小型控制系统设计课教材

1、小型控制系统设计课设计的题目：采用TL494构成脉宽调制降压稳压电源电路设计任务及目的：设计任务:掌握开关电源的工作原理及特性，设计脉宽调制降压稳压电源电路要求输出5V/1A,掌握TL494芯片的工作原理及特点，了解TL494的技术指标TL494芯片的技术指标：功率少、稳压范围宽、体积小重量轻、安全可靠最大绝对值如下图：参数TL494单位电源电压Vcc41v 丁放大器输入电压V1Vcc+0.3V集电极输出电压V041V集电极输出电流1250MA封装热阻RD封装73CN封装88:NS封装64PW封装108引线离壳体1.6 mm, 10s 焊接温度D, N 或 PW 封装260C存储温度Tstg-

2、65-150推荐工作条件:参数最小最大单位电源电压Vcc740V放大器输入电压V1-0.3Vcc-2V集电极输出电压V040V集电极输出电流（每个 晶体管）200MA电流进入反馈内0.3MA振荡器频率f1300KHZ定时电容Ct0.4710000Nf定时电阻Rt1.8500K设计目的：熟悉相关元器、芯片的功能和典型应用通过本课程设计，学生能 够了解电子产品的生产过程，掌握电子技能的基本知识和实践技能从而加深对 电子技术的理解 .训练学生的分析具体问题的能力 . 对学生进行基本技能训练 . 使 学生理论联系实际 , 提高动手能力和分析问题、解决问题的能力 .设计过程：（一）开关电源、（二） TL

3、494I. 开关电源的工作原理 :1 交流电源输入经整流滤波成直流 ;2. 通过高频PWM脉冲宽度调制）信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器 初级上 ;3. 开关变压器次级感应出高频电压 , 经整流滤波供给负载 ;4. 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWh占空比,以达到稳定输 出的目的 .交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西 , 过滤掉电网上的干扰 , 同时也 过滤掉电源对电网的干扰 ; 在功率相同时 , 开关频率越高 , 开关变压器的体积就越 小, 但对开关管的要求就越高 ; 开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有 多个抽头 , 以得到需要的输出 ; 一般还应该增加一

4、些保护电路 , 比如空载、短路等 保护, 否则可能会烧毁开关电源 .II 开关电源的分类：按负载的连接方式分类1. 串联型：开关电源中开关晶体管与负载串联起来2. 并联型：开关电源中开关晶体管与负载并联起来按稳压控制方式分类1. 脉冲宽度控制式：利用加到开关调整脉冲宽度的不同， 控制开关调整的导通时 间，达到稳定的输出目的2. 频率控制式： 控制振荡器的重复周期， 达到稳压的目的。 目前生产的彩电电视 机绝大部分是采用脉冲宽度控制式 , 频率控制式采用得少按激励方式：他激式：需要开关电源外的激励信号来启动开关调整的方式自激式：由开关调整管自激振荡来启动开关调整管的方式 一般他激式都是由逆程脉冲

5、作为开关调整管导通的激励信号，部分自激式开 关电源为了使振荡频率与行频同步，也采用行逆程脉冲做为触发电平 按输出波形分 ：分矩形波和正弦波电路 按开关管的个数和连接方式分 ：单端式、推挽式、半桥式全桥式 III. 开关稳压电源的结构： IV 开关稳压电源的优点和缺点A.优点：1 .功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信 号的激励下， 它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态， 转换速度很 快，频率一般为 50kHz 左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近 1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其 效率可达到 80%。2 .

6、体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有 采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较 大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。3 . 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节 的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿， 这样，在工频电网电 压变化较大时， 它仍能够保证有较稳定的输出电压。 所以开关电源的稳压范围很 宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。 这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多， 设计人员可以根据实际应用的要求，灵

7、活地选用各种类型的开关稳压电源。4 . 滤波的效率大为提高， 使滤波电容的容量和体积大为减少。 开关稳压电 源的工作频率目前基本上是工作在 50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整 流后的滤波效率几乎也提高了 1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率 也提高了 500b 倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容 的容量只是线性稳压电源中滤波电容的 1/5001/1000。5 . 电路形式灵活多样。 例如， 有自激式和他激式，有调宽型和调频型， 有 单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同 应用场合的开关稳压电源。B.缺点：开关稳压电源的

8、缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中功率调整 开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产 生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽， 就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器 的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器 受到严重的干扰。开关电源技术的发展动向：开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化、电 源系统的管理和控制、计算机辅助设计（CAD ）、产品更新加快。由于开关电源 轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开

9、发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（伽 Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（ Bs）下获 得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、 薄。开关电源的高频化就必然对传统的 PWM开关技术进行创新，实现 ZVS、 ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作 效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流， 降低结温 等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用

10、模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N + 1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点：当开关电源在高频下工作时，其噪音通 过电源线对其他电子设备干挠，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大， 而采 用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声， 但部分谐振 转换技术的实际应用仍存在着技术问题， 故仍需在这一领域开展大量的工作，以 使得该项技术得以实用化。（二） .TL494 芯片简介 TL494 是一种固定频率脉冲调制电路 ： 它包含了开关电源控制所需的全部功能， 广泛应用与单端正激双管式、 半桥 式、全桥式开关电源。TL494 内置了线性锯齿波

11、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来实现。功率输出管Q1 和 Q2 受控于或非门。当双稳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 号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。A. 开关电源集成控制器 TL494广泛应用于100200W中功率开关电源中，它的 特点以下：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可调整死区时间5内止 5V 参考基准电压源，具有 5V 过流

12、，过压保护，输入欠压保护， 5V 欠压保护以及 12V 过流保护等保护功能，电源可靠性高，运行安全 6可调整死区时间7内置功率晶体管可提供 500 mA 的驱动能力，工作频率是由外部锯齿波 发生器（振荡器）上的定时元件Rt和Ct决定的，一旦定时元件固定后， 电路输出信号的工作频率就固定不变8推或拉两种输出方式B. TL494工作原理简述：TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性 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:fosc=1.1/R t CT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 进行比较来实现。功率输出管

13、 Q和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号 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期间才会被选通。 当 控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。（如下图）C.TL494脉冲控制波形控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，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，最大输出占空比为 96%, 而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电 压（范围在03.3v之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供

14、了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间 中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可 能从电源的输出电压和电流察觉得到。 误差放大器的输出端常处于高电平， 它与 脉冲宽度调制器的反相输入端进行 或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最 小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的 双稳触发器进行计时，同时停止输出管 Q和Q2的工作。若输出控制端连接到参 考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最

15、大占空比小于 50%寸，输出驱动信号分别从 晶体管Q或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将 Q和Q并联使用，这时，需 将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。 这种状态下，输出的脉冲频率将等于 振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的070C温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供交的精确度。D.TL494管脚配置及其功能：TL49416 TN+15TN-14 7ref13PON12一 VcciiC2ioP9T11和2脚分别是误差放大器I的同相和反相输

16、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03.3 v电压时可使截止时间从2%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 大的反相和同相输入端。1IN+一2IN-3-FB- 斗T -5CT -RT -GND 28C1 -E. TL494回路控制器工作原理：回路控制器的方框图如图2所示。被控制量（如

17、压力、流量、温度等）通过 传感器交换为05V的电信号，作为闭环回路的反馈信号，通过有源简单二阶低 通滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后送给TL494的误差放大器I的IN+同相输 入端。设定输入信号是由TL494的5V基准电压源经一精密多圈电位器分压，由 电位器动端通过有源简单二阶低通滤波电路接入TL494的误差放大器I的IN-反 相输入端。反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器I进行比较放大，进而 控制脉冲宽度，这个脉冲空度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大 器构成的隔离放大电路进行平滑和放大处理， 输出一个与脉冲宽度成正比的、变 化范围为010V的直流电压。这个电压就是所需要的

18、输出控制电压，用它去控 制执行电路，及时调整被控制量，使被控制量始终与设定值保持一致， 形成闭环 单回路控制（图2）图2回路控制器方柩图F. 工作过程当反馈信号大于设定值时，通过TL494的脉宽。直流控制信号通过控制电路 经执行机构（如电动机、电热管等）使被控制量下降，再进而通过传感器使反馈 信号降低，形成单回路闭环控制。当反馈信号小于设定值时，上述控制过程相反。 另外，还可以根据被控制系统的具体情况， 来调整输入二阶低通滤波器的电容大 小，使控制过程及时、准确、稳定。再有，为使控制过程直观，还应加上设定量 及被控制量的显示（指示）电路。可从两个输入端取出信号，然后分别通过隔离 放大电路（如用

19、运算放大器组成的电压跟随器）送到表头指示。表头可采用多功 能数字式电子表头成品或直接用满量程 5V的机械表示。G. 实测数据分析表1的数据是在输出端接10KQ负载电阻的开环条件下用DT9102A型数字万 用表测得的表1开环的条件下实测数据组1设定（V）1.0211.0231.0221.0211.0201.0191.0181.0161.0151.0121.010反馈（V）1.2521.2401.2271.0271.1861.1621.1371.1131.0901.0641.008出W 输0.011.081.993.014.005.006.097.008.009.009.96从测得的数据分析我们可

20、以看出，在开环条件下反馈信号动态范围狠小，仅在土 0. 02V左右，输出为逐渐近似每加1V左右H . TL494脉宽控制降压稳压电源电路：（图见附表）电路中，片内误差放大器Ai的同相输入端（1脚）通过电阻Rl（5 . 1K） 与输出端相连接，反相输入端（2脚）通过电阻R2（5 . 1K）片内基准电源的 输出（14脚）相连接，所以电路的输出电压V o= Vref=5v。15脚和3脚之间的 C2用于加大片内误差放大器A 1的高频负反馈，降低起高频增益及抑制高频振 荡。5、6脚对地分别接入电容（C t）和电阻（R t）决定开关电源的工作频率， 当C t电容充电到3V时即开始放电，放电到零完成一个周期

21、。振荡频率f=1/Rt Ct， 频率可调几百赫300kHz。死区时间控制端（4脚）与功能控制端（13脚）、输 出三极管的集电极接地时两路输出晶体管同时导通或截止，形成单端工作状态， 增加了输出电流；由于误差取样放大器采用单电源运算放大器工作方式，由Vcc直接供电，故共模输入电压范围可在-0.3v到（V cc 2） V之间选择。两个性能 相同的误差放大器，一个是作电压控制，另一个是作电流控制。放大器输出高电 平时，输出脉冲方波变窄，反之输出方波变宽。由于采用外接PNP功率晶体管VT A （T ip32a），所以电路的输出电流可达 1A。当输出电压V 0高于基准电压V ref=5 v时，片内误差放

22、大器A 1输出正压正 加，这样就会导致外接晶体管和TL 494内部的VT 1和VT 2导通时间变，使输 出电压V 0下降与V REF基本相等，从而维持输出电压稳定。TL494的内部等效电路图及部分功能简解说明:VW它由振荡器、时间控制比较器、PWM比较器、两个误差放大器、触发器、 欠压封锁比较器、5V基准电压源与两个晶体管等组成。1、2脚分别为误差比较放大器的同相输入端和反相输入端。3脚为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输 出控制特性，也就是救灾两个放大器中，输出幅度大者起作用。当3脚的电平变 高时，TL494送出的驱动脉冲宽度变窄，当 3脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽

23、。4脚为死区电平控制端，可用于确定死区宽度和软启动。死区时间控制是在4脚加入03V的电压，此电压从V ref接入。锯齿波电压 与4脚电压比较，当锯齿波电压比4脚低，输出晶体管截止，限制了输出方波宽 度的增大；档脚对地电位为零时，输出脉冲的死区时间的占空比固定为 3%。从 4脚加入死区控制电压可对驱动脉冲的最大宽度进行控制，使其不超过 180 度, 这样可以保护开关电源电路中的三极管。5、6脚对地分别接入电容（C t）和电阻（R t ），7脚为接地端8 9脚和11、12脚分别为TL494内容末级两个输出三极管的集电极和发射 极。12脚为电源供电端。13脚为功能控制端。当13脚接地时，两路输出晶体管同时导通或截止，形 成单端工作状态，增加了输出电流；13脚接V REF时，形成双端工作状态；两路 输出晶体管交替导通。14脚为内部5V基准电压输出端。除误差放大器外所有片内电路均由它供电。 此外还用于限流值、控制死区范围、软启动回路的电源。15、16脚分别为控制比较放大器的反相输入端和同相输入端。(软启动)是在基准电压V REF与死区控制端之间接入电容C S,输出晶体管 截止。当电容C s逐渐充电时，4脚电位不断降低，使输出晶体管的导通时慢增 加。输出逐渐上升完成软启动。软启动的时间常数按C sR 1 R2/ (R 1+ R2)计算14CS丄R1TL4944R2TL494有两组输出晶体