[論文精品]基于TL494的DCDC升壓穩(wěn)壓變換器設計

1、電力電子技術課程設計報告 電力電子技術課程設計報告設計課題：基于tl494的脈寬調制電路應用專業(yè)班級： 08電氣(2)班 學生學號： 學生姓名： 指導老師： 物理與電子信息工程系目錄一、設計任務要求3二、設計方案分析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、輸出電壓的關系52.3、dc-dc變換器穩(wěn)壓原理62.4、集成脈寬調制控制器tl494介紹6三、主要單元電路設計83.1、dc-dc升壓變換器主回路設計83.2、dc-dc變換器控制電路設計10四、系統(tǒng)安裝與調試12五、總結12六、附錄13基于tl494的dc-dc升壓穩(wěn)壓變換器設計一、設計任務要求基于tl

2、494設計一個將12v升高到24v的dc-dc變換器。在電阻負載下，要求如下：1、輸出電壓u0=24v。2、最大輸出電流i0max=1a。3、當輸入ui=1113v變化時，電壓調整率sv2%（在i0=1a時）。4、當i0從0變化到1a時，負載調整率si5%（在ui=12v時）。5、要求該變換器的在滿載時的效率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功能，動作電流設定在1.2a。二、設計方案分析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，它主要由功率開關管vt、儲能電感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，當控制信號vi為高電平時，開關管vt導通，能量從輸入電源流入，儲存于電感l(wèi)中，由于vt導通時其飽和壓降很小，所以二極管d反偏而截止，此時存儲在濾波電容c中的能量釋放給負載。當控制信號vi為低電平時，開關管vt截止，由于電感l(wèi)中的電流不能突變，它所產

4、生的感應電勢將阻止電流的減小，感應電勢的極性是左負右正，使二極管d導通，此時存儲在電感l(wèi)中的能量經二極管d對濾波電容c充電，同時提供給負載。電路各點的工作波形如圖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、輸出電壓的關系假定儲能電感l(wèi)充電回路的電阻很小，即時間常數很大，當開關管vt導通時，忽略管子的導通壓降，通過電感l(wèi)的電流近似是線性增加的。即：，其中ilv是流過儲能電感電流的最小值。在開關管vt導通結束時，流過電感l(wèi)的電流為：，il的增量為。在開關管vt關斷時，續(xù)流二極管d導通，儲能電感l(wèi)兩端的電壓為，所以流過儲能電感l(wèi)的電流為：，當開關管vt截止

5、結束時，流過電感l(wèi)的電流為 ，il的減少量為。在電路進入穩(wěn)態(tài)后，儲能電感l(wèi)中的電流在開關管導通期間的增量應等于在開關管截止期間的減量，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系式可以看出，在輸入電壓或負載變化，要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時，可以采用兩種方案。第一可以維持開關管的截止時間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，通過改變開關管的導通時間ton，即脈沖的占空比q，

6、以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調制（pwm）控制方式dc-dc變換器。由于目前已經有各種型號的集成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?。Y果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當輸入電壓減小時，pwm控制器輸出脈沖占空比q也自動變化（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、調制控制器tl494介紹 tl494集成電路內部電路如圖3所示，它由振蕩器、d觸發(fā)器、死區(qū)時間比較器、pwm比較器、兩個誤差放大器、5v基準電壓源和兩個驅動三極管等組成。當tl494正常工作時，輸出脈沖的頻率取決于5腳和6腳所接的電容和電阻，表達式為 ，在電容ct兩端形成的是鋸齒波，該鋸齒波同時加給死區(qū)時間控制比較器和pwm比較器，死區(qū)時間控制比較器根據4腳所設置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度，利用該腳可以設計電源的軟啟動電路、欠壓或過壓電路等。輸出調制脈沖寬度是由電容ct端的正向鋸齒波和3、4腳輸入的兩個控制信號綜合比較后確定的。當外接控制信號電壓大于5腳電壓時，9、10腳輸出脈沖為低電平（設

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，當該端為高電平時，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，即推挽輸出，此時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%，為了增大驅動電流的能力，一般使用時可將兩路并聯(lián)輸出。tl494內部包含兩個誤差放大器，若兩個誤差放大器的反相輸入端2、15腳的參考電位一定，當它們的同相輸入端電位升高時，輸出脈沖的寬度變窄；反之脈沖寬度變寬。所以一般將兩個誤差放大器的同相

9、和反相輸入端分別接到基準信號和反饋信號，使系統(tǒng)完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)控制對象的穩(wěn)定。在實際使用中，常利用tl494內部基準電源向外提供+5v基準參考電壓，再通過電阻分壓網絡給誤差放大器提供基準電位。 圖3 tl494集成脈寬控制器內部電路圖tl494的推薦工作條件見表1。 表1 tl494推薦工作條件項 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進入反饋斷電流0.3ma基準源輸出電流10ma定時電阻1.830500k定時電容0.000470.00110f振蕩頻率1.040300khz三

10、、主要單元電路設計1、dc-dc升壓變換器主回路設計該升壓電路結構選擇圖1所示的電路。該變換電路設計主要是確定關鍵元件：輸出濾波電容c、電感l(wèi)、開關管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導通的ton期間供給全部負載電流，設在ton期間c上的電壓降u0，u0為要求的紋波電壓。則 ，又因為，所以 ，選擇開關頻率等于50khz，在本設計給定的條件及要求下，計算輸出濾波電容的值為：10f，實際選擇100f/50v的電容。儲能電感的選擇根據電路的工作波形，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，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；同時流過電感中的電流最小值也應大于或等于零。實際設計時，選擇電感電流的增量，所以，在開關頻率選擇50khz和給定的條件及要求下，計算電感量為42h，實際選擇100h/2a的電感。電感可以買成品也可自己繞制。開關管的選擇開關管vt在電路中承受的最大電壓是u0，考慮到輸入電壓波動和電感的反峰尖刺電壓的影響，所以開關管的最大電壓應滿足1.11.2u0。實際在選定開關管時，

12、管子的最大允許工作電壓值還應留有充分的余地，一般選擇（23）1.11.2u0。開關管的最大允許工作電流，一般選擇（23）ii。開關管的選擇，主要考慮開關管驅動電路要簡單、開關頻率要高、導通電阻要小等。本設計選擇n溝道功率場效應管irf3205，該器件的vdsm=55v，導通電阻僅為8m，idm=110a，完全滿足設計要求。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，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)流二極管時還要求導通電阻要小，開關頻率要高，一般要選用肖特基二極管和快恢復二極管。本設計選用mbr10100ct，其最大方向

13、工作電壓為100v，最大正向工作電流為10a，完全滿足設計要求。2、dc-dc變換器控制電路設計dc-dc變換器控制電路選用集成pwm控制器tl494構成，調制脈沖的頻率選擇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，為了提高驅動能力，從內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，要引入負反饋，即通過取樣電阻r1、r2、rp1將輸出電壓反饋到tl494內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；當輸出電壓增高時，反饋信號和參考電壓比較后，誤差放大器的輸出增大，結果使輸出脈沖的寬度變窄，開關管的導通時間變短，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成pid調節(jié)器，目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。在給定參數下，調節(jié)rp2使15腳電位等于2.2v，然后調節(jié)rp1即可調節(jié)輸出電壓值。過流保護電路可以利用tl494內部另一誤差放大器實現(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），當電流大于1.2a時，

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)安裝與調試(只調試控制電路部分)1、首先將由tl494組成的控制電路按圖4在面包板上插接調試，調試成功后用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腳連接點的輸出脈沖的波形，調節(jié)電位器rp2，使15腳電位等于2.2v。同時調節(jié)rp1來調節(jié)脈寬。由于各種條件的限制，本次課程設計只做出控制電路部分，不引入過壓及過流保護。脈寬可調即為設計成功。五、總結本次課程設計總的來說是成功的，控制電路基本滿足要求。不足的是在評板時由于在創(chuàng)業(yè)樓樓下不小心板