TL494開關電源畢業(yè)設計（12V5A）畢業(yè)設計

1、開關電源設計摘 要隨著電力電子技術的發(fā)展和新型功率元器件的不斷出現，開關電源技術得到了飛速的發(fā)展，在計算機、通訊、電力、家用電器、航空航天等領域得到廣泛應用，取得了顯。開關電源是利用現代電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制和場效應管構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。開關電源比普通的線性電源效率高，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。目前世界各國都有廣泛的應用，特別是對大容量高頻開關電源的研究和開發(fā)已成為當今電力電子學的主要研究領域，并派生了很

2、多新的研究方向。本文詳細分析了高性能、大功率直流開關電源的工作原理，并提出了主電路和控制電路的詳細設計方案。在此基礎上，完成了整個系統的硬件電路設計和軟件程序的編制，并對電源裝置的硬件和軟件進行了調試和修改。在分析原理的基礎上，本文從三相橋式不控整流、全橋變換器、高頻變壓器、濾波電路等環(huán)節(jié)對該系統的主電路進行了闡述，同時探討了該電源系統實現大功率的解決方案，即采用多個電源模塊并聯運行。在電壓調節(jié)環(huán)節(jié)上，詳細分析了基于TL494電源管理芯片。本文研制的直流開關電源具有輸出電壓可調、輸出電流大、紋波小等特點。關鍵詞:開關電源，TL494,高頻變壓器，PWM控制Switchingpower supp

3、ly designAbstractWith the development of power electronic technology and new type power components appear continuously, switching power supply technology obtained the rapid development, the computer, communications, power, household appliances, aerospace and other fields are widely used, and achieve

4、d significant results. Switching power supply with high efficiency, small volume, light weight and other significant characteristics. Switching power supply is the use of modern electronic technology, the control switch transistor turn-on and turn-off time ratio, to maintain the stability of the out

5、put voltage of a power supply, switching power supply is usually consists of pulse width modulation and a field effect tube. Switch power supply and linear power supply, the twos cost as the output power increases, but the two growth rate of different. Switching power supply than ordinary linear pow

6、er supply efficiency is high, the power switch in the development and application in saving energy, saving resource and protect environment has important significance. At present, all the countries in the world have a wide range of applications, particularly for large capacity high frequency switchi

7、ng power supply research and development have become the main research field of power electronics, and derive a lot of new research direction.This paper presents a detailed analysis of a high performance, high power DC power supply and working principle, and has proposed the main circuit and control

8、 circuit of the detailed design scheme. On this basis, the system hardware circuit design and software program, and the power supply device hardware and software debugging and modification. Based on the analysis of the principle, this article from the three-phase bridge uncontrolled rectifier, a ful

9、l bridge converter, a high frequency transformer, filter circuit of the main circuit of the system are described, and discussed the power supply system of high power solutions, the use of multiple power supply modules operating in parallel. In the voltage regulating link, a detailed analysis of the

10、power management chip based on TL494. This paper designed DC switching power supply with adjustable output voltage, output current, ripple is small wait for a characteristic.Keywords: Switching Power Supply, TL494,High-frequencyTransformer, PWM control目 錄開關電源設計I摘 要I第1章 緒論3第一章 開關電源基礎技術51.1 開關電源概述51.1

11、.1 開關電源的概念及工作原理51.1.2 開關電源的特點61.2 開關電源的分類61.3 開關電源典型結構71.3.1 串聯開關電源結構71.3.2 并聯開關電源結構81.4 開關電源的技術指標91.5 開關電源中存在的問題121.6 開關電源的發(fā)展趨勢122.1 開關晶體管142.1.1 功率開關MOSFET142.1.2 絕緣柵雙極型晶體管162.2 軟磁鐵氧體磁芯172.2.1 磁性材料的基本特性182.2.2 磁芯的結構與選用182.3光電耦合器192.4 二極管232.4.1 開關二極管232.4.2 穩(wěn)壓二極管232.4.3 快速恢復及超快速恢復二極管242.5 自動恢復開關25

12、第三章 開關電源的設計28第四章 雙端驅動集成電路TL494404.1 TL494簡介404.2 TL494的工作原理414.3 TL494內部電路414.3.1 TL494管腳功能及參數424.4 TL494構成的PWM控制器電路44第5章 結論46參考文獻48附錄一 元器件清單49附錄二 總原理圖50第1章 緒論電源是實現電能變換和功率傳遞的主要設備、在信息時代，農業(yè)、能源、交通運輸、信息、國防教育等領域的迅猛發(fā)展，對電源產業(yè)提出了更多、更高的要求，如：節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、環(huán)保、可靠、安全等。這就迫使電源工作者在電源研發(fā)過程中不斷探索，尋求各種相關技術，做出最好的電源產品，以滿足

13、各行各業(yè)的要求。開關電源是一種新型電源設備，較之于傳統的線性電源，其技術含量高，耗能低，使用方便，并取得了較好的經濟效益。電力電子技術的發(fā)展,特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展,將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平,使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。開關電源技術的主要用途之一是為信息產業(yè)服務，信息技術的發(fā)展對電源技術又提出了更高的要求,從而促進了開關電源技術的發(fā)展。隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器

14、設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 第一章 開關電源基礎技術1.1 開關電源

15、概述1.1.1 開關電源的概念及工作原理開關電源的工作原理可以用圖1-1進行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經開關S加至輸出端，S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調整管。使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經濾波電路進行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓U0。圖1-1 開關電源的工作原理(a)為原理性電路圖，(b)為波形圖為方便分析開關電路，定義脈沖占空比如下： (1-1)式中T表示開關S的開關重復周期；TON表示開關S在一個開關周期中的導通時間1。開關電源直流輸出電壓U0與輸入電壓Ui之間有如下關系： (1-2)由(1-2)式可以看

16、出，若開關周期T一定，改變開關S的導通時間TON，即可改變脈沖占空比D，達到調節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變TON來實現占空比調節(jié)的方式叫做脈沖寬度調制(PWM)。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現最優(yōu)化，所以PWM式開關電源用得較多。若保持TON不變，利用改變開關頻率f=1/T實現脈沖占空比調節(jié)，從而實現輸出直流電壓U0穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調制(PFM)方式開關電源。由于開關頻率不固定，所以輸出濾波電路的設計不易實現最優(yōu)化。既改變TON，又改變T，實現脈沖占空比的調節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調頻調寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調節(jié)方式均有應用。1.1.

17、2 開關電源的特點(1)效率高：開關電源的功率開關調整管工作在開關狀態(tài)，所以調整管的功耗小，效率高，一般在80%90%，高的可達90%以上。(2)重量輕：由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，電源的重量只有同容量線性電源的1/5，體積也大大縮小。(3)穩(wěn)壓范圍寬：開關電源的交流輸入電壓在90270V范圍變化時，輸出電壓的變化在2%以下。合理設計電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬，并保證開關電源的高效率。(4)可靠安全：在開關電源中，由于可以方便的設置各種形式的保護電路，所以當電源負載出現故障時，能自動切斷電源，保護功能可靠。(5)功耗小：由于功率開關管工作在開關狀態(tài)，損耗小，不

18、需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，所以采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性3。1.2 開關電源的分類1.按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式，開關電源可分為脈沖寬度調制(PWM)式、脈沖頻率調制(PFM)式和脈沖調頻調寬式三種。2.按開關電源的觸發(fā)方式分類 自激式開關電源，自激式開關電源利用電源電路中的開關晶體管和高頻脈沖變壓器構成正反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，使開關電源輸出直流電壓。在顯示設備的PWM式開關電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時，電源電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。它激式開關電源，它激式開關電源必須有一個振蕩器，用以

19、產生開關脈沖來控制開關管，使開關電源工作，輸出直流電壓。 3.按其他方式分類按電路的輸出取樣方式分類，可分為直接輸出取樣開關電源，間接輸出取樣開關電源；開關電源按功率開關管的連接方式，可分為單端正激開關電源、單端反激開關電源、半橋開關電源和全橋開關電源；按功率開關管與電源供電、儲能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯開關電源和并聯開關電源。1.3主要任務及技術指標1.3.1開關電源的主要任務1、輸入電壓：AC220V 2、輸入頻率：50Hz3、輸出電壓：12V 4、輸出電流：10A5、輸出電阻：R0.5，紋波電壓：3IOM；最高反向工作電壓VRM為最大反向峰值電壓V(BR)S的2倍以上，即VR

20、M2V(BR)S。2.5 自動恢復開關自動恢復開關（Resettable Swithing，RS）又叫自動恢復保險絲，它是一種過流保護器件。當電路發(fā)生短路或用電電流超過極限值時，它起保護作用。它具有開關特性好、使用安全、不需維護、自動恢復、可反復使用等特點。2.5.1 工作原理自動恢復開關是由高分子晶狀聚合物和導電鏈構成的，它將聚合物緊密束縛在導電鏈上，在常態(tài)下它的電阻值非常低，只有0.2，工作電流通過開關時功耗也很小，它所產生的熱量很少，不改變聚合物內部的晶狀結構。當電路電流超過最大設計值或發(fā)生短路故障時，電流增加，導電鏈產生的熱量時聚合物從晶狀體狀態(tài)變?yōu)榉蔷铙w狀態(tài)，立即將電路電流切斷，對

21、電路起到保護作用。當故障排除以后，它又能很快恢復到低電阻狀態(tài)。這種可持續(xù)性的轉換器件能反復使用而不損壞。自動恢復開關可在家用電器、計算機通信設備以及開關電源上用作過流保護。通常，將自動恢復開關串接在低壓直流輸出端，此時交流輸入端的保險管可省去。這里應特別注意：自動恢復開關只能進行低壓過流保護，而不能接在220V或110V交流電壓上，否則將使開關燒壞。日光燈短路或漏氣時，鎮(zhèn)流器的工作電流是正常工作電流的3倍以上，這時只要在鎮(zhèn)流器的輸出端與燈之間的電路上串接一只自動恢復開關，就能非常有效地進行過流保護，提高電子鎮(zhèn)流器的可靠性。(2) 檢測方法 電阻檢查用數字萬用表的電阻檔直接測量它的直流電阻，電阻

22、值越小，自動恢復開關的容量越大。 過流后自動恢復能力的檢查在直流穩(wěn)壓電源輸出端，將自動恢復開關與電流表串聯，要求穩(wěn)壓電源的輸出電流必須大于自動恢復開關的電流容量IH。穩(wěn)壓電源的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時注意電流表的電流讀數也在不斷增加。當穩(wěn)壓電源的輸出電流接近或超過自動恢復開關的電流容量時，電流表上的電流讀數突然減小，此時自動恢復開關已進入高阻狀態(tài)。關斷電源后，穩(wěn)壓電源的輸出電壓又從零點幾伏開始上升。觀察電流表，如果一段時間后電流表上的電流讀數升到一定值，這段時間就是自動恢復開關的自動恢復時間。2.6 熱敏電阻熱敏電阻時有錳鈷鎳的氧化物燒結成的半導體陶瓷制成的，具有負溫度系數，隨著溫度的升

23、高，其電阻值降低。熱敏電阻的主要參數有：(1) RT0：零功率電阻值，表示室溫為25時的電阻值。(2) ：零功率電阻系數，表示零功率下溫度每變化1所引起電阻值的相對變化率（%/）。(3) ：耗散系數，指熱敏電阻的溫度每變化1所消耗功率的相對變化量（mW/）。熱敏電阻在開關電源中起過溫度保護和軟啟動的作用。過溫保護時將熱敏電阻并接在輸入電路中。剛啟動時，溫度低，電阻值高，相當于開路。如果電路輸入電壓超高，熱敏電阻就會發(fā)熱，其電阻值降低，對輸入電流分流。當發(fā)熱越過極限值時，整流后的輸出電壓降低，開關電源高頻振蕩停振，或是由于熱敏電阻阻值降低后，將電路保險絲燒斷，電路與供電電源斷開，起到熱保護作用。

24、所謂軟啟動是指電源剛通電時，因濾波電容C的電壓不能突變，容抗趨于零，瞬時對電容充電的電流很大，容易損壞電解電容。為了解決這一問題，一般是在電路中串接幾歐姆的電阻，在啟動瞬間對電流加以限制。但是，由于電阻功耗上升，電源效率下降。如果將電阻換為熱敏電阻，就可解決這一問題。電路剛通電時，熱敏電阻的溫度低，阻值很大，瞬時能對充電電流加以限制。隨著電流通過發(fā)出熱量，熱敏電阻的阻值迅速減小，啟動成功，功耗降低。這就是熱敏電阻對軟啟動的作用。第三章 開關電源的設計3.1 開關電源的電路組成 開關電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成

25、。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。開關電源的電路組成方框圖如下：3.2 輸入電路的原理及常見電路 3.2.1 AC輸入整流濾波電路原理 防雷電路：當有雷擊，產生高壓經電網導入電源時，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F1、F2、F3 會燒毀保護后級電路。 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波

26、對電網干擾。當電源開啟瞬間，要對 C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減小（RT1是負溫系數元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。 整流濾波電路：交流電壓經BRG1整流后，經C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。2、 DC 輸入濾波電路原理： 輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。C3、C4 為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。 R1、R2

27、、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間，由于 C6的存在Q2不導通，電流經RT1構成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導通。如果C8漏電或后級電路短路現象，在起機的瞬間電流在RT1上產生的壓降增大，Q1導通使 Q2沒有柵極電壓不導通，RT1將會在很短的時間燒毀，以保護后級電路。3.3功率變換電路3.3.1 MOS管的工作原理目前應用最廣泛的絕緣柵場效應管是MOSFET（MOS管），是利用半導體表面的電聲效應進行工作的。也稱為表面場效應器件。由于它的柵極處于不導電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達105歐姆，MOS管是利用柵源電壓

28、的大小，來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。 3.3.2 常見的原理圖：3.3.3 工作原理： R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關MOS管并接，使開關管電壓應力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關管Q1關斷時，變壓器的原邊線圈易產生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1V時，UC3842停止工作，開關管Q1立即關斷 。 R1和Q1中的結電容CGS、CGD一起組成RC網絡，電容的充放電直接影響著開關管的開關速度。R1過

29、小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1過大，會降低開關管的開關速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護了MOS管。 Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時，Q1導通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達到了磁場復位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC根據輸出電壓和電流時刻調整著腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機的輸出電流和電壓。 C4和R6為尖峰電壓吸收回路。 3.3.4 推挽式功率變換電路： Q1和Q2將輪流導通。3.3.5 有驅動變壓器的功率變換電路： T2為驅動變壓器，T1

30、為開關變壓器，TR1為電流環(huán)。4.1 輸出整流濾波電路： 4.1.1正激式整流電路：T1為開關變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成型濾波器。 4.1.2 反激式整流電路：T1為開關變壓器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負載，C4、L2、C5組成型濾波器。 4.1.3 同步整流電路：工作原理：當變壓器次級上端為正時，電流經 C2、R5、R6、R7使Q2導通，電路構成回路，Q2 為整流管。Q1柵極由于處于反偏而截止。當變壓器次級下端為正

31、時，電流經C3、R4、R2使 Q1導通，Q1為續(xù)流管。Q2柵極由于處于反偏而截止。L2為續(xù)流電感，C6、L1、C7組成 型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。5.1 穩(wěn)壓環(huán)路原理5.1.1 反饋電路原理圖： 5.1.2、工作原理： 當輸出 U0升高，經取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1腳電壓升高，當其超過U1腳基準電壓后 U1腳輸出高電平，使Q1導通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導通，UC3842腳電位相應變低，從而改變U1腳輸出占空比減小，U0降低。 當輸出 U0降低時，U1腳電壓降低，當其低過U1腳基準電壓后U1腳輸出低電平，Q1不導通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導通，UC3842腳電位升高，從而改變U1腳輸出占空比增大，U0降低。周而復始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調節(jié)VR1可改變輸出電壓值。 反饋環(huán)路是影響開關電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產生自激振蕩，故障現象為：波形異常，空、滿