[論文精品]基于TL494的DCDC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 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： 08電氣(2)班 學(xué)生學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 物理與電子信息工程系目錄一、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tl

2、494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ui=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功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來分，可分為非隔離

3、型和隔離型兩大類。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，它主要由功率開關(guān)管vt、儲(chǔ)能電感l(wèi)、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)控制信號vi為高電平時(shí)，開關(guān)管vt導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲(chǔ)存于電感l(wèi)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vi為低電平時(shí)，開關(guān)管vt截止，由于電感l(wèi)中的電流不能突變，它所產(chǎn)

4、生的感應(yīng)電勢將阻止電流的減小，感應(yīng)電勢的極性是左負(fù)右正，使二極管d導(dǎo)通，此時(shí)存儲(chǔ)在電感l(wèi)中的能量經(jīng)二極管d對濾波電容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1 dc-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(wèi)充電回路的電阻很小，即時(shí)間常數(shù)很大，當(dāng)開關(guān)管vt導(dǎo)通時(shí)，忽略管子的導(dǎo)通壓降，通過電感l(wèi)的電流近似是線性增加的。即：，其中ilv是流過儲(chǔ)能電感電流的最小值。在開關(guān)管vt導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，流過電感l(wèi)的電流為：，il的增量為。在開關(guān)管vt關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管d導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感l(wèi)兩端的電壓為，所以流過儲(chǔ)能電感l(wèi)的電流為：，當(dāng)開關(guān)管vt截止

5、結(jié)束時(shí)，流過電感l(wèi)的電流為 ，il的減少量為。在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，儲(chǔ)能電感l(wèi)中的電流在開關(guān)管導(dǎo)通期間的增量應(yīng)等于在開關(guān)管截止期間的減量，即，所以：，其中。可見改變占空比大小，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。第一可以維持開關(guān)管的截止時(shí)間toff不變，通過改變脈沖的頻率f來維持輸出電壓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，通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton，即脈沖的占空比q，

6、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，則通過取樣電阻將輸出電壓的變化（增大）采樣，和基準(zhǔn)電壓相比較通過比較放大器輸出信號去控制pwm控制器輸出脈沖占空比q的變化（減?。?，結(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2 dc-dc升壓穩(wěn)壓電路的組成2.4、集成脈寬

7、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 ，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)控制信號綜合比較后確定的。當(dāng)外接控制信號電壓大于5腳電壓時(shí)，9、10腳輸出脈沖為低電平（設(shè)

8、9、10腳為跟隨器輸出接法），所以隨著輸入控制信號幅值的增加，tl494輸出脈沖占空比減小。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)器的和端控制，兩路信號輸出互補(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

9、和反相輸入端分別接到基準(zhǔn)信號和反饋信號，使系統(tǒng)完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)控制對象的穩(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，再通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)給誤差放大器提供基準(zhǔn)電位。 圖3 tl494集成脈寬控制器內(nèi)部電路圖tl494的推薦工作條件見表1。 表1 tl494推薦工作條件項(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

10、、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(wèi)、開關(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 ，又因?yàn)?，所?，選擇開關(guān)頻率等于50khz，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兩部分。假若忽略電路的內(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，所以，即從電

11、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；在toff期間，電流將下降，其減少量為；在穩(wěn)態(tài)下，。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，所以，在開關(guān)頻率選擇50khz和給定的條件及要求下，計(jì)算電感量為42h，實(shí)際選擇100h/2a的電感。電感可以買成品也可自己繞制。開關(guān)管的選擇開關(guān)管vt在電路中承受的最大電壓是u0，考慮到輸入電壓波動(dòng)和電感的反峰尖刺電壓的影響，所以開關(guān)管的最大電壓應(yīng)滿足1.11.2u0。實(shí)際在選定開關(guān)管時(shí)，

12、管子的最大允許工作電壓值還應(yīng)留有充分的余地，一般選擇（23）1.11.2u0。開關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇（23）ii。開關(guān)管的選擇，主要考慮開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡單、開關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計(jì)選擇n溝道功率場效應(yīng)管irf3205，該器件的vdsm=55v，導(dǎo)通電阻僅為8m，idm=110a，完全滿足設(shè)計(jì)要求。續(xù)流二極管的選擇在電路中二極管最大反向電壓為u0，流過的電流是輸入電流ii，所以在選擇二極管時(shí)，管子的額定電壓和額定電流都要留有充分大的余地。另外選擇續(xù)流二極管時(shí)還要求導(dǎo)通電阻要小，開關(guān)頻率要高，一般要選用肖特基二極管和快恢復(fù)二極管。本設(shè)計(jì)選用mbr10100ct，其最大方向

13、工作電壓為100v，最大正向工作電流為10a，完全滿足設(shè)計(jì)要求。2、dc-dc變換器控制電路設(shè)計(jì)dc-dc變換器控制電路選用集成pwm控制器tl494構(gòu)成，調(diào)制脈沖的頻率選擇50khz，選擇振蕩電容ct為1000pf，電阻rt為22k即可滿足要求。脈沖采用單端輸出方式，將13腳接地，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，從內(nèi)部三極管的集電極輸出，并將兩路并聯(lián)，即將8、11腳并聯(lián)接電源（即輸入電壓ui），9、10腳并聯(lián)，該端即為脈沖輸出端。為了保證輸出電壓u0穩(wěn)定，要引入負(fù)反饋，即通過取樣電阻r1、r2、rp1將輸出電壓反饋到tl494內(nèi)部誤差放大器的同相輸入端（1腳），誤差放大器的反相輸入端（2腳）接一參考電壓，

14、圖中由電阻r3、r4、rp2組成；當(dāng)輸出電壓增高時(shí)，反饋信號和參考電壓比較后，誤差放大器的輸出增大，結(jié)果使輸出脈沖的寬度變窄，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間變短，輸出電壓將保持穩(wěn)定。圖中連接在誤差放大器2腳和3腳之間的電阻和電容是構(gòu)成pid調(diào)節(jié)器，目的是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在給定參數(shù)下，調(diào)節(jié)rp2使15腳電位等于2.2v，然后調(diào)節(jié)rp1即可調(diào)節(jié)輸出電壓值。過流保護(hù)電路可以利用tl494內(nèi)部另一誤差放大器實(shí)現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇1/2w的精密電阻，兩端并聯(lián)一高頻濾波電容，誤差放大器的反相端（15腳）接電壓等于2.2v的基準(zhǔn)電壓，電流取樣電阻上的電壓輸入誤差放大器的同相輸入端（16腳），當(dāng)電流大于1.2a時(shí)，

15、16腳電壓大于15腳電壓，誤差放大器輸出增大，tl494輸出脈沖寬度變窄，輸出電壓減小，則起到限流作用。圖4 dc-dc升壓穩(wěn)壓電路四、系統(tǒng)安裝與調(diào)試(只調(diào)試控制電路部分)1、首先將由tl494組成的控制電路按圖4在面包板上插接調(diào)試，調(diào)試成功后用protel電路畫圖軟件畫出控制電路的原理圖（1腳通過電位器rp1接14腳），再畫出pcb圖并作出電路板。2、檢查無誤后，12腳加+12v電源。16腳通過接地，用示波器觀察9、10腳連接點(diǎn)的輸出脈沖的波形，調(diào)節(jié)電位器rp2，使15腳電位等于2.2v。同時(shí)調(diào)節(jié)rp1來調(diào)節(jié)脈寬。由于各種條件的限制，本次課程設(shè)計(jì)只做出控制電路部分，不引入過壓及過流保護(hù)。脈寬可調(diào)即為設(shè)計(jì)成功。五、總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)總的來說是成功的，控制電路基本滿足要求。不足的是在評板時(shí)由于在創(chuàng)業(yè)樓樓下不小心板