基于TL芯片的小功率开关电源设计_鲁明丽

1、-基于TL494芯片的小功率开关电源设计_鲁明丽 Vol30No1Mar.2016JOURNALOFNANTONGVOCATIONALUNIVERSITY 南通职业大学学报 第30卷第1期2016年3月第1期 doi:10.3969/j.issn.1008-5327.2016.01.024 基于TL494芯片的小功率开关电源设计 鲁明丽，李春明，朱嘉诚，王苏南 （常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500） 摘要：针对设计要求，以反激电路为例，设计了一款小功率开关电源，其核心为主控电路设计和高 频变压器设计，完成了高频变压器的磁心材料选择、铁心形状选择及主要参数的计算，并利用TL4

2、94作为核心芯片，通过输出电压反馈电路调节稳压输出。测试表明，该开关电源具有效率高、纹波小、输出电压稳定等特点。 关键词：开关电源；控制；TL494中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：1008-5327（2016）01-0101-04 DesignofLow-powerSwitchingPowerSupplyBased ontheChipTL494 LUMing-li,LIChun-ming,ZHUJia-cheng,WANGSu-nan (SchoolofElectrical&AutomaticEngineering,ChangshuInstituteofTechnolo

3、gy,Changshu215500,China)Abstract:Accordingtothedesignrequirements,alow-powerswitchingpowersupplyhasbeendesignedbasedonfly-backcircuit.Itscoreisthedesignofthemaincontrolcircuitandhigh-frequencytransformer.Thecorematerialselection,thecoreshapeselectionofthehigh-frequencytransformeranditscalculationoft

4、hemainparametersarecompleted.TheoutputvoltagefeedbackcircuitisusedtoregulatetheoutputvoltagebasedonthekernelcontrolchipTL494.Thetestshowsthattheswitchingpowersupplyhasthecharacteristicsofhighefficiency,smallripples,stableoutputvoltageandsoon.Keywords:switchingpowersupply;control;TL494 开关电源是利用现代电力电子技

5、术控制开关管开通和关断的时间比率以维持电压稳定输出的一种电源。因其体积小、质量轻、效率高，满足了小型电子设备对供电的需要，成为电子信息产业发展不可或缺的一种电源方式，正被广泛应用于以计算机为主导的各类终端设备、通信设备中1-3。某智能仪器的供电电源，要求设计最大功率为12W，输入交流电压为Vac=85250V、输出电压Vo=12V、输出电流Io=0.51A、最大输出功率Po=针对上述设12W、DC-DC变换器的效率80%。 计要求，本文以激增电路4为例，基于TL494芯 收稿日期：2016-01-18 并进行选型与测试。片5设计了小功率开关电源， 1开关电源的总体设计 电源设计包括主控电路、反

6、激变压器及辅助电 路设计三部分。本文设计的小功率开关电源是输入和输出隔离型，其主控电路的设计和变压器的选择和绕制是设计的重点。其工作原理电路如图1。 2开关电源的主控电路设计 （1）稳压控制 如图1，输出电压Uo经R14和R15分压加 作者简介：鲁明丽（1974），女，西安人，副教授，主要研究方向为电力电子技术及多目标跟踪。 101 南通职业大学学报 D1FR107D2Diode FR107 S7- 2016年 C1222 KBP208GLREC 12P1 +C2400V/4.7uF R2100K D4 GND TX1 C3222 R14.7MD3 FR107R3 100 S7+ L1330+

7、C4+C5+C6125V/470uF25V/470uF25V/470uF2 P2 DGND EE20 C7 GND R4 C21180805C1E210 GNDE19 GND GND Q2NPNR522R810 IN4148 Q38550 D615V Q1K3562 222 DGND U11216155614341312 IN1+IN1-IN2+IN2-CTRTVREFCOMPDTCOCVCCTL494 C81n R64.7kC91n R722k GND R9 R-3296GND R1110k 7 R100.1 GND GND 12 U3A6LM339D7 3 Q4NPN R121k 1 GN

8、D C1047n PC817B-DIPR16331 DGND GND U4 U2 R13331 R141302R153301 +C1150V/47FGND GND GND DGND 图1基于TL494芯片的小功率开关电源电路 到1脚，当输出电压发生变化的时候，芯片内部误差放大器1的输出电压也随之改变，也就是和锯齿波电压的比较电平发生改变，比较器的脉冲宽度发生改变，通过TL494输出的驱动脉冲改变开关管的导通时间，从而实现调宽稳压。 （2）调节占空比 加上03V的电4脚是死区时间的控制端， 压后，可改变占空比，因此引脚4接R9滑阻，以引脚8、调节死区时间。9接地，10、11引脚作为输出控制驱动M

9、OSFET管，引脚12接外输入电路对芯片进行供电，14引脚5V电压输出，最大输出电流10mA。 （3）输出保护 芯片的14引脚加到误差放大器2的反向端同相端16引脚接到过流检测电阻R715引脚上， 的一端，当输出电流超过设定值时，电阻上的电压经16脚使内部误差放大器2输出高电平，从而开关管导通时间缩短，关断输出。 铁氧体、坡莫合金、非晶态合金等。考虑工作频率的要求，磁芯材料选用铁氧体较为合适。氧化铁是 常用的电源材料，其中E型铁心易于接线、空间不小，且可有效提高容积和效率，是高频开关电源最合适的选择，因此，本设计采用E型铁心。3.2 主要参数计算 （1）原边绕组峰值电流Ipk计算 变压器为不L

10、p为原边电感值，f为电源频率，连续工作模式，则在ton时间内电流Ip由0升至峰 值Ipk，电源输出功率为 （1）P0=1LpIp2f 若导通时间ton=DmaxTs，Dmax表示最大占空比，输入电压Vs为Ts为周期， VS=Lpton 则有：VS=LpImaxS 式（1）与式（2）相比得： P=LI2D=ID，则VS2LpIpk2Ipk=VSDmax （2）（3） 3 3.1 高频变压器的设计 磁心材料与铁心形状的选择 高频变压器的常用磁芯材料有铁粉芯、软磁102 （4） 第1期鲁明丽，等：基于TL494芯片的小功率开关电源设计 由式（4）可知，为求得电流的最大值Ipk，Vs应取最小值Vs（m

11、in）=851.4-20=99。假设直流 纹波及二极管压降之和为20V，反激变压器占空比满足条件D0.5，因此Dmax=0.5取，输出功率 代入式（4）得：Po=12W， =0.5AVSDmax （2）原边绕组电感计算Ipk= 由式（3）可得： （5）Lp=DmaxTSVS pk 假设VS波动下限为7%，则输入电压最小值为Vs（min）=250（1-0.07）=232.5。则，原边绕组的电感值为 Lp=DmaxTSVS=2.33mH pk （3）最小占空比计算 在输入电压为最小值V（）时占空比最smin小，用Dmin表示。当输入电压Vs由最大到最小变化时，占空比由最小变到最大。其关系可表为：

12、Dmin= D（1-Dmax）K+Dmax Ap磁芯面积乘积/cm20.1572 ）。最其中，输入电压Vs的波动系数K=V（ Vsmin大输入电压V（）按Vs峰值时向上波动10smax计算，其中电压纹波和二极管管压降需要减去，共计20V，即：（）=2501.4-20=330V，则：Vsmax ）=3.3K=V（ Vsmin压变化成反比，最小占空比为： Dmax =0.23 maxmax （4）磁芯尺寸选择 计算磁芯面积乘积AP。如果原边绕组的线径Dmin= 为dw，带绕组的磁芯所占AP值为APp，可按下式计算： 28 （8）APp=（6.33LpIpkdw）10 根据工作频率100kHz，输出

13、功式中B=1Bs，率12W，参看手册选择EE20型磁芯材料，其具体参数见表1。 设选择导线时，确定电流密度为400c.m/A， （7） 当输入电压变化的时候，占空比随着输入电 （6） 表1 EE20具体参数 Aw窗口面积（卷线截面积）/mm2 50.70 Bs饱和磁感应Le磁芯的磁路强度/mT510.00 长度/mm43.00 型号EE20 材料PC40 规格/mm20.15105.1 Ae磁芯有效面积/mm2 31.00 则通过0.5A电流时需要的圆密耳为0.5400 （c.m），线径取为0.021，代入式（8）可得：200 APp（）= 2550 （cm4）0.013 由于占窗口大部分面积

14、的是副边绕组（因电 -3 2 8 故有：VG中， 1LI2=（1BHVG）108ppk式中，定义为H=H为气隙磁场强度， （9） B。 0其中，其值取1，0为空气磁导率，VG为气隙体积， 3且VG=A（，带入式（9）整理得气隙长度为elgcm） 2 lg=2108=0.011cm。 AeB （6）原、副边绕组匝数计算 流大，导线多股等原因）和绝缘材料，一般APp只 为AP的（1/41/3）以下，取APp0.25AP。则：（cm4）AP=4APp=40.013=0.052 由表1中EE20铁氧体磁芯的参数可算得：AP=AwAe=31mm250.7mm2=0.157cm4， 因此，所选取EE20磁

15、芯型号与线0.052<0.157， 圈骨架是合理的。 （5）气隙长度确定 由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和，应加气隙。气隙会产生较大的磁阻，而且大多数变压器所储存的能量是在气隙所构成的体积 Bl=111.66，取 pk 原边线圈匝数NP为112匝。 原边绕组匝数为NP= 按最小输入电压Vs（min），导通占空比最大，计算副边绕组的匝数： 因为VO+VD=Vs（min）整理得： 103 1-DmaxNp 南通职业大学学报2016年 Ns=（V+V）（1-D）N= Vs（min）Dmax （12+1）（1-0.5）112=14.7 990.5 取副边线圈匝数为15。由此得出变压器匝数

16、比是112/15。（7）副边绕组的线径确定按400c.m/A考虑，最大通过1A电流，需要 考虑集肤效应及绕制400c.m/A1A=400c.m。 方便，取圆密耳为404c.m的导线，导线实际可通 过电流值为：满足输出电404/400=1.01A>1A， 流Ia=0.51A的设计要求。由以上分析可知，高频变压器的设计是完全合理的。 由于设计要求输出电压数值比较准确，必须通压。 过一个比较器进行电压比较和调整，故选择了TL431稳压管实现此功能。 5试验结果分析 该电源输入特性参数见表2。由表2可知，输入电压ui=105250V的范围内变化，负载为100时主路输出电压12V，端电压调整率Sv

17、=输出纹波电路最大值为80mV，符合设计0.67%， 要求。 表2 电源输入特性（100） ui/V105195200220230250 UO2/V12.0512.0312.0811.9812.0011.98 4辅助电路设计 由图1可见，辅助电路包括输入整流滤波、尖 峰电压吸收电路、保护电路、输出电压反馈及输出滤波整流等模块。 输入整流滤波模块包含交流整流、电容滤波、电阻分压三部分。输入交流电压经过整流桥接滤波电容C2，由此产生高压直流电压。由于整流桥通电时会受冲击电流影响，额定电流是最低交流电压输入时工作电流的1.5倍以上。尖峰电压吸收电路利用阻容元件和超快恢复二极管组成的抑制MOSFET开

18、通和关断R，C，SRD软钳位电路， 之间在变压器上产生的尖峰电压，对其进行吸收和钳位，起到保护电路的作用。保护电路包含限流保护和驱动保护两部分。通常在输入整流滤波后加入电压检测电路，当直流高压过高时，使开关电源停止工作，避免产生过高的反射极尖峰电压。保护功率开关管不会因过压而击穿损坏。本次设计采用LM339D电压取样比较器进行保护。R10是一个电流保护取样电阻，当电流经过R10时，电压将下降，当压降达一定程度后，比较器LM339D输出增加使得晶体管导通，起到限流保护的作用。 反馈电路有光耦合器反馈电路、电阻分压反馈电路两部分。光耦合器反馈电路中采用PC817型号光电耦合器，在反馈电路中，还要考虑基准电 6结束语 开关电源设计是一个反复实践的过程，本文 通过输出电压反馈电路调基于TL494核心芯片， 节稳压输出，给出了一种小功率开关电源设计的经测试可知，开关电源各项指标满足设参考方法。 该开关电源工作可靠、性计要求。实际使用表明，价比高，