升壓電路報告

升壓電路

設(shè)計方案成都信息工程學(xué)院姓名班級學(xué)號組號1文奧微電子142班20141020842016年12月6日目錄TOC\o"1-5"\h\z一、 設(shè)計任務(wù)要求 3二、設(shè)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(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 83.1、 DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計 83.2、 DC-DC變換器控制電路設(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-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計一、 設(shè)計任務(wù)要求基于TL494設(shè)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=11~13V變化時，電壓調(diào)整率SVW2%（在I0=1A時）。4、 當I0從0變化到1A時，負載調(diào)整率SIW5%（在UI=12V時）。5、 要求該變換器的在滿載時的效率nN70%。6、 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值U0PPW1V（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-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

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中的能量釋放給負載。當控制信號Vi為低電平時，開關(guān)管VT截止，由于電感L中的電流不能突變，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，同時提供給負載。電路各點的工作波形如圖1(b)。(a)DC-DC變換?囂主電路圖(a)DC-DC變換?囂主電路圖圖1DC-DC升壓式變換器 l …… ，…._,,(b)DC-DC^換器各點工作波形2.2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系假定儲能電感L充電回路的電阻很小，即時間常數(shù)很大，當開關(guān)管VT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。即：'廣1LV+~L"，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:導(dǎo)通結(jié)束時，流過電感L的電流為:I=I+—卜-T二」*m、r~I?TLPLVLON，iL的增量為LON。在開關(guān)管VT關(guān)斷時，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，儲能電感L兩端的電壓為_ di ._U-U"廣U0-"r，所以流過儲能電感l(wèi)的電流為：，廣七-七"?*，? —i=I=I-U^?T當開關(guān)管VT截止結(jié)束時，流過電感L的電流為L LVLPLOFF，U^?TiL的減少量為 LToff。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?U1，其中由于占空U[?T=U0—U[?T U=二?U?U1，其中由于占空Lo-L$，所以：0 Toff 1 T-To, 1 1-^q=事?？梢姼淖冋伎毡却笮。涂梢垣@得所需要的電壓值，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)壓原理要保證輸通過輸出電壓的關(guān)系式可以看出，在輸入電壓或負載變化出電壓保持穩(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)通時間TON，即脈沖的占空比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-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。要保證輸圖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?。?，結(jié)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2DC-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、PWM比較器、兩個誤差放大器、5V基準電壓源和兩個驅(qū)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fHRtct，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(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)部基準電源向外提供+5V基準參考電壓，再通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)給誤差放大器提供基準電位。TL494的推薦工作條件見表1。表1TL494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-0.3—UCC-2.0V進入反饋斷電流——0.3mA基準源輸出電流—一10mA定時電阻1.830500kQ定時電容0.000470.00110MF振蕩頻率1.040300kHz三、主要單元電路設(shè)計1、DC-DC升壓變換器主回路設(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TON期間供給全部負載電流，設(shè)C>ITon在TON期間C上的電壓降^AU0,AU0為要求的紋波電壓。則 伙0,t=U^t c>10（U0一U）又因為O U0 ，所以 /?U0&0，選擇開關(guān)頻率等于50KHz,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：10口F,實際選擇100口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I=I%=I=I等，即Uh=U010，所以I0UI 0TOFFLV，即從電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zUT A—(U-U)T+=T；在TOFF期間，電流將下降，其減少量為=°LOF；在穩(wěn)態(tài)下，+AI=-AI。在選擇△【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(yīng)大于或等于零。實際設(shè)計時，選擇電感電流的增量AI=Ut°-1.4II，所UTU(U-U) U2(U-U)L>ION> 01> 0J—1.41 UI 1.4f-U2?II1.400?f?UJ0 0以 U° ，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口H，實際選擇100口H/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〉1.1X1.2U0。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（2~3）1.1X1.2U0。開關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇（2~3）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，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-DC變換器控制電路設(shè)計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、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(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(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，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4DC-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