TL降壓電路課程設(shè)計

1、電子技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計課題：基于TL494的非隔離開關(guān)電源設(shè)計 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 設(shè)計時間： 物理與電子工程學院目 錄1 設(shè)計任務(wù)與要求42 集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的區(qū)別42.1 集成穩(wěn)壓器的組成42.2 開關(guān)電源的組成53 開關(guān)電源的分類64 常見開關(guān)電源的介紹64.1基本電路74.2 單端反激式開關(guān)電源74.3單端正激式開關(guān)電源 84.4自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源84.5 推挽式開關(guān)電源94.6 降壓式開關(guān)電源 94.7 升壓式開關(guān)電源104.8 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源105 buck變換器115.1 buck工作原理115.2 buck變換器的參數(shù)計算126 TL494 脈寬調(diào)制電路

2、146.1 TL494 芯片主要特征146.2 TL494 工作原理簡述146.3 標準 BUCK（降壓）電路圖157 性能測試結(jié)果分析168.結(jié)論與心得169.參考文獻1710.附錄17基于TL494的非隔離開關(guān)電源設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求1掌握PCB制板技術(shù)、焊接技術(shù)、電路檢測以及集成電路的使用方法。2掌握TL494的非隔離開關(guān)電源的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。3研究開關(guān)電源的實現(xiàn)方法，并按照設(shè)計指標要求進行電路的設(shè)計與仿真。具體要求如下： 分析、掌握該課題總體方案，廣泛閱讀相關(guān)技術(shù)資料，并提出自己的見解。 掌握開關(guān)電源的工作原理。 設(shè)計硬件系統(tǒng)并進行仿真，掌握系統(tǒng)調(diào)試方法，使系統(tǒng)達到設(shè)計要求。主

3、要技術(shù)指標設(shè)計要求：直流輸入電壓：1040V；輸出電壓：5V；輸出電流：1A；效率：72%。二、集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的區(qū)別 （1）、集成穩(wěn)壓器的組成圖1 集成穩(wěn)壓器的組成 電路內(nèi)部包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個組成部分,另外加上保護電路和啟動電路。1.調(diào)整管 在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管為由兩個三極管組成的復合管。這種結(jié)構(gòu)要求放大電路用較小的電流即可驅(qū)動調(diào)整管發(fā)射極回路中較大的輸出電流，而且提高了調(diào)整管的輸入電阻。2.放大電路 在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，放大管也是復合管，電路組態(tài)為共射接法，并采用有源負載，可以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。3.基準電源 在W7800系列三端

4、集成穩(wěn)壓電路中，采用一種能帶間隙式基準源，這種基準源具有低噪聲、低溫漂的特點，在單片式大電流集成穩(wěn)壓器中被廣泛采用。4.采樣電路 在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，采樣電路由兩個分壓電阻組成，它對輸出電壓進行采樣，并送到放大電路的輸入端。5.啟動電路 啟動電路的作用是在剛接通直流輸入電壓時，使調(diào)整管、放大電路和基準電源等部分建立起各自的工作電流。當穩(wěn)壓電路正常工作后，啟動電路被斷開，以免影響穩(wěn)壓電路的性能。6.保護電路 在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，芯片內(nèi)部集成了三種保護電路，它們是限流保護電路、過熱保護電路和過壓保護電路。(2)、開關(guān)電源的組成圖2 開關(guān)電源的組成 當輸出電壓發(fā)生變化

5、時，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電路，與基準電壓進行比較并將二者的差值放大后送至脈沖調(diào)制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化。此脈沖信號作為開關(guān)管的輸入信號，使調(diào)整管導通和截止時間的比例也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平均值基本保持不變。三、開關(guān)電源的分類1、按開關(guān)管的連接方式，開關(guān)電源可分為串聯(lián)型開關(guān)電源和并聯(lián)型開關(guān)電源。串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是串聯(lián)在輸入電壓和輸出負載之間，屬于降壓式穩(wěn)壓電路；而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是在輸入電壓和輸出負載之間并聯(lián)的，屬于升壓式穩(wěn)壓電路。2、按激勵方式，開關(guān)電源可分為自激式和他激式。在自激式開關(guān)電源中，由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，來完成

6、自激振蕩，類似于間歇振蕩器；而他激式開關(guān)電源必須附加一個振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖加在開關(guān)管上，控制開關(guān)管的導通和截止，使開關(guān)電路工作并有直流電壓輸出。3、按調(diào)制方式，開關(guān)電源可分為脈寬調(diào)制（PWM）方式和脈頻調(diào)制（PFM）方式。PWM是通過改變開關(guān)脈沖寬度來控制輸出電壓穩(wěn)定的方式，而PFM是當輸出電壓變化時，通過取樣比較，將誤差值放大后去控制開關(guān)脈沖周期（即頻率），使輸出電壓穩(wěn)定。4、按輸出直流值的大小，開關(guān)電源可分為升壓式開關(guān)電源和降壓式開關(guān)電源，也可分為高壓開關(guān)電源和低壓開關(guān)電源。5、按輸出波形，開關(guān)電源可分為矩形波和正弦波電路。6、按輸出性能，開關(guān)電源可分為恒壓恒頻和變壓變頻電路。7

7、、按開關(guān)管的個數(shù)及連接方式又可將開關(guān)電源分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等。單端式僅用一只開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩只開關(guān)管，全橋式則采用四只開關(guān)管。8、開關(guān)電源按能量傳遞方式又可分為正激式和反激式。9、按軟開關(guān)方式分，開關(guān)電源有電流諧振型、電壓諧振型、E類與準E類諧振型和部分諧振型等。4、 常見開關(guān)電源的介紹1.基本電路 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如下圖3所示。 交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振

8、蕩器、脈寬調(diào)制及基準電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 圖3 基本電路 單端反激式開關(guān)電源 單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當開關(guān)管VT1 導通時，高頻變壓器初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負，整流二極管VD1處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。當開關(guān)管VT1截止時，變壓器初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1 整流和電容濾波后向負載輸出。單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20100，可以

9、同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。 單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20200kHz之間。圖4 單端反激式開關(guān)電源 單端正激式開關(guān)電源 單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開關(guān)管VT1導通時，VD2也 導通，這時電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感儲存能量；當開關(guān)管VT1截止時，電感通過續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。

10、為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和 復位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于。由于這種電路在開關(guān)管VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200 的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應(yīng)用較少。圖5 單端正激式開關(guān)電源自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。 當接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1開始導通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使VT1 很快飽和

11、。 與此同時，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic 開始減小，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使VT1 迅速截止，這時二極管VD1導通，高頻變壓器初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。 自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激

12、狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。圖6 自激式開關(guān)電源推挽式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，兩個開關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點是開關(guān)管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在1005000范圍內(nèi)。圖7 推挽式開關(guān)電源降壓式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當開關(guān)管VT1 導通時，二極管

13、VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向充電，這一電流使電感中的儲能增加。當開關(guān)管VT1截止時，電感感應(yīng)出左負右正的電壓，經(jīng)負載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。圖8 降壓式開關(guān)電源升壓式開關(guān)電源 升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當開關(guān)管 VT1 導通時，電感儲存能量。當開關(guān)管VT1 截止時，電感感應(yīng)出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源。圖

14、9 升壓式開關(guān)電源反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。當開關(guān)管VT1導通時，電感L 儲存能量，二極管VD1 截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關(guān)管VT1截止時，電感中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時給電容充電。以上介紹了脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實際應(yīng)用中，會有各種各樣的實際控制電路，但無論怎樣，也都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。 圖10 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源五、buck變換器1. buck工作原

15、理 BUCK變換器又稱降壓變換器，它是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓。其基本結(jié)構(gòu)如圖11.1所示。假定:(l)開關(guān)晶體管、二極管均是理想元件，也就是可以快速地“導通”和“截止”，而且導通壓降為零，截止時漏電流為零;(2)電感、電容是理想元件，電感工作在線性區(qū)未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零;(3)輸出電壓中紋波電壓與輸出電壓比值小到允許忽略。圖11.1 Buck變換器電路工作過程：當主開關(guān)Tr導通，如圖11.2所示，is=流過電感線圈L，電流線性增加在負載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負。當is i。時，電容在充電狀態(tài)。這時二極管D

16、承受反向電壓而截止。經(jīng)時間D1Ts后，如圖11.3所示主開關(guān)Tr截止，由于電感L中的磁場將改變L兩端的電壓極性，以保持其電流不變。負載兩端電壓仍是上正下負。在=1.43A 時，輸出保護。3 腳所接的0.1u 電容及45K、1.0M 電阻是斜率補償 （為了增加電路的穩(wěn)定性）。輸出控制13 腳為輸出（方式）控制端。該腳接地時為單端連接輸出方式。所以圖中將 8 腳和11 腳并聯(lián)輸出。參數(shù)表1七、性能測試結(jié)果分析本次設(shè)計的結(jié)果基本能夠達到預期的要求：圖13 TL494降壓原理圖如圖13所示：空載時：能比較準確的把10到40V的電源穩(wěn)定在4.95V左右，紋波電壓在6mV左右。帶負載時：當負載在零到某一值

17、的范圍內(nèi)時，輸出電壓穩(wěn)定在4.95V，輸出電流達到0.9A，此時測得輸入電壓為12.7V，輸入電流為0.47A，則效率為：=4.95*0.9/(12.7*0.47)*100%=74.65%；如果在增大負載的話，輸出電壓會被拉低，輸出不穩(wěn)定。八、結(jié)論與心得 事實證明，可靠性是開關(guān)電源設(shè)計最重要的因素，而TL494是一種功能非常完善的PWM驅(qū)動電路的芯片,適用于多數(shù)電路，性能穩(wěn)定，可靠性高，具有很大現(xiàn)實意義。 通過這次課程設(shè)計，使我對一個電子產(chǎn)品的開發(fā)研究有了初步的認識，體會到了開發(fā)研究一個電子產(chǎn)品的艱辛，也對我的精神品質(zhì)得到了一次鍛煉，明白了做什么事情都不可能急功近利，只有踏踏實實去做才能較好地完成。另外，我非常感謝我的指導老師和同學給我的幫助，讓我能夠順利完成這項實驗。我相信，本次課程設(shè)計對我今后的實習和畢業(yè)后的工作，肯定有很大的幫助。九、參考文獻1謝自美. 電子線路設(shè)計M.武漢：華中科技大學出版社,20022張占松.開關(guān)電源的原理與設(shè)計（修訂版），電子工業(yè)出版社，20043