開關(guān)直流降壓電源

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上開關(guān)直流降壓電源（BUCK）摘要: 本次電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作，利用BUCK型轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)16V-8V的開關(guān)直流降壓電源的設(shè)計(jì)。使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號從而控制MOS管的開通與關(guān)斷。為了將MOS管G極和S極隔離，本設(shè)計(jì)采用了推挽式放大電路。另外本設(shè)計(jì)還加入了反饋環(huán)節(jié)，利用芯片自身的基準(zhǔn)電壓與反饋信號進(jìn)行比較來調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，進(jìn)而調(diào)整主電路的輸出電壓維持在一個穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。關(guān)鍵詞：DC/DC；開關(guān)電源；Buck電路；TL494 目錄1.概述及其方案選擇 1.1基本要求 1.2 方案設(shè)計(jì)2. 系統(tǒng)功能及原理 2.1系統(tǒng)總體框圖及電路原理圖 2.2基本

2、電路2.3主電路2.4控制電路3. 各模塊原理及器件選擇 3.1 電源管理芯片TL494 3.1.1 TL494 芯片主要特征 3.1.2 TL494 工作原理簡述 3.1.3 TL494脈沖控制 3.2 Buck變換器 3.2.1 Buck變換器工作原理 3.2.2 Buck變換器的參數(shù)計(jì)算 3.2.3 TL494脈沖控制 3.3 MOSFET的選擇 3.4 輸出電路4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析 4.1 實(shí)驗(yàn)調(diào)試 4.1.1整體電路檢查 4.1.2 輸出電壓反饋回路的檢測 4.1.3 驅(qū)動電路的檢測 4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果5. 小結(jié)參考文獻(xiàn)專心-專注-專業(yè)1 概述及其方案選擇開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控

3、制功率器件（MOSFET、三極管等）的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具有轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源與傳統(tǒng)線性電源相比有以下區(qū)別：1) 開關(guān)電源是直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖電流，將電能儲存到電感、電容元件中，利用電感、電容的特性將電能按預(yù)定的要求釋放出來來改變輸出電壓或電流的；線性電源沒有高頻脈沖和儲存元件，它利用元器件線性特性在負(fù)載變化時(shí)瞬間反饋控制輸入達(dá)到穩(wěn)定電壓和電流的。2) 開關(guān)電源可以降壓，也可以升壓；線性電源只能降壓。3) 開關(guān)電源效率高；線性電源效率低。4) 線性電源控制速度快，波紋?。婚_關(guān)電源波紋大。1.1基本要求輸入直流1012V，輸出6V；

4、開關(guān)振蕩頻率23.4KHz。1.2方案設(shè)計(jì)采用MOSFET作為功率轉(zhuǎn)換元件，MOSFET具有壓降小，輸入電阻高，動態(tài)特性好等特點(diǎn)?？刂品桨覆捎肨L494CJ脈沖寬度調(diào)制芯片，極大地簡化電路設(shè)計(jì)，而且該芯片是一種功能非常完善的PWM驅(qū)動電路芯片，適用于多數(shù)電路，性能穩(wěn)定，可靠性高，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 2系統(tǒng)功能及原理2.1 系統(tǒng)總體框圖及電路原理圖圖2-1 開關(guān)直流降壓電源總體框圖圖2-2 開關(guān)直流降壓電源電路圖圖2.2基本電路開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如下圖2-3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(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最

5、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、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)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。控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 圖2-3 開關(guān)電源的組成開關(guān)電源中調(diào)整管工作在開關(guān)方式，只有導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，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(zhǔn)電壓進(jìn)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(dǎo)通和截止時(shí)間的比例也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平

6、均值基本保持不變。2.3主電路本次課程設(shè)計(jì)中采用降壓式開關(guān)電源（BUCK）。降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖2-4所示。當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管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(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí)，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)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，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。圖2-4 降壓式開關(guān)電源2.4控制電路 圖2-5 控制電路圖芯片14腳輸出基準(zhǔn)電壓通過電阻分壓進(jìn)入15號腳作來與16號反饋信號進(jìn)行比較的基值。從

7、主電路輸出端引出的反饋信號即16號腳，與15號腳的基值進(jìn)行比較，從面調(diào)節(jié)8號腳和11號腳輸出的脈沖信號的占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)MOS管的開通與關(guān)斷的頻率與時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電壓值。本次設(shè)計(jì)選擇輸入12V，輸出6V。3 各模塊原理及器件選擇3.1 電源管理芯片TL494 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SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。 3.1.1 TL494 芯片主要特征集成了全部的脈寬調(diào)制電路內(nèi)置主從振蕩器內(nèi)置誤差放大器內(nèi)置5.0V參考基準(zhǔn)電壓源

8、可調(diào)整死區(qū)時(shí)間內(nèi)置功率晶體管可提供最大500mA的驅(qū)動能力輸出可控制推拉電路或單端電路欠壓保護(hù) 3.1.2 TL494 工作原理簡述圖3-1 TL494芯片內(nèi)部電路TL494 是一個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，振蕩頻率可通過外部的一個電和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率計(jì)算公式為：輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實(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)鐘信號為低電平時(shí)才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。 3.1.3 TL494脈沖控制控制信號由集成電路

9、外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（03.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。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手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V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得到。誤差放大器的輸出端常處

10、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%時(shí)，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個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

11、將等于振蕩器的頻率。TL494內(nèi)置一個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070溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供5%的精確度。3.2 Buck變換器 3.2.1 Buck變換器工作原理 BUCK變換器又稱降壓變換器，它是一種對輸入輸出電壓進(jìn)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2-4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(dǎo)通”和“截止”，而且導(dǎo)通壓降為零，截止時(shí)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

12、與輸出電壓比值小到允許忽略。當(dāng)主開關(guān)Tr導(dǎo)通，如圖3-2所示， 流過電感線圈L，電流線性增加在負(fù)載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負(fù)。當(dāng)is i。時(shí)，電容在充電狀態(tài)。這時(shí)二極管D承受反向電壓而截止。經(jīng)時(shí)間D1TS后，如圖3-3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(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。在Io時(shí)，電容處在放電狀態(tài)，以維持Io、Vo不變。這時(shí)二極管D，承受正向偏壓為電流紅構(gòu)成通路，故稱D為續(xù)流二極管。由于變換器輸出電壓Vo小于電源電壓Vs，故稱它為降壓變換器。其工作圖如下圖3-2和圖3-3所示圖3-2Tr導(dǎo)通 圖3-3 Tr關(guān)斷在一般的電

13、路中是期望BUCK電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的，在一個完整的開關(guān)周期中，BUCK變換器的工作分為兩段，其工作波形圖為:圖3-4 BUCK電路在連續(xù)模式下的工作波形圖 3.2.2 Buck變換器的參數(shù)計(jì)算在BUCK變換器電路中給定輸入電壓Vs的范圍、輸出電壓Vo、功率P輸出電流I。、紋波電壓的范圍Vo，開關(guān)頻率fs，就可以推出電路中L、C的參數(shù)值和所需要開關(guān)管和二極管的耐壓和耐流值，從而選定各自的型號。從圖3-4中的iL波形圖可知，在開關(guān)管Tr導(dǎo)通期間(t0t1)，電感電流上升量為 在開關(guān)管關(guān)斷期間，電感電流的下降量為 由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個電流變化量相等，即所以由上述兩式可得: 由上式整理得 注意：D

14、為占空比 (l)儲能電感L的確定由于產(chǎn)生脈沖的芯片相應(yīng)R4.7K歐姆，C103.則芯片產(chǎn)生的脈沖頻率為f=1.1/(RC).計(jì)算得f=23.4KHZ.在電感充放電一個周期內(nèi)：得 開通時(shí) 且對于BUCK電路，開通時(shí)， t=D所以故計(jì)算得出L(2)濾波電容C的確定流經(jīng)電容的電流是（），由于對電容的充放電產(chǎn)生的紋波電壓， 代入數(shù)值得， 所以電容選取103的瓷片電容。輸出電容C2并非理想電容，可等效于串聯(lián)電阻（ESR）、串聯(lián)電感（ESL）與純電容C的串聯(lián)。對于低頻電路，ESL可以忽略。輸出紋波主要由ESR來決定。一般常用鋁電解電容的RC值近似為一個常數(shù)，為。利用典型ESR-容值關(guān)系，根據(jù)公式得： 選擇

15、25V，2200uF的普通鋁電解電容。(3)續(xù)流二極管的確定根據(jù)Buck變換器的工作原理，開關(guān)截止時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感儲能轉(zhuǎn)化為電能，二極管起到續(xù)流作用，二極管正向額定電流需大于負(fù)載電流，耐壓值大于輸入電壓，同時(shí)為了使截止到導(dǎo)通時(shí)間盡量短，選擇超快恢復(fù)二極管，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，選擇正向電流不小于1A的超快恢復(fù)二極管。此處選擇FR107，最大恢復(fù)時(shí)間為500ns。3.3 MOSFET的選擇 實(shí)物圖 引腳圖 參數(shù) 切換時(shí)間電路測試 切換時(shí)間波形開關(guān)管的峰值電流為： 開關(guān)管的耐壓值為： 根據(jù)要求。在本次設(shè)計(jì)中選擇IRF9Z34N型MOSFET。 3.4 輸出電路輸出電路采用LC電路。圖3-5 輸

16、出濾波電路 當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電能儲存在電感中，同時(shí)也流向負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，由于電感上的電流不能突變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時(shí)續(xù)流二極管導(dǎo)通，構(gòu)成閉合回路。電容起到濾波平滑輸出的作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電壓為6V,輸出電壓紋波小于2%，則輸出紋波電壓小于120mV。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析4.1實(shí)驗(yàn)調(diào)試在輸入端加12V的直流電壓，同時(shí)給TL494提供12V的直流電壓，輸入端與TL494共地，用示波器觀察TL494五號腳輸出波形，同時(shí)用示波器觀察電流采樣回路電壓。 4.1.1 整體電路檢查 在上述基礎(chǔ)上，用示波器觀察輸入端與TL494的5號引腳波形分別如下圖所示： 輸入端波形 TL

17、494 5號引腳波形 整體調(diào)試過程需反復(fù)多次嘗試，尤其是反饋電阻的調(diào)整，需要多調(diào)試幾次，這樣才能滿足設(shè)計(jì)要求，。4.1.2 輸出電壓反饋回路的檢測檢測方法：用兩個獨(dú)立電源，一個電源（調(diào)到12V）用于給TL494供電產(chǎn)生驅(qū)動信號；另外一個電源（調(diào)到6V左右）加在輸出端； 反饋回路 輸出端口用示波器觀察TL494的8號腳輸出波形，同時(shí)調(diào)節(jié)上圖中的R1（10K電位器），調(diào)節(jié)該電位器時(shí)，可先正旋轉(zhuǎn)，若長時(shí)間波形無變化，再反旋轉(zhuǎn)，當(dāng)看到某一瞬間波形突然消失時(shí)（可證明反饋回路有效），調(diào)節(jié)輸出端電源到6V，再微調(diào)電位器，直到在6V位置波形剛好出現(xiàn)，電源電壓再升一點(diǎn)波形消失的臨界狀態(tài)即可。4.1.3 驅(qū)動電路

18、的檢測 將TL494的地線和電源線連接好后，外加12V直流電壓，用示波器觀察TL494的5號、8號引腳波形，觀察結(jié)果如下： TL494 5號引腳鋸齒波 TL494 8號引腳方波若無波形，則需對照原理圖檢測電路焊接是否有問題，主要有查看VCC，GND是否都各自連接到一起，芯片引腳是否焊接錯誤等。 4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過以上調(diào)試操作進(jìn)行電路調(diào)試后，完成對電路整體設(shè)計(jì)及實(shí)物設(shè)計(jì)的檢查校正，正常情況下輸入端輸入直流電壓12V后輸出端的輸出電壓應(yīng)為6V左右。完成電路調(diào)試后得到的輸入、輸出端的波形圖如下圖所示： 輸入端電壓波形 輸出端電壓波形由此可見，是屬于直流降壓型電源并且滿足輸出電壓比輸入電壓比為01之間即：，其中0D1.5設(shè)計(jì)小結(jié)回顧此次電力電子裝置課程設(shè)計(jì)的兩個星期，我感慨很多。從理論到時(shí)踐，我遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力。通過本次課程