開關(guān)電源boost電路課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)方框圖Boost電路又稱為升壓型斬波器，是一種直流-直流變換電路，用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流電壓，實(shí)現(xiàn)能量從低壓側(cè)電源向高壓側(cè)負(fù)載的傳遞。整個(gè)系統(tǒng)包括BOOST主電路、為了更好的控制開關(guān)頻率，還增加了閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊和電壓反饋模塊。系統(tǒng)方框圖如圖1-1所示：圖1-1系統(tǒng)方框圖1.2boost升壓電路工作原理在電路中IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷IGBT導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為：t+t?TU= _E=—Ef“t?（3-1） 式（3-1）中T為開關(guān)周期, 匕為導(dǎo)通時(shí)間， 如"為關(guān)斷時(shí)間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因 ：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為開關(guān)處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓 匚不變，但實(shí)際上C值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電， 1■必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過(guò)，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。

1.3boost升壓電路原理結(jié)構(gòu)圖Boost升壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由直流電源、電感、電容、開關(guān)管、二極管以及負(fù)載。其基本原理結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：圖1-3 Boost升壓電路結(jié)構(gòu)圖2.電路參數(shù)的計(jì)算及元器件選型2.1系統(tǒng)的要求本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)一個(gè)升壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路，輸入電壓 10V,輸出電壓22V，最大電流1.5A，輸出電壓紋波為1%。2.2TL494工作原理TL494是一種固定頻率脈寬調(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)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有S0-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。其主要特性如下：TL494主要特征集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容） 。PINCONNECTIONSPINCONNECTIONS內(nèi)置誤差放大器內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓 源可調(diào)整死區(qū)時(shí)間內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力推或拉兩種輸出方式。TL494引腳圖如圖2-1所示：

圖2-1TL494引腳分布圖TL494是一個(gè)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(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：fogc=11Rt'Ct輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)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(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖 2-2。馥It吋間出較器I比較器回受P皿1比較器|正鈕Q疋反關(guān)1Q松輸出I電容器6tin-馥It吋間出較器I比較器回受P皿1比較器|正鈕Q疋反關(guān)1Q松輸出I電容器6tin-輛出篠控制\圖2-2TL494控制器時(shí)序波形圖脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)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(jué)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，一個(gè)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(jì)時(shí)，同時(shí)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(gè)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%寸，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個(gè)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(dòng)電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，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(gè)5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的0—70C溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供土5%的精確度。TL494內(nèi)部電路方框圖：2.3開關(guān)頻率的計(jì)算振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：系統(tǒng)采用RC振蕩器參數(shù)值分別為R=10KC=4700PF通過(guò)上式計(jì)算得，f=23.4KHZ2.4TL494的閉環(huán)調(diào)節(jié)如圖2-3所示，TL494的IN2通道與feedback引腳構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)。

圖2-3TL494閉環(huán)調(diào)節(jié)2.4電感值的計(jì)算由Boost的伏秒平衡，可得：V.*D=(VoVJ*(1D) ①Vo=Vin1-DD=1-VinVo又根據(jù)能量守恒，可得:Vin*Imid圖2-3TL494閉環(huán)調(diào)節(jié)2.4電感值的計(jì)算由Boost的伏秒平衡，可得：V.*D=(VoVJ*(1D) ①Vo=Vin1-DD=1-VinVo又根據(jù)能量守恒，可得:Vin*Imid*T=Vo*Io*T(Imid為CCMBOOSt電感的電流中心值)Vo*IomidVin 1-D當(dāng)輸出最小負(fù)載Iomin，即I=21mid，也就是BOOSt處于臨界狀態(tài)，可得:midomin1-DAI2Vin*D*Tomin2L1-DL(1-D)*D*T2IominD=1-Vn=0.545VoL>Vo*(1-D)2*D=53*10-6H2Iomin*f代入數(shù)據(jù)可得，L>53uh選用綠色環(huán)形電感，取3倍欲量。根據(jù)公式算電感圈數(shù)：

D=L=4.62VAlAl=7.5*10_6考慮欲量最后去圈數(shù)為9圈，測(cè)得電感值為515uHo2.5二極管選型根據(jù)系統(tǒng)最大電流1.5A，可選取最大允許通過(guò)電流2A的二極管，本系統(tǒng)主要選擇FR2073系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖3-1所示:GHDRTVCCCTDTCVREFIHL*CHTLOIN1-ChtPHITGHDRTVCCCTDTCVREFIHL*CHTLOIN1-ChtPHITCLKLC26TL1￡HCJFEEDBACK+I3Vvcczr彳11'GN1>圖3-1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖4設(shè)計(jì)結(jié)果與分析4.1測(cè)試工具泰克示波器TDS1012B雙路穩(wěn)壓電源CALTEKCA17305D數(shù)字萬(wàn)用表DT92054.2TL494輸出波形用示波器觸筆接TL494的9、10號(hào)腳的輸出波形為驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管波形，如圖4-2所示：

M50,l]psM50,l]ps圖4-2MOS驅(qū)動(dòng)波形TL494的5、6號(hào)腳與外圍電阻電容構(gòu)成一個(gè)RC振蕩器，為系統(tǒng)提供了比較基準(zhǔn)源，示波器上顯示波形如圖4-1所示：圖4-1圖4-1比較基準(zhǔn)波形圖4.3輸出紋波波形系統(tǒng)輸出紋波的產(chǎn)生主要由于 Boost電路中的開關(guān)管的開斷以及電感電容的充放電，根據(jù)設(shè)置的電容值大小，最后輸出的紋波波形，測(cè)試時(shí)示波器采用交流擋測(cè)試，所測(cè)試的波形如圖4-3所示：4.4電感輸出波形當(dāng)開關(guān)管開通和關(guān)斷過(guò)程中，電感處的輸出波形與輸入波形有很大的區(qū)別， 輸入波形為系統(tǒng)電源輸入波形，為直流波形。其波形如圖 4-4所示：圖4-5電感輸出波形5實(shí)驗(yàn)小結(jié)通過(guò)這次對(duì)降壓直流斬波電路的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)斬波電路有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)驅(qū)動(dòng)電路也有了更深刻的認(rèn)識(shí)，另外，在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中我也學(xué)會(huì)了用一些基本元部件進(jìn)行建模的基本方法，加深了對(duì)課本知識(shí)的進(jìn)一步理解。 同時(shí)這次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用到MATLAB件，設(shè)計(jì)時(shí)借助MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)模型仿真，進(jìn)一步熟悉了MATLAB語(yǔ)言及其應(yīng)用，用該軟件對(duì)該電路進(jìn)行分析，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算和繪圖步驟。同時(shí)該次課程設(shè)計(jì)。書寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書時(shí)使用WORD軟件，使我掌握了許多關(guān)于WORD編輯和排版技巧，提高了自身對(duì)一些基本軟件的應(yīng)用技能。 總之，這次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我的知識(shí)積累，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的電力電子理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，了解了這些知識(shí)在電源上豐富而強(qiáng)大的用途，為將來(lái)走進(jìn)工作打下了基礎(chǔ)，還讓我懂得自主學(xué)習(xí)的重要性，還有做什么事情都要有恒心，有信心，動(dòng)腦子去想，就一定有所收獲。4參考文獻(xiàn)王兆安、黃俊?電力電子技術(shù)?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008王