小型控制系統(tǒng)設(shè)計課

1、小型控制系統(tǒng)設(shè)計課設(shè)計的題目:采用TL494構(gòu)成脈寬調(diào)制降壓穩(wěn)壓電源電路設(shè)計任務(wù)及目的: 設(shè)計任務(wù):掌握開關(guān)電源的工作原理及特性,設(shè)計脈寬調(diào)制降壓穩(wěn)壓電源電路.要求輸出5V/1A,掌握TL494芯片的工作原理及特點(diǎn),了解TL494的技術(shù)指標(biāo). TL494芯片的技術(shù)指標(biāo):功率少、穩(wěn)壓范圍寬、體積小重量輕、安全可靠最大絕對值如下圖:參數(shù)TL494單位電源電壓Vcc41V放大器輸入電壓V1Vcc+0.3V集電極輸出電壓V041V集電極輸出電流I250MA封裝熱阻RD封裝73N封裝88NS封裝64PW封裝108引線離殼體1.6，10s焊接溫度D，N或PW封裝260存儲溫度Tstg-65-150推薦工作

2、條件:參數(shù)最小最大單位電源電壓Vcc740V放大器輸入電壓V1-0.3Vcc-2V集電極輸出電壓V040V集電極輸出電流（每個晶體管）200MA電流進(jìn)入反饋內(nèi)0.3MA振蕩器頻率f1300KHZ定時電容Ct0.4710000Nf定時電阻Rt1.8500K設(shè)計目的:熟悉相關(guān)元器、芯片的功能和典型應(yīng)用.通過本課程設(shè)計,學(xué)生能夠了解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程,掌握電子技能的基本知識和實(shí)踐技能.從而加深對電子技術(shù)的理解.訓(xùn)練學(xué)生的分析具體問題的能力.對學(xué)生進(jìn)行基本技能訓(xùn)練.使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,提高動手能力和分析問題、解決問題的能力.設(shè)計過程：（一）開關(guān)電源、（二）TL494I.開關(guān)電源的工作原理:1 交流電源

3、輸入經(jīng)整流濾波成直流;2. 通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器 初級上;3. 開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;4. 輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸 出的目的. 交流電源輸入時一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾;在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高;開關(guān)變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出;一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會燒毀開關(guān)電源. II開關(guān)電源的分類：按負(fù)載的連接方

4、式分類1.串聯(lián)型：開關(guān)電源中開關(guān)晶體管與負(fù)載串聯(lián)起來2.并聯(lián)型：開關(guān)電源中開關(guān)晶體管與負(fù)載并聯(lián)起來按穩(wěn)壓控制方式分類1.脈沖寬度控制式：利用加到開關(guān)調(diào)整脈沖寬度的不同，控制開關(guān)調(diào)整的導(dǎo)通時間，達(dá)到穩(wěn)定的輸出目的2.頻率控制式：控制振蕩器的重復(fù)周期，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。目前生產(chǎn)的彩電電視機(jī)絕大部分是采用脈沖寬度控制式,頻率控制式采用得少按激勵方式：他激式：需要開關(guān)電源外的激勵信號來啟動開關(guān)調(diào)整的方式自激式：由開關(guān)調(diào)整管自激振蕩來啟動開關(guān)調(diào)整管的方式一般他激式都是由逆程脈沖作為開關(guān)調(diào)整管導(dǎo)通的激勵信號，部分自激式開關(guān)電源為了使振蕩頻率與行頻同步，也采用行逆程脈沖做為觸發(fā)電平按輸出波形分：分矩形波和正弦

5、波電路按開關(guān)管的個數(shù)和連接方式分：單端式、推挽式、半橋式全橋式III.開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)：IV開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)A.優(yōu)點(diǎn):1.功耗小，效率高。在圖1中的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導(dǎo)通截止和截止導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)先進(jìn)的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。2.體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)穩(wěn)

6、壓電源的體積小，重量輕。3.穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。4.濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提

7、高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/5001/1000。 5.電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。B.缺點(diǎn):開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中功率調(diào)整開關(guān)晶體管V工作在狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開

8、關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向: 開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化、電源系統(tǒng)的管理和控制、計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、產(chǎn)品更新加快。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（MnZn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置

9、元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對于高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。 模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計成N1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)：當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時，其噪音通過電源線對其他電子設(shè)備干撓，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化

10、又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項技術(shù)得以實(shí)用化。（二）.TL494芯片簡介TL494是一種固定頻率脈沖調(diào)制電路：它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用與單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1 和Q2 受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬

11、度將減小。A.開關(guān)電源集成控制器TL494廣泛應(yīng)用于100200W中功率開關(guān)電源中，它的特點(diǎn)以下：1 集成了全部的脈寬調(diào)制電路 2 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）3 內(nèi)置誤差放大器4 可調(diào)整死區(qū)時間5 內(nèi)止5V 參考基準(zhǔn)電壓源，具有5V過流，過壓保護(hù)，輸入欠壓保護(hù)，5V欠壓保護(hù)以及12V過流保護(hù)等保護(hù)功能，電源可靠性高，運(yùn)行安全6 可調(diào)整死區(qū)時間7 內(nèi)置功率晶體管可提供500mA 的驅(qū)動能力，工作頻率是由外部鋸齒波發(fā)生器（振蕩器）上的定時元件RT和CT決定的，一旦定時元件固定后，電路輸出信號的工作頻率就固定不變8 推或拉兩種輸出方式B.TL494工作原理簡述:

12、TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率:fosc=1.1/RT·CT輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。（如下圖）C.TL494脈沖控制波形控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于

13、鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在03.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。 脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，

14、一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494內(nèi)置一個5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的070溫度范

15、圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。D.TL494管腳配置及其功能： 1和2腳分別是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加03.3V電壓時可使截止時間從2%線懷變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15、16腳是誤差放大的反相和同相輸入端。E.TL494回路控制

16、器工作原理:回路控制器的方框圖如圖2所示。被控制量（如壓力、流量、溫度等）通過傳感器交換為05V的電信號，作為閉環(huán)回路的反饋信號，通過有源簡單二階低通濾波電路進(jìn)行平滑、去除雜波干擾后送給TL494的誤差放大器I的IN+同相輸入端。設(shè)定輸入信號是由TL494的5V基準(zhǔn)電壓源經(jīng)一精密多圈電位器分壓，由電位器動端通過有源簡單二階低通濾波電路接入TL494的誤差放大器I的IN-反相輸入端。反饋信號和設(shè)定信號通過TL494的誤差放大器I進(jìn)行比較放大，進(jìn)而控制脈沖寬度，這個脈沖空度變化的輸出又經(jīng)過整流濾波電路及由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的隔離放大電路進(jìn)行平滑和放大處理，輸出一個與脈沖寬度成正比的、變化范圍為01

17、0V的直流電壓。這個電壓就是所需要的輸出控制電壓，用它去控制執(zhí)行電路，及時調(diào)整被控制量，使被控制量始終與設(shè)定值保持一致，形成閉環(huán)單回路控制.（圖2）F.工作過程當(dāng)反饋信號大于設(shè)定值時，通過TL494的脈寬。直流控制信號通過控制電路經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電動機(jī)、電熱管等）使被控制量下降，再進(jìn)而通過傳感器使反饋信號降低，形成單回路閉環(huán)控制。當(dāng)反饋信號小于設(shè)定值時，上述控制過程相反。另外，還可以根據(jù)被控制系統(tǒng)的具體情況，來調(diào)整輸入二階低通濾波器的電容大小，使控制過程及時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。再有，為使控制過程直觀，還應(yīng)加上設(shè)定量及被控制量的顯示（指示）電路?？蓮膬蓚€輸入端取出信號，然后分別通過隔離放大電路（如用運(yùn)算

18、放大器組成的電壓跟隨器）送到表頭指示。表頭可采用多功能數(shù)字式電子表頭成品或直接用滿量程5V的機(jī)械表示。G.實(shí)測數(shù)據(jù)分析表1的數(shù)據(jù)是在輸出端接10K負(fù)載電阻的開環(huán)條件下用DT9102A型數(shù)字萬用表測得的.表1 開環(huán)的條件下實(shí)測數(shù)據(jù)組1設(shè)定（V）1.0211.0231.0221.0211.0201.0191.0181.0161.0151.0121.010反饋（V）1.2521.2401.2271.0271.1861.1621.1371.1131.0901.0641.008輸出（V）0.011.081.993.014.005.006.097.008.009.009.96從測得的數(shù)據(jù)分析我們可以看出，

19、在開環(huán)條件下反饋信號動態(tài)范圍狠小，僅在±002V左右，輸出為逐漸近似每加1V左右。HTL494脈寬控制降壓穩(wěn)壓電源電路：(圖見附表)電路中，片內(nèi)誤差放大器A1的同相輸入端（1腳）通過電阻（.）與輸出端相連接，反相輸入端（2腳）通過電阻（.）片內(nèi)基準(zhǔn)電源的輸出（14腳）相連接，所以電路的輸出電壓0=REF=5V 。15腳和3腳之間的C用于加大片內(nèi)誤差放大器1的高頻負(fù)反饋，降低起高頻增益及抑制高頻振蕩。5、6腳對地分別接入電容（t）和電阻（t）決定開關(guān)電源的工作頻率，當(dāng)t電容充電到3V時即開始放電，放電到零完成一個周期。振蕩頻率f=1/Rt Ct，頻率可調(diào)幾百赫300kHZ。死區(qū)時間控制

20、端（腳）與功能控制端（腳）、輸出三極管的集電極接地時兩路輸出晶體管同時導(dǎo)通或截止，形成單端工作狀態(tài)，增加了輸出電流；由于誤差取樣放大器采用單電源運(yùn)算放大器工作方式，由CC直接供電，故共模輸入電壓范圍可在-0.3v到（CC2）V之間選擇。兩個性能相同的誤差放大器，一個是作電壓控制，另一個是作電流控制。放大器輸出高電平時，輸出脈沖方波變窄，反之輸出方波變寬。由于采用外接PNP功率晶體管A（IP32A），所以電路的輸出電流可達(dá)1A。當(dāng)輸出電壓0高于基準(zhǔn)電壓REF=5V時，片內(nèi)誤差放大器1輸出正壓正加，這樣就會導(dǎo)致外接晶體管和494內(nèi)部的1和2導(dǎo)通時間變，使輸出電壓0下降與REF基本相等，從而維持輸出

21、電壓穩(wěn)定。TL494的內(nèi)部等效電路圖及部分功能簡解說明： 它由振蕩器、時間控制比較器、PWM比較器、兩個誤差放大器、觸發(fā)器、欠壓封鎖比較器、5V基準(zhǔn)電壓源與兩個晶體管等組成。1、2腳分別為誤差比較放大器的同相輸入端和反相輸入端。3腳為控制比較放大器和誤差比較放大器的公共輸出端，輸出時表現(xiàn)為或輸出控制特性，也就是救災(zāi)兩個放大器中，輸出幅度大者起作用。當(dāng)3腳的電平變高時，TL494送出的驅(qū)動脈沖寬度變窄，當(dāng)3腳電平低時，驅(qū)動脈沖寬度變寬。4腳為死區(qū)電平控制端，可用于確定死區(qū)寬度和軟啟動。死區(qū)時間控制是在4腳加入03V的電壓，此電壓從REF接入。鋸齒波電壓與4腳電壓比較，當(dāng)鋸齒波電壓比4腳低，輸出晶

22、體管截止，限制了輸出方波寬度的增大；檔腳對地電位為零時，輸出脈沖的死區(qū)時間的占空比固定為3%。從4腳加入死區(qū)控制電壓可對驅(qū)動脈沖的最大寬度進(jìn)行控制，使其不超過180度，這樣可以保護(hù)開關(guān)電源電路中的三極管。5、6腳對地分別接入電容（t）和電阻（t），7腳為接地端。8、9腳和11、12腳分別為TL494內(nèi)容末級兩個輸出三極管的集電極和發(fā)射極。12腳為電源供電端。13腳為功能控制端。當(dāng)13腳接地時，兩路輸出晶體管同時導(dǎo)通或截止，形成單端工作狀態(tài)，增加了輸出電流；13腳接REF時，形成雙端工作狀態(tài)；兩路輸出晶體管交替導(dǎo)通。14腳為內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓輸出端。除誤差放大器外所有片內(nèi)電路均由它供電。此外還用于限流值、控制死區(qū)范圍、軟啟動回路的電源。15、16腳分別為控制比較放大器的反相輸入端和同相輸入端。（軟啟動）是在基準(zhǔn)電壓REF與死區(qū)控制端之間接入電容s，輸出晶體管截止。當(dāng)電容s逐漸充電時，4腳電位不斷降低，使輸出晶體管的導(dǎo)通時慢增加。輸出逐漸上升完成軟啟動。軟啟動的時間常數(shù)按s12/（1+2）計算。 TL494有兩組輸出晶體管，其發(fā)射極和集電極均直接引出，可作射極