示例-TL494脉宽调制高频开关稳压电源设计.doc

设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到2050KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流；2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：工频整流滤波、功率变换（高频逆变）、高频整流滤波。控制电路主要环节：脉冲发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。3） 功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。4） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 用TL494产生脉冲2 设计思路清晰，给出整体设计框图；3 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；4 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。5 绘制总电路图6 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压：单相（AC）220（1+15%）、24V（DC）2） 输出电流：10A3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.86)功率因数：0.82. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一：课题内容介绍和查找资料； 星期二：总体电路方案确定 星期三：主电路设计星期四：控制电路设计 星期五：控制电路设计；第二周星期一：控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五：写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午：答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉，栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安，黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明，姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖润，胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999目 录第1章 概述7第 2 章 系统总体方案92.1高频开关稳压电源的基本原理92.2 高频开关稳压电源总方案102.3 高频开关稳压电源的组成电路及功能11第3章 主电路设计。133.1主电路形式选择133.2高频变压器的参数143.3开关管的选择153.4 主电路中的保护电路16第4章 控制电路设计 174.1控制电路的设计。174.2驱动电路的设计 184.3保护电路194.4检测电路19第5章 系统性能测试与结果205.1负载调整率测试205.2电压调整率测试 215.3效率测试215.4输出纹波电压及噪音测试 21第 6 章 心得体会22附录：总电路图23评分表.24第1章 概 述电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,没有它的存在，现代的各种电力设备和给我们生活带来方便的各种电器将不可能实现。有相当一部分设备和电器是使用直流电的，而接入家庭的是都是交流电，这就需要电源转换成所需的直流电。各种AC-DC电源中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到了广泛应用。 高频稳压电源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，高功率因数，以及智能化，低成本，EMI小，可制造性，分布电源结构等。现在功率MOSFET和IGBT己完全取代功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源的高频化有了可能:器件的工作频率可达到400KHz(AC-DC开关变换器)和1MHz(DC-DC开关变换器)，超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效，低电压输出(U3V)的开关电源创造了条件。电源按硬开关模式工作时开关损耗大，高频化可以缩小电源的体积重量，但开关的损耗更大了.为此研究开发出开关电压/电流波形不交叠的技术，即零电压(ZVS) /零电(ZCS)软开关技术，有效的提高了开关电源的效率例如在九十年代中期30A/48V开关整流器模块采用移相全桥ZVS-PWM技术后，仅重7kg。比用PWM技术的同类产品，重量下降40%.最近国外小功率AC-DC开关电源模块(48/12V)总效率可达到%;48/5VAC-DC开关电源模块的效率可达到92-93%，二十世纪末，国产的50-100A输出，全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%.电流型控制及多环控制已得到较普遍应用，电荷控制，一周期控制，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使电子电源动态性能有很大提高，电路也有大幅度简化。电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,在现代的各种电力设备中都得到里广泛的应用。特别是在小型及各种家用电器和电子设备中大量使用了各种ACDC转化电路，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到最为广泛的应用。本课题是设计一种基于TL494 PWM控制芯片为核心构成的高频开关电源电路。TL494芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本,因而被广泛用于小功率开关电源。用其作为PWM控制芯片组成的电路具有结构简单、体积小、容易实现的特点。实验表明由该PWM控制芯片控制的开关电源的性能可同集成稳压器媲美,效率比线性稳压电源高,有很好的发展前景。电子电源微处理器监控，电源系统内部通信，电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术。总之，开发高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以及智能化电源系统仍然是今后开关电源技术的发展方向.第2章 系统总体方案2.1 高频开关稳压电源的基本原理高频开关稳压电源是需要直流电设备中常用的AC-DC转换电源，它的作用是把公网上的220v交流电转换成适用的直流电。公网上的工频交流电先整流滤波为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到2050KHz的高频交流，然后再经高频整流与滤波，就得到所需的直流电。工频整流滤波由桥式电路实现，功率变换由PWM控制芯片按周期控制开关管的导通实现，高频整流与滤波由副边感应线圈、二极管和电容组成的LCD电路实现。2.1图所示为高频开关稳压电源基本原理图。公网上的工频交流电可通过桥式电路整流滤波后初步转换成固定直流即图中的直流电源U 。由PWM控制芯片控制开关管Q 的导通与否。当开关管Q 导通时,忽略其饱和压降,电源电压U 加在主变原边，副边感应电压于二极管D 极性相反使二极管D 反偏截止,副边电路中无电流,直流电源U 供给的能量临时储存于主变原边电感中。当开关管Q 截止时,电感产生反压,为上负下正，同时在副边感应出电压,为上正下负与二极管D 极性相同使二极管D 导通,电容C 充电,同时给负载R 供电,主变原边储能转移到副边从而得到释放。当开关管Q 重新导通时,电容C 给负载R 供电,同时主变原边重新储能,如此反复电阻R 上就得到直流电。输出电压的大小由原副边匝比n、占空比d 和输入电压U 来决定。 图2.1 高频开关稳压电源基本原理图 2.2 高频开关稳压电源总方案本课题的任务是设计一种简单、可靠、成本低廉的高频开关稳压电源,根据对本课题任务书的认真分析并参考各种资料最终选用以低成本的TL494 PWM控制芯片为核心构成开关稳压电源。图2.2为高频开关稳压电源的基本框图。图2-2 高频开关稳压稳压电源基本框图 在基本框图中的第一个整流滤波环节是把从公网上输入的交流电初步转换成直流电，该直流电的电压U 与公网电压相同，并不符合设计要求。还要再经过逆变和高频整流滤波环节才能用于设备。逆变环节的作用是把经工频整流滤波环节产生的直流电U 重新变为指定频率的交流电。逆变所得的交流电的电压与逆变前的直流电压U 相同。交流电的频率与逆变电路中开关管Q 的导通频率相同，开关管的导通是由3875 PWM控制芯片决定的。逆变后的高频交流经过由变压器副边线圈、续流二极管和电容组成的LCD电路就可得到所需的直流电。其输出电压的大小由变压器原副边匝比n、占空比d 和输入电压U 来决定。在转化过程中公网中的交流电压不是一成不变的，为了得到稳定的直流电，只能对占空比d进行不断的调整。故加入电压检测电路，并把检测结果送入脉宽调制中构成负反馈。2.3 高频开关稳压电源的组成电路及功能1.主电路 交流电从公网输入到直流输出的全过程： 1、输入滤波器：其作用是将公网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：通过桥式电路将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将工频整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关稳压电源的核心部分，逆变所得的交流电频率越高，高频开关电源体积、重量与输出功率之比就越小。 4、输出整流与滤波：根据设计需要，通过LCD电路得到稳定的直流电源。 2.控制电路 控制电路的核心是TL494 PWM控制芯片，它一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出直流电的稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。 3.检测电路 为了直流输出电压的稳定，本方案有一个负反馈回路，检测电路是其中的重要环节，负责检测直流输出电压的当前值并把数据提供给控制电路中的脉宽调制电路。以便根据变化实时调整占空比d，达到直流输出电压稳定的目的。 4.辅助电源 负责给TL494 PWM控制芯片及其他的单一电路提供不同要求的电源。5.保护电路 电源在工作过程中有各种各样的情况会危害到电源、用电设备甚至公共电网的安全。保护电路的目的是在发生这些情况时自动的截断电路或吸收过度的能量以保护电源等的安全。第3章主电路设计3.1主电路形式选择电子设备对电源在体积、重量、效率等方面提出了越来越高的要求。选择好的主电路形式对电源的质量至关重要。主电路形式主要依据输出功率大小，输出电压高低进行选择。若输出功率较大时宜采用三相输入电源及桥式输入电路；若输出功率较小但输出电压较高时宜采用反激变换器电路等。采用单相输入电路时对功率器件、输入滤波电容等的耐压要求较低，元器件的成本也相对较低，因而输出功率较小时优先选用单相输入电路。单端反激式开关电源具有体积小、重量轻、效率高、线路简单和可靠性高等优点。根据本课题所设计电源的技术要求，可选择电源电路结构为单端反激型。3.2高频变压器的参数本课题的目标是完成一个交流输入电压范围为220(115%)V,输出为24V/10A,工作频率f=50kHz的高频开关稳压电源. 单端反激式开关电源中变压器不仅作为变压器使用,同时副边线圈又作为储能电感,它的设计方法与其他类型的变压器不同.其设计参数丰要有以下3项: (1)求出原边绕组电感量; (2)选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯; (3)计算原副边绕组匝数. 3.2.1 计算原边电感量Lp及变压器气隙 考虑到输入电压有15%的波动,即要求该单端反激开关电源在交流电压180260V范围内都能正常工作. 原边绕组流过的峰值电流Ip为 式中:输出功率Po=2410=240W; 取反激变压器最大占空比Dmax=05; Vs应取最小值 Vs(min)=24014-20=316V 其中20V为直流纹波及整流桥压降之和. 将各已知量代入式(2)得 原边电感值为：假设电压Vs波动下限为7%,Vs(min)316(1-007)=294V,则 本设计中变压器选用由铁氧体R2KB材料制成的GU2616罐型磁芯,其所需气隙长度可由下式计算 式中:Ae为磁心有效截面积; 即工作磁感应强度变化值取饱和值8s的一半,查阅R2KB铁氧体磁性能表可知,其饱和磁感应强度Bs=3500GS,则 磁芯有效截面积A=9725mm2代入各值计算可得 3.2.2 原副边绕组匝数 原边绕组匝数计算公式为 将3.2.1中得到的各量代入得N1=719匝. 副边绕组匝数的计算公式为 式中:VD为整流二极管正向压降. 代入数据,得取TL494的工作电压为15V,则反馈绕组取11匝,式中的lV为整流管的导通压降. 取N3=40匝.3.3开关管的选择交流输入电压的最大值为260V，整流滤波后的直流电压的最大值为368V。所以功率开关管关断时最大漏极电压为368V，应选择耐压在600V以上的功率开关管。3.4 主电路中的保护电路在电源的实际使用过程中，会有很多危害电源安全的情况发生，比如在电源刚刚接通时，电源输入的电压高达400多伏，这显然超出了本电源的设计承载能力，会烧坏电源，造成无法逆转的损坏。在电源电路中添加保护电路能在这种情况发生时保护电路不受破坏。 图3.1 RCD保护电路图3.1为电源电路中的RCD保护电路，它可以吸收电路中的峰值电压。当电路中出现峰值电压时，可通过RCD保护电路中的电容吸收其能量，避免过高电压对保护电路造成损坏。第4章控制电路设计4.1控制电路的设计控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望输出电压附近的目标。本课题选用TL494芯片做集成控制器。4.1.1 TL494结构和功能介绍 TL494是一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。TL494芯片主要特点是: (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)内置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。各管脚功能简介如下：其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加03.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。4.1.2控制电路的设计振荡器的振荡频率由引脚5和引脚6脚之间的外接定时电阻Rt和定时电容Ct， ,Rt的单位取k，Ct取F。 图4.1 控制电路中的定时电路设计4.2驱动电路的设计驱动电路的基本任务是将TL494的8、11管脚传来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通可关断的信号。驱动电路还要提供控制电路和主之间的电气隔离。 目前已有很多成熟电路。本系统驱动信号与功率器件不需要隔离，所以采用直接驱动，驱动电路的设计比较简单，采用TL494作驱动器。 TL494的8、11管脚有两种驱动方式，一种是推挽式，第二种是并联驱动。本方案需要较大的驱动电流，故选用第二种方案。并将控制驱动方式的13管脚接地。 图4.2 TL494驱动电路设计4.3保护电路控制电路是电源电路中工作电压最低的地方，在主电路中的正常和非正常电压或电流都可能破坏控制电路。所以控制电路的保护和其与主电路的隔离至关重要。在控制电路中要作好过电压、过电流和电压尖峰三种情况的防护，保护控制电路不受损坏。4.4检测电路电源工作过程中，输入电压一直都会不断的波动，这也造成了输出电压的不稳定，严重的影响了电源输出电压的质量。必须加入负反馈电路不断的对PWM波的占空比进行调整。在TL494 PWM控制芯片中集成有PWM调整电路。在本方案中TL494的管脚1不断的从输出端接受当前时刻的输出电压，并与标准电压进行比较，若输出电压小于标准电压则降低PWM波的占空比，增加开关管的导通时间，达到提高输出电压的目的。当输出电压高时，则提高PWM波的占空比。 图4.3 检测电路 第5章 系统性能测试与结果5.1负载调整率测试1定义：在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。反映负载电流的变化对输出电压的影响。2测试方法：(1)交流输入电压220V，输出电流为50%Io时，测出稳定的直流输出电压值Uo。(2)调整负载电流为100%Io与(10%-15%)Io，测出稳定的直流输出电压值Uo1，Uo2(3)计算100%Io与(10%-15%)Io条件下电压调整率 1=(Uo1-Uo)/Uo100%2=(Uo2-Uo)/Uo100%5.2电压调整率测试1定义：反映交流输入电压变化对输出电压的影响。又称电压调整率。2测试方法：(1)交流输入电压220V，输出电流为满载时，测出稳定的直流输出电压值Uo。(2)调整交流输入电压为180V，260V，测出稳定的直流输出电压值Uo1，Uo2(3)计算180V，260V条件下电压调整率 1=(Uo1-Uo)/Uo100% 2=(Uo2-Uo)/Uo100%5.3 效率测试1内容：测试不同交流输入电压，不同负载条件下电源效率2测试方法：(1)交流输入电压90V，160V，220V，260V，输出电流为100%Io，30%Io，空载时，测出对应的稳定的直流输出电压值Uo与对应的交流输入功率Pin。(2)计算效率=Po/Pin100%=(UoIo)/Pin100%5.4 输出纹波电压及噪音测试1、测试条件：交流输入电压220V，输出满载。2、测试方法：测试时，示波器TIME/DIV档置10uS/div，带宽置20MHz，读取示波器显示的输出电压峰-峰值即为输出纹波电压(包含毛刺在内的峰-峰值为纹波+噪音)。根据以上设计，采用TL494输出电压为24V，电流为10A的高频开关稳压电源的性能进行了测试。实测结果表明，该开关电源的纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都符合设计要求。第6章 心得体会在电子设备中电源是其中重要组成部分之一，它负责给主电路提供稳定可靠的电力，没有一部高质量的电源，电子设备就不能更好的工作。在现实生活中单相电的使用非常广泛，大量的电子设备中都有单相AC-DC转换电路。它运用