基于TL494的DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì).doc

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告1電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：基于TL494的脈寬調(diào)制電路應(yīng)用專業(yè)班級(jí)：08電氣(2)班學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師：物理與電子信息工程系電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告2目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求3二、設(shè)計(jì)方案分析32.1、DC-DC升壓變換器的工作原理42.2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系52.3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理62.4、集成脈寬調(diào)制控制器TL494介紹6三、主要單元電路設(shè)計(jì)83.1、DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計(jì)83.2、DC-DC變換器控制電路設(shè)計(jì)10四、系統(tǒng)安裝與調(diào)試12五、總結(jié)12六、附錄13電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告3基于TL494的DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求基于TL494設(shè)計(jì)一個(gè)將12V升高到24V的DC-DC變換器。在電阻負(fù)載下，要求如下：1、輸出電壓U0=24V。2、最大輸出電流I0max=1A。3、當(dāng)輸入U(xiǎn)I=1113V變化時(shí)，電壓調(diào)整率SV2%（在I0=1A時(shí)）。4、當(dāng)I0從0變化到1A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI5%（在UI=12V時(shí)）。5、要求該變換器的在滿載時(shí)的效率70%。6、輸出噪聲紋波電壓峰-峰值U0PP1V（在UI=12V，U0=24V，I0=1A條件下）。7、要求該變換器具有過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流設(shè)定在1.2A。二、設(shè)計(jì)方案分析2.1、DC-DC升壓變換器的工作原理DC-DC功率變換器的種類(lèi)很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來(lái)分，可分為非隔離型和隔離型兩大類(lèi)。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工作原理。圖1（a）是升壓式DC-DC變換器的主電路，它主要由功率開(kāi)關(guān)管VT、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是，當(dāng)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告4控制信號(hào)Vi為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲(chǔ)存于電感L中，由于VT導(dǎo)通時(shí)其飽和壓降很小，所以二極管D反偏而截止，此時(shí)存儲(chǔ)在濾波電容C中的能量釋放給負(fù)載。當(dāng)控制信號(hào)Vi為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT截止，由于電感L中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)將阻止電流的減小，感應(yīng)電勢(shì)的極性是左負(fù)右正，使二極管D導(dǎo)通，此時(shí)存儲(chǔ)在電感L中的能量經(jīng)二極管D對(duì)濾波電容C充電，同時(shí)提供給負(fù)載。電路各點(diǎn)的工作波形如圖1（b）。圖1DC-DC升壓式變換器電路及工作波形2.2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系假定儲(chǔ)能電感L充電回路的電阻很小，即時(shí)間常數(shù)很大，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，忽略管子的導(dǎo)通壓降，通過(guò)電感L的電流近似是線性增加的。即：tLUIiILVL，其中ILV是流過(guò)儲(chǔ)能電感電流的最小值。在開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為：ONLVLPTLUIII，iL的增量為ONITLU。電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告5在開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L兩端的電壓為dtdiLUUuLIL0，所以流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流為：tLUUIiILPL0，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT截止結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為OFFILPLVLTLUUIIi0，iL的減少量為OFFITLUU0。在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，儲(chǔ)能電感L中的電流在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間的增量應(yīng)等于在開(kāi)關(guān)管截止期間的減量，即OFFIONITLUUTLU0，所以：IIONIOFFUqUTTTUTTU110，其中TTqON?？梢?jiàn)改變占空比大小，就可以獲得所需要的電壓值，由于占空比總是小于1，所以輸出電壓總是大于輸入電壓。2.3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理通過(guò)輸出電壓的關(guān)系式可以看出，在輸入電壓或負(fù)載變化，要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時(shí)，可以采用兩種方案。第一可以維持開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間TOFF不變，通過(guò)改變脈沖的頻率f來(lái)維持輸出電壓U0的穩(wěn)定，這便是脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方式DC-DC變換器；第二可以保持脈沖的周期T不變，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON，即脈沖的占空比q，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調(diào)制（PWM）控制方式DC-DC變換器。由于目前已經(jīng)有各種型號(hào)的集成PWM控制器，所以DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。圖2是DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的原理圖，它主要有取樣電路、比較放大、PWM控制器和DC-DC升壓變換器組成。其穩(wěn)壓原理是，假如輸入電壓UI增大，則通過(guò)取樣電阻將輸出電壓的變化（增大）采樣，和基準(zhǔn)電壓電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告6相比較通過(guò)比較放大器輸出信號(hào)去控制PWM控制器輸出脈沖占空比q的變化（減?。Y(jié)果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當(dāng)輸入電壓減小時(shí)，PWM控制器輸出脈沖占空比q也自動(dòng)變化（增大），輸出電壓仍能穩(wěn)定。圖2DC-DC升壓穩(wěn)壓電路的組成2.4、集成脈寬調(diào)制控制器TL494介紹TL494集成電路內(nèi)部電路如圖3所示，它由振蕩器、D觸發(fā)器、死區(qū)時(shí)間比較器、PWM比較器、兩個(gè)誤差放大器、5V基準(zhǔn)電壓源和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管等組成。當(dāng)TL494正常工作時(shí)，輸出脈沖的頻率取決于5腳和6腳所接的電容和電阻，表達(dá)式為T(mén)TCfR1.1，在電容CT兩端形成的是鋸齒波，該鋸齒波同時(shí)加給死區(qū)時(shí)間控制比較器和PWM比較器，死區(qū)時(shí)間控制比較器根據(jù)4腳所設(shè)置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度，利用該腳可以設(shè)計(jì)電源的軟啟動(dòng)電路、欠壓或過(guò)壓電路等。輸出調(diào)制脈沖寬度是由電容CT端的正向鋸齒波和3、4腳輸入的兩個(gè)控制信號(hào)綜合比較后確定的。當(dāng)外接控制信號(hào)電壓大于5腳電壓時(shí)，9、10腳輸出脈沖為低電平（設(shè)9、10腳為跟隨器輸出接法），所以隨著輸入控制信號(hào)幅值的增加，TL494輸出脈電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告7沖占空比減小。13腳為輸出脈沖模式控制端，當(dāng)該端為高電平時(shí)，兩路脈沖輸出分別有觸發(fā)器的Q和Q端控制，兩路信號(hào)輸出互補(bǔ)，即推挽輸出，此時(shí)PWM脈沖輸出頻率為振蕩器頻率的一半，最大占空比為48%。若13腳接地，觸發(fā)器控制不起作用，兩路輸出脈沖相同，其頻率與振蕩器頻率相同，最大占空比為96%，為了增大驅(qū)動(dòng)電流的能力，一般使用時(shí)可將兩路并聯(lián)輸出。TL494內(nèi)部包含兩個(gè)誤差放大器，若兩個(gè)誤差放大器的反相輸入端2、15腳的參考電位一定，當(dāng)它們的同相輸入端電位升高時(shí)，輸出脈沖的寬度變窄；反之脈沖寬度變寬。所以一般將兩個(gè)誤差放大器的同相和反相輸入端分別接到基準(zhǔn)信號(hào)和反饋信號(hào)，使系統(tǒng)完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的穩(wěn)定。在實(shí)際使用中，常利用TL494內(nèi)部基準(zhǔn)電源向外提供+5V基準(zhǔn)參考電壓，再通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)給誤差放大器提供基準(zhǔn)電位。圖3TL494集成脈寬控制器內(nèi)部電路圖TL494的推薦工作條件見(jiàn)表1。表1TL494推薦工作條件電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告8項(xiàng)目名稱最小值典型值最大值單位電源電壓7.01540V集電極輸出電壓3040V集電極輸出電流（每只晶體管）200mA放大器輸入電壓-0.3UCC-2.0V進(jìn)入反饋斷電流0.3mA基準(zhǔn)源輸出電流10mA定時(shí)電阻1.830500k定時(shí)電容0.000470.00110F振蕩頻率1.040300kHz三、主要單元電路設(shè)計(jì)1、DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計(jì)該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖1所示的電路。該變換電路設(shè)計(jì)主要是確定關(guān)鍵元件：輸出濾波電容C、電感L、開(kāi)關(guān)管VT和二極管D。輸出濾波電容的選擇假如輸出濾波電容C必須在VT導(dǎo)通的TON期間供給全部負(fù)載電流，設(shè)在TON期間C上的電壓降U0，U0為要求的紋波電壓。則00UTICON，又因?yàn)門(mén)UUUTION00，所以0000)(UUfUUICI，選擇開(kāi)關(guān)頻率等于50KHz，電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告9在本設(shè)計(jì)給定的條件及要求下，計(jì)算輸出濾波電容的值為：10F，實(shí)際選擇100F/50V的電容。儲(chǔ)能電感的選擇根據(jù)電路的工作波形，電感電流包括直流平均值和紋波分量?jī)刹糠?。假若忽略電路的?nèi)部損耗，則變換器的輸出能量和變換器的輸入能量相等，即00IUIUII，所以LVOFFIIITTIUUII000，即從電源取出的平均電流也就是流入電感的平均電流。電感電流的紋波分量是三角波，在TON期間，電流的增量為L(zhǎng)TUIONI；在TOFF期間，電流將下降，其減少量為L(zhǎng)TUUIOFFI)(0；在穩(wěn)態(tài)下，II。在選擇I時(shí)，一般要求電感的峰值電流不大于其最大平均電流的20%，以免使電感飽和；同時(shí)流過(guò)電感中的電流最小值也應(yīng)大于或等于零。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，選擇電感電流的增量IONIILTUI4.1，所以0200200004.1)(4.1)(4.1IUfUUUUfUI