(整理)基于TL494的DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計.

1、精品文檔電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計課題：基于 TL494的脈寬調(diào)制電路應(yīng)用專業(yè)班級：學(xué)生學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師：漳州師范學(xué)院物理與電子信息工程系目錄一、設(shè)計任務(wù)要求 3二、設(shè)計方案分析 32.1、 DC-D5壓變換器的工作原理 42.2、 DC-DC壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系52.3、 DC-D嚷?lián)Q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 83.1、 DC-DC壓變換器主回路設(shè)計 83.2、 DC-D嚷?lián)Q器控制電路設(shè)計 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-DCM壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)要求基于TL494設(shè)

2、計一個將12V升高到24V的DC-D匿換器。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，電壓調(diào)整率 SVC2%（在I0=1A時）。4、當(dāng)I0從0變化到1A時，負(fù)載調(diào)整率SIW5%（在UI=12V時）。5、要求該變換器的在滿載時的效率 刀A70%6、輸出噪聲紋波電壓峰-峰值U0P巴1V （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(shè)定在1.2A。二、設(shè)計方案分析2.1、 DC-D8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

3、分為非隔離型和隔離型兩大類。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-D嚷?lián)Q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-D嚷?lián)Q器的工作原理。圖1 （a）是升壓式DC-D匿換器的主電路，它主要由功率開關(guān)管VT、 儲能電感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)控制信號Vi為高電平時，開關(guān)管VT導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲存于 電感L中，由于VT導(dǎo)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(fù)載。當(dāng)控制信號Vi為低電平時， 開關(guān)管VT截止，由于電感L中的

4、電流不能突變，它所產(chǎn)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，此時存 儲在電感L中的能量經(jīng)二極管D對濾波電容C充電，同時提供給負(fù)載。電 路各點的工彳骨皮形如圖1 (b)。(a)變換器主電熬圖精品文檔圖1 DC-DC升壓式變換器電路及工作波形2.2、 DC-D/壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系假定儲能電感L充電回路的電阻很小，即時間常數(shù)很大，當(dāng)開關(guān)管即：iL jVVT導(dǎo)通時，忽略管子的導(dǎo)通壓降，通過電感L的電流近似是線性增加的t，其中ILV是流過儲能電感電流的最小值。在開關(guān)管VT導(dǎo)通結(jié)束時，流過電感L的電流為:I5I LP I LVTon,iL的增量為在開關(guān)管VT關(guān)斷

5、時，續(xù)流二極管 D導(dǎo)通，儲能電感 L兩端的電壓為uL =U0 -UL+,所以流過儲能電感L的電流為:Uo -UL當(dāng)開關(guān)管VT截止結(jié)束時，流過電感L的電流為i L = I LV = I LPUo -ULTOFFU0 -U I 7.- 一.T OFFiL的減少量為L 。在電路進入穩(wěn)態(tài)后，儲能電感L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TT1U 0 =U I = U I =U I所以：TOFFt -TON1 一q ，其中TON q = ,T?？梢姼淖冋伎毡却笮。涂梢垣@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-D匿換器穩(wěn)壓原理通過輸

6、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，可以采用兩種方案。第一可以維持開關(guān)管的截止時間 TOFF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-D嚷?lián)Q器；第二可以彳持脈沖的周期 T 不變，通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間 TON即脈沖白占空比q,以實現(xiàn)輸出 電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調(diào)制（PWM控制方式DC-D嚷?lián)Q器。由于目前 已經(jīng)有各種型號的集成PW臟制器，所以DC-D嚷?lián)Q器普遍采用PW腑制 方式。圖2是DC-D冊壓穩(wěn)壓變換器的原理圖，它主要有取樣電路、比較放大、PW腑制器和DC-D冊壓變換器組成。其穩(wěn)壓原理是，假如輸入電壓U

7、I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 PW臟制器輸出月沖占空比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，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)定電壓圖2 DC-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 間比較器、PW此較器、兩個誤差放大器、5V基準(zhǔn)電壓源和兩個驅(qū)動三極 管等組成。當(dāng)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 f M/rtct ,在電容CT兩端形

8、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匕較器，死區(qū)時間控制比較 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)計電 源的軟啟動電路、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，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，兩路 脈沖輸出分別有觸發(fā)器的Q和Q端控制，兩路信號輸出互補，即推挽輸出， 此時PW啾沖輸出頻率為振蕩器頻率的一半，最大

9、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)動電流的能力，一般使用時可將兩 路并聯(lián)輸出。TL494內(nèi)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(dāng)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，實現(xiàn)控制對象 的穩(wěn)定。在實際使用中，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

10、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集電極輸出電壓一3040V集電極輸出電流（每只晶體管）一一200mA放大器輸入電壓-0.3一UCC-2.0V進入反饋斷電流一一0.3mA基準(zhǔn)源輸出電流一一10mA定時電阻1.830500kQ定時電容0.000470.00110F振蕩頻率1.040300kHz三、主要單元電路設(shè)計1、DC-D8壓變換器主回路設(shè)計該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖1所示的電路。該變換電路設(shè)計主要是確定關(guān)鍵元件：輸出濾波電容 C、電感L、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TONS間

11、供給全部負(fù)載電流，設(shè)C - I。在tons間c上的電壓降uoquo為要求的紋波電壓。則AU0 ,U 0 UII 0(U 0 U I )I ON =IC _又因為 Uo ，所以 f uoUo ,選擇開關(guān)頻率等于50KH4在本設(shè)計給定的條件及要求下，計算輸出濾波電容的值為：1OpF,實際選擇1OOp F/50V的電容。儲能電感的選擇根據(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Uo TI I = I 0 = I 0 -= I LV等，即UIII =U0I0,所以 UITOFF，即從電源取出的平均電流也就是流入電感的平均電流

12、。. (Uo -UI)TOFF-I 二電感電流的紋波分量是三角波，在TON期間，電流的增量為L ;在TOF硼間，電流將下降，其減少量為UITON在穩(wěn)態(tài)下，+兇=*I。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.UM1.4Ii應(yīng)大于或等于零。實際設(shè)計時，選擇電感電流的增量L ,所L UiTonUi(Uo -Ui) U2(Uo -Ui)一 1.4Ii -14U0I0 f Uo 一1.4f Uo Io以UI 0,在開關(guān)頻率選擇50kHz和給定的條件及要求下，計算電感量為 42 pH,實際選擇100 w H/2A的電感。電 感可以買成品

13、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1.1 X1.2U0。實際在選定開關(guān)管時，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） 1.1 X1.2U0O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)動電路要簡單、開關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計選擇N溝道功率場效應(yīng)管IRF3205,該器件的VDSM=55V導(dǎo)通電阻僅為8mQ , IDM=110A完全滿足設(shè)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

14、,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(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)計選用MBR10100cT其最大方向工作電壓為100V,最大正向工作電流為10A完全滿足設(shè)計要求。2、DC-D匿換器控制電路設(shè)計DC-D嚷?lián)Q器控制電路選用集成PW腑制器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22kQ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、

15、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 精品文檔到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，圖中由電阻 R& R4 RP2組成；當(dāng)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(jié)果使輸出 脈沖的寬度變窄，開關(guān)管的導(dǎo)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(gòu)成 PID調(diào)節(jié)器，目的是 改善系統(tǒng)的動態(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。過流保護電路可以

16、利用TL494內(nèi)部另一誤差放大器實現(xiàn)。圖中電流取 樣電阻選擇1Q/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，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。Cl-50.147kII3214 115KOIM12 V/噂*DWlR7SJkVTOTk4 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 prote

17、l 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PCBS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(diào)節(jié)電位器 RP2,使15腳電位等于2.2V。同時調(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)計只做出控制電路部分，不引入過壓及過流保護。脈寬可調(diào)即為設(shè)計成功。五、總結(jié)本次課程設(shè)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)樓樓下不小心板摔掉地上而導(dǎo)致TL494 芯片被彈出未壓緊，所以洪老師第一次測試時波形未出來， 只得了一個D的成績。后來波形出來了，讓老師重新評，但只能給我改成C,雖然改了成績，但還是感覺挺遺憾的。還有一個不足是因為各種條件的限制沒有引入主電路，沒有最終驗證設(shè)計的可行性。通過這次的課程設(shè)計，我學(xué)到了很多東西，懂得了如何是看芯