衡，才能给负载电阻提供一个稳定的输出电压。所以有=即是又=。因为=T*q和=T*(1-q)。 整理得: =。占空比:设晶体管 V的开关转换周期T,导通其的时间为,截止期的时间为,占空比为q(q=)。是输出电压与输入电压的关系。b. 提高效率的方法及实现方案 由=。是输出电压与输入电压的关系。所以大于。要高DC-DC的变换效率应该综合考虑各种因素。提高开关的变换速度，因任何一个晶体管和二极管的导通到截止和从截止到导通的转换过程都需要一定的转换时间。可以采用反向恢复时间短，导通时间快的肖特基二极管、快恢复的二极管作为续流二极管。也可以在续流二极管的电路中的串一个电感很小的电感，则利用电感的电流不能突变的特性来抑制二极管的反向恢复期间内的反向电流。进而提高效率。提高工作效率，开关稳压电源的效率与储能电感L上的损耗功率也有反比例的关系，所以在提高电源输出率的过程中，要选择适宜的储能电感。c. 采用以ICTL494芯片为核心的PWM控制器的DC-DC变换。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置一个线性锯齿波振荡器， 振荡频率可通过一个外部电阻和一个电容进行调节。 具有完整的脉宽调制控制电路；片内有两个误差放大器；片内有5V的基准电压；死区时间控制可以调节；输出级晶体管额定电流可达500mA；输出控制可用于推挽、半桥或单端工作电路；具有欠压封锁功能。工作温度范围：TL494为-4085，TL494C为-2085。 图8 TL494内部结构电路图4. 电路设计与参数计算a.主回路器件的选择及参数计算开关晶体管T的选择:并联型原理图(图6)可见，开关管V上所承受的最大电压。又因为上式的输出和输入电压之间的关系。考虑到输入电压有10%的波动，电感L上的反峰尖刺电压为稳定压值的确20%。开关晶体管V上所承受的电压实际为1.1*1.2=1.3。通常选择时对管子的有一定的裕量。所以取其工作电为80%的额定电压值，则有1.32=0.85。即是=(1.32/0.8)=1.65=1.65*。=1.65*3660V电极电流的计算:同理从并联型原理图可见。 在晶体管导通期间，流过开关晶体管V的电流也就是在该期间内流过储能电感L中的电流，也就是输入电流从。如果，不考虑电路中的其它耗散功率时， =当选择管子在实际工作时，也考虑一定的裕量，应该把工作电流取为80%额定电流值。所以0.8=。所以=1.25=1.25*=1.25*22.5A极管的选择。反相电压的计算:在开关晶体管V 导通期间，二极管因反相偏置而截止，此时上所受的电压为输出电压。此外，在选择二极管时，都应该有一定的裕量，一般留20%的裕量，所以二极管的反向耐压为: =1.25=1.25*3645V，正向导通电流=1A滤波电容C的选择:并联型开关稳压电源达到稳定状态后，输出电压稳定在所设计的恒定电压值U。上，处处支流电流I。 。由于在开关管V导通期间全部负载电阻上的电流I。都是由电容C供给的，所以这时候电容C上的电流就等于电源的输出电流，并且在这期间电容C上的电压变化量为输出电压的波纹电压值U。，此时我们就如下的关系式U。=1V。所以C=2200uF=b. 耐压值U。的计算:当开关管V截止时间，加在滤波电容C的两端的电压为输入电压Ui；当开关管V导通期间，加在电容C上的电压为输出电压U。，（储能电感L上的电压降和二极管Vo的正向导通压降这里都被忽略了）而并联开关电源的特征是输入电压为Ui比输出电压U。小，这里就输出电压U。，在确定电容耐压的标称值时应留有50%的余量。所以，滤波电容C的耐压值应由下式决定。3*36=110Vc. 能电感L的选择:在分析并联型开关稳压电源的工作原理时已经讲过，在开关管V1导通的t期间，储能点感L的电源的增量应于开关官V截止的时间t渐渐储能电感L上的电流的减少量相等，所以有I（+）=（-）式中，（+）表示增加量，（-）表示减少量，即两中变化的数值相等，极性（方向）相反。给出类储能电感L上的电流的增量，又给出了储能点感L上的电流的减少量，现在就可以计算出储能电感L上的电流在一个转换周期内的变化的峰值为：L=10150uH5. 控制电路图9 控制电路是与TL494芯片为核心。 TL494是一种性能优良的脉宽调制控制电路，可作为推挽式、全桥式半桥式开关电源控制器，工作额定频率为10kHz300kHz，输出电压可达40V。它具有（1）具有完整的脉宽调制控制电路；（2）片内有两个误差放大器；（3）片内有5V的基准电压；（4）死区时间控制可以调节；（5）输出级晶体管额定电流可达500mA；（6）输出控制可用于推挽、半桥或单端工作电路；（7）具有欠压封锁功能。工作温度范围：TL494为-4085，TL494C为-2085首先由于，1、2脚和15、16脚分别为两个比较器输入端；由于该电源只对一路电压输出，所以只需要一组比较器，及把15、16脚分别接、地，屏蔽掉。然后1脚接反馈，2接标准电压，通过比较1、2脚地电位，来控制占空比。 在本控制器中只用到了TL494的误差放大器I，故将误差放大器H的IN十(16脚)接地、IN(15脚)接高电平。为保护TL494的输出三极管，经R26和R25分压，在4脚加接近03V的间歇期调整电压。R13、C14和C6组成了闭环校正网络， 然后通过分析得出该电源的工作频率为30kHz，又因为5、6脚为振荡器的 、输人端，决定工作频率。其公式如下:R端的电阻（）C端的电容（）6. 驱动电路图9开关稳压电源中的开关管V要求在关断的时候就能迅速关断，并能维持关断期间的漏电电流近似等于零;在道统时要能迅速道统，并能维持导通期间的管压降近也近似等于零。开关管V趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的快慢是降低开关晶体管V损耗功率，提高压电源效率的主要因素，要缩短这两个时间，除了选择高反压，高速度，大功率开关管以外，主要还取决于加在开关管基极的驱动信号。这里我们采用了互补驱动电路。保护电路：为了实现保护电源工作，需要一个保护电路。为了使电路排除故障后，电源能自动恢复为正常的状态。所以在设计电路时应该采用限流式过流保护。7. 测试方法与数据：测试方法 :输出电压检测法;最大输出电流检测法; 电压调整率检测法;负载调整率检测法;输出噪声纹波电压峰-峰值检测法; DC-DC变换器的效率检测法;动作电流检测法;测试仪器 : 20MHz普通示波器b.60MHz双通道数字示波器e.低频毫伏表g.普通频率计h.失真度测试仪i.直流稳压电源k.四位半数字万用表测试数据 :1使用万用表的DC200V AC20V的量程.分别测输出,输入.并且记录下来在常温下(AC18 V输入，36V输出正常条件下改变36V输出的负载，使负载从轻载到满载（10I100I，I2.5A）变化)记录各组输入和输出电压如下表：电流（A）18V36V0.2518.5535.730.5018.6135.850.7518.0536.121.0018.8636.011.2518.1735.881.5018.2435.751.7518.3635.792.0018.4836.022.2518.1835.892.5018.640wt2 从电压变化和电流变化情况看来，电压调整率能达到小于等于2%的要求。并且，当电路中的电流超过2.5A的时候，电路能达到自动停止工作。8.发挥部分1可以通过提高开关节变换速度减小开关变换时间。2 可以提高工作效率。来加快DC-DC的变换。通过两种以了两种方法。进一步提高电压调整率，提高负载调整率和提高效率。排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。附件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+42V功耗PD1000mW热阻RJA80/W工作结温TJ125工作环境温度TL494BTL494CTL494INCV494BTA-40+1250+70-40+85-40+125额定环境温度TA40参考文献1.何希才。开关