基于TL494的DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì)說明

./電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：基于TL494的脈寬調(diào)制電路應(yīng)用專業(yè)__學(xué)生__學(xué)生__指導(dǎo)XX師X學(xué)院物理與電子信息工程系目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求………………3二、設(shè)計(jì)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(jì)…………83.1、DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計(jì)………83.2、DC-DC變換器控制電路設(shè)計(jì)…………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(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求基于TL494設(shè)計(jì)一個(gè)將12V升高到24V的DC-DC變換器。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U(xiǎn)I=11~13V變化時(shí),電壓調(diào)整率SV≤2%〔在I0=1A時(shí)〕。4、當(dāng)I0從0變化到1A時(shí),負(fù)載調(diào)整率SI≤5%〔在UI=12V時(shí)〕。5、要求該變換器的在滿載時(shí)的效率η≥70%。6、輸出噪聲紋波電壓峰-峰值U0PP≤1V〔在UI=12V,U0=24V,I0=1A條件下〕。7、要求該變換器具有過流保護(hù)功能,動作電流設(shè)定在1.2A。二、設(shè)計(jì)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(dāng)控制信號Vi為高電平時(shí),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(shí)其飽和壓降很小,所以二極管D反偏而截止,此時(shí)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(shí),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(fù)右正,使二極管D導(dǎo)通,此時(shí)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(shí)提供給負(fù)載。電路各點(diǎn)的工作波形如圖1〔b〕。圖1DC-DC升壓式變換器電路與工作波形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(shí)間常數(shù)很大,當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí),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：,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(shí),流過電感L的電流為：,iL的增量為。在開關(guān)管VT關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管D導(dǎo)通,儲能電感L兩端的電壓為,所以流過儲能電感L的電流為：,當(dāng)開關(guān)管VT截止結(jié)束時(shí),流過電感L的電流為,iL的減少量為。在電路進(jìn)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,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(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(shí),可以采用兩種方案。第一可以維持開關(guān)管的截止時(shí)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(shí)間TON,即脈沖的占空比q,以實(shí)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。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(zhǔn)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〔減小〕,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(shí),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(shí)間比較器、PWM比較器、兩個(gè)誤差放大器、5V基準(zhǔn)電壓源和兩個(gè)驅(qū)動三極管等組成。當(dāng)TL494正常工作時(shí),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(dá)式為,在電容CT兩端形成的是鋸齒波,該鋸齒波同時(shí)加給死區(qū)時(shí)間控制比較器和PWM比較器,死區(qū)時(shí)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(jì)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(gè)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(shí),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(shí),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(bǔ),即推挽輸出,此時(shí)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(shí)可將兩路并聯(lián)輸出。TL494內(nèi)部包含兩個(gè)誤差放大器,若兩個(gè)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(shí),輸出脈沖的寬度變窄；反之脈沖寬度變寬。所以一般將兩個(gè)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(shí)現(xiàn)控制對象的穩(wěn)定。在實(shí)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3TL494集成脈寬控制器內(nèi)部電路圖TL494的推薦工作條件見表1。表1TL494推薦工作條件項(xiàng)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(jìn)入反饋斷電流——0.3mA基準(zhǔn)源輸出電流——10mA定時(shí)電阻1.830500kΩ定時(shí)電容0.000470.00110μF振蕩頻率1.040300kHz三、主要單元電路設(shè)計(jì)1、DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)載電流,設(shè)在TON期間C上的電壓降≤△U0,△U0為要求的紋波電壓。則,又因?yàn)?所以,選擇開關(guān)頻率等于50KHz,在本設(shè)計(jì)給定的條件與要求下,計(jì)算輸出濾波電容的值為：10μF,實(shí)際選擇100μF/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等,即,所以,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；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(shí),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(shí)流過電感中的電流最小值也應(yīng)大于或等于零。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),選擇電感電流的增量,所以,在開關(guān)頻率選擇50kHz和給定的條件與要求下,計(jì)算電感量為42μH,實(shí)際選擇100μH/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＞1.1×1.2U0。實(shí)際在選定開關(guān)管時(shí),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〕1.1×1.2U0。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(jì)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8mΩ,IDM=110A,完全滿足設(shè)計(jì)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(shí),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(shí)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(jì)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(jì)要求。2、DC-DC變換器控制電路設(shè)計(jì)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22kΩ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(fù)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(dāng)輸出電壓增高時(shí),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(shí)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(hù)電路可以利用TL494內(nèi)部另一誤差放大器實(shí)現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇1Ω/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(shí),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(diǎn)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(shí)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(jì)只做出控制電路部分,不引入過壓與過流保護(hù)。脈寬可調(diào)即為設(shè)計(jì)成功。五、總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)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(shí)