TL494开关电源毕业设计(12V5A)毕业设计1.doc

.开关电源设计摘 要随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显。开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制和场效应管构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。开关电源比普通的线性电源效率高，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。本文详细分析了高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出了主电路和控制电路的详细设计方案。在此基础上，完成了整个系统的硬件电路设计和软件程序的编制，并对电源装置的硬件和软件进行了调试和修改。在分析原理的基础上，本文从三相桥式不控整流、全桥变换器、高频变压器、滤波电路等环节对该系统的主电路进行了阐述，同时探讨了该电源系统实现大功率的解决方案，即采用多个电源模块并联运行。在电压调节环节上，详细分析了基于TL494电源管理芯片。本文研制的直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大、纹波小等特点。关键词:开关电源，TL494,高频变压器，PWM控制;.Switchingpower supply designAbstractWith the development of power electronic technology and new type power components appear continuously, switching power supply technology obtained the rapid development, the computer, communications, power, household appliances, aerospace and other fields are widely used, and achieved significant results. Switching power supply with high efficiency, small volume, light weight and other significant characteristics. Switching power supply is the use of modern electronic technology, the control switch transistor turn-on and turn-off time ratio, to maintain the stability of the output voltage of a power supply, switching power supply is usually consists of pulse width modulation and a field effect tube. Switch power supply and linear power supply, the twos cost as the output power increases, but the two growth rate of different. Switching power supply than ordinary linear power supply efficiency is high, the power switch in the development and application in saving energy, saving resource and protect environment has important significance. At present, all the countries in the world have a wide range of applications, particularly for large capacity high frequency switching power supply research and development have become the main research field of power electronics, and derive a lot of new research direction.This paper presents a detailed analysis of a high performance, high power DC power supply and working principle, and has proposed the main circuit and control circuit of the detailed design scheme. On this basis, the system hardware circuit design and software program, and the power supply device hardware and software debugging and modification. Based on the analysis of the principle, this article from the three-phase bridge uncontrolled rectifier, a full bridge converter, a high frequency transformer, filter circuit of the main circuit of the system are described, and discussed the power supply system of high power solutions, the use of multiple power supply modules operating in parallel. In the voltage regulating link, a detailed analysis of the power management chip based on TL494. This paper designed DC switching power supply with adjustable output voltage, output current, ripple is small wait for a characteristic.Keywords: Switching Power Supply, TL494,High-frequencyTransformer, PWM control;.目 录开关电源设计I摘 要I第1章 绪论3第一章 开关电源基础技术51.1 开关电源概述51.1.1 开关电源的概念及工作原理51.1.2 开关电源的特点61.2 开关电源的分类61.3 开关电源典型结构71.3.1 串联开关电源结构71.3.2 并联开关电源结构81.4 开关电源的技术指标91.5 开关电源中存在的问题121.6 开关电源的发展趋势122.1 开关晶体管142.1.1 功率开关MOSFET142.1.2 绝缘栅双极型晶体管162.2 软磁铁氧体磁芯172.2.1 磁性材料的基本特性182.2.2 磁芯的结构与选用182.3光电耦合器192.4 二极管232.4.1 开关二极管232.4.2 稳压二极管232.4.3 快速恢复及超快速恢复二极管242.5 自动恢复开关25第三章 开关电源的设计28第四章 双端驱动集成电路TL494404.1 TL494简介404.2 TL494的工作原理414.3 TL494内部电路414.3.1 TL494管脚功能及参数424.4 TL494构成的PWM控制器电路44第5章 结论46参考文献48附录一 元器件清单49附录二 总原理图50第1章 绪论电源是实现电能变换和功率传递的主要设备、在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，如：节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 第一章 开关电源基础技术1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的概念及工作原理开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压U0。图1-1 开关电源的工作原理(a)为原理性电路图，(b)为波形图为方便分析开关电路，定义脉冲占空比如下： (1-1)式中T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间1。开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui之间有如下关系： (1-2)由(1-2)式可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的。T不变，只改变TON来实现占空比调节的方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，所以PWM式开关电源用得较多。若保持TON不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U0稳压的方法，称做脉冲频率调制(PFM)方式开关电源。由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。1.1.2 开关电源的特点(1)效率高：开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%90%，高的可达90%以上。(2)重量轻：由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。(3)稳压范围宽：开关电源的交流输入电压在90270V范围变化时，输出电压的变化在2%以下。合理设计电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。(4)可靠安全：在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。(5)功耗小：由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性3。1.2 开关电源的分类1.按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式和脉冲调频调宽式三种。2.按开关电源的触发方式分类 自激式开关电源，自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。它激式开关电源，它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。 3.按其他方式分类按电路的输出取样方式分类，可分为直接输出取样开关电源，间接输出取样开关电源；开关电源按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源。1.3主要任务及技术指标1.3.1开关电源的主要任务1、输入电压：AC220V 2、输入频率：50Hz3、输出电压：12V 4、输出电流：10A5、输出电阻：R0.5，纹波电压：3IOM；最高反向工作电压VRM为最大反向峰值电压V(BR)S的2倍以上，即VRM2V(BR)S。2.5 自动恢复开关自动恢复开关（Resettable Swithing，RS）又叫自动恢复保险丝，它是一种过流保护器件。当电路发生短路或用电电流超过极限值时，它起保护作用。它具有开关特性好、使用安全、不需维护、自动恢复、可反复使用等特点。2.5.1 工作原理自动恢复开关是由高分子晶状聚合物和导电链构成的，它将聚合物紧密束缚在导电链上，在常态下它的电阻值非常低，只有0.2，工作电流通过开关时功耗也很小，它所产生的热量很少，不改变聚合物内部的晶状结构。当电路电流超过最大设计值或发生短路故障时，电流增加，导电链产生的热量时聚合物从晶状体状态变为非晶状体状态，立即将电路电流切断，对电路起到保护作用。当故障排除以后，它又能很快恢复到低电阻状态。这种可持续性的转换器件能反复使用而不损坏。自动恢复开关可在家用电器、计算机通信设备以及开关电源上用作过流保护。通常，将自动恢复开关串接在低压直流输出端，此时交流输入端的保险管可省去。这里应特别注意：自动恢复开关只能进行低压过流保护，而不能接在220V或110V交流电压上，否则将使开关烧坏。日光灯短路或漏气时，镇流器的工作电流是正常工作电流的3倍以上，这时只要在镇流器的输出端与灯之间的电路上串接一只自动恢复开关，就能非常有效地进行过流保护，提高电子镇流器的可靠性。(2) 检测方法 电阻检查用数字万用表的电阻档直接测量它的直流电阻，电阻值越小，自动恢复开关的容量越大。 过流后自动恢复能力的检查在直流稳压电源输出端，将自动恢复开关与电流表串联，要求稳压电源的输出电流必须大于自动恢复开关的电流容量IH。稳压电源的输出电压从零开始逐渐升高，这时注意电流表的电流读数也在不断增加。当稳压电源的输出电流接近或超过自动恢复开关的电流容量时，电流表上的电流读数突然减小，此时自动恢复开关已进入高阻状态。关断电源后，稳压电源的输出电压又从零点几伏开始上升。观察电流表，如果一段时间后电流表上的电流读数升到一定值，这段时间就是自动恢复开关的自动恢复时间。2.6 热敏电阻热敏电阻时有锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻的主要参数有：(1) RT0：零功率电阻值，表示室温为25时的电阻值。(2) ：零功率电阻系数，表示零功率下温度每变化1所引起电阻值的相对变化率（%/）。(3) ：耗散系数，指热敏电阻的温度每变化1所消耗功率的相对变化量（mW/）。热敏电阻在开关电源中起过温度保护和软启动的作用。过温保护时将热敏电阻并接在输入电路中。刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压超高，热敏电阻就会发热，其电阻值降低，对输入电流分流。当发热越过极限值时，整流后的输出电压降低，开关电源高频振荡停振，或是由于热敏电阻阻值降低后，将电路保险丝烧断，电路与供电电源断开，起到热保护作用。所谓软启动是指电源刚通电时，因滤波电容C的电压不能突变，容抗趋于零，瞬时对电容充电的电流很大，容易损坏电解电容。为了解决这一问题，一般是在电路中串接几欧姆的电阻，在启动瞬间对电流加以限制。但是，由于电阻功耗上升，电源效率下降。如果将电阻换为热敏电阻，就可解决这一问题。电路刚通电时，热敏电阻的温度低，阻值很大，瞬时能对充电电流加以限制。随着电流通过发出热量，热敏电阻的阻值迅速减小，启动成功，功耗降低。这就是热敏电阻对软启动的作用。第三章 开关电源的设计3.1 开关电源的电路组成 开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下：3.2 输入电路的原理及常见电路 3.2.1 AC输入整流滤波电路原理 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2、 DC 输入滤波电路原理： 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于 C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使 Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。3.3功率变换电路3.3.1 MOS管的工作原理目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。 3.3.2 常见的原理图：3.3.3 工作原理： R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。 3.3.4 推挽式功率变换电路： Q1和Q2将轮流导通。3.3.5 有驱动变压器的功率变换电路： T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。4.1 输出整流滤波电路： 4.1.1正激式整流电路：T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成型滤波器。 4.1.2 反激式整流电路：T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成型滤波器。 4.1.3 同步整流电路：工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经 C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2 为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使 Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成 型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。5.1 稳压环路原理5.1.1 反馈电路原理图： 5.1.2、工作原理： 当输出 U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1脚电压升高，当其超过U1脚基准电压后 U1脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842脚电位相应变低，从而改变U1脚输出占空比减小，U0降低。 当输出 U0降低时，U1脚电压降低，当其低过U1脚基准电压后U1脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842脚电位升高，从而改变U1脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。 反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障