半桥式开关电源设计

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）半桥式开关电源设计摘 要随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广,电子设备的种类也越来越多,电子设备与我们的工作、生活的关系日益密切。近年来 ,随着功率电子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技术以及电源理论的快速发展 ,新一代的电源电路开始逐步取代传统的电源电路。该电源电路具有体积小，控制灵活方便，输出特性好、纹波小、负载调整率高等显著优点。由于开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，因此在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。开关电源的高频变换电路形式很多,

2、 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激式和单端反激式等形式。本论文采用双端驱动集成电路TL494输的PWM脉冲控制器设计音响设备供电电源，利用BJT管作为开关管，可以提高电源变压器的工作效率，有利于抑制脉冲干扰，同时还可以减小电源变压器的体积。关键词：TL494，PWM，半桥式电路，开关电源Design of Half Bridge Switching Power Supply ABSTRACTWith the rapid development of electronic technology, electronic systems, more and more extensive a

3、pplications, the types of electronic equipment, more and more electronic equipment and people work and live closer and closer. In recent years, with the power electronic devices (such as IGBT, MOSFET), PWM switching power supply technology and development of the theory, a new generation of power beg

4、an to gradually replace the traditional power supply circuits. The circuit is small, flexible to control the output characteristics of a good, ripple, load adjustment rate and so on.Switching power supply in the power adjustment control work in the off state, with low power consumption, high efficie

5、ncy, wide voltage range, low temperature rise, and other outstanding advantages of small size, the communication equipment, CNC equipment, Instrumentation, video audio, home appliances so widely used in electronic circuits. High frequency converter switching power supply so many forms of commonly us

6、ed with push-pull converter, full bridge, half bridge, single-ended forward and the form of single-ended flyback. In this thesis, two-side driver IC - TL494 PWM pulse output of the controller design car audio power supply in use as a switch MOSFET, can improve the efficiency of the power transformer

7、, is conducive to impulse noise suppression, but also can reduce the size of the power transformer.KEY WORDS: TL494, PWM, Half bridge circuit, Switching power11目 录前 言1第1章 开关电源基础技术21.1 开关电源概述21.1.1 开关电源的工作原理21.1.2 开关电源的构成31.1.3 开关电源的特点41.2 开关电源典型结构41.2.1 串联开关电源结构41.2.2 并联开关电源结构51.2.3 正激式结构61.2.4 反激式结

8、构71.2.5 半桥型结构81.2.6 全桥型结构91.3 开关电源的技术指标10第2章 半桥变换电路122.1 半桥变换电路工作原理122.2 半桥变换电路的应用132.3 半桥变换电路中应注意的问题142.3.1 偏磁问题152.3.2 用作桥臂的两个电容选用问题152.3.3 直通问题162.3.4 半桥电路的驱动问题172.4 双极结型晶体管172.4.1 结构和定义172.4.2 三极管的特性曲线19第3章 脉宽调制芯片TL494应用分析233.1 TL494管脚图233.2 TL494内部电路介绍233.3 TL494管脚功能及参数243.4 TL494脉宽调压原理26第4章 TL

9、494在DC-DC变换中的应用284.1 音响设备电源简述284.2 音响供电电路分析28第5章 PCB设计制作315.1 PCB的设计制作步骤315.2 注意事项335.2.1 特殊元件的布局335.2.2 布线处理34结 论35谢 辞36参考文献37附 录39外文资料翻译40前 言电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在当今信息时代，随着农业、能源、交通运输、信息技术、国防教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，如：节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的需求。开关

10、电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。近年来，随着电力电子技术的快速发展，电力电子设备与人们生活、工作的关系越来越密切，而所有的电子设备都离不开安全可靠的电源。进入80年代以后计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机电源的更新换代。进入90年代以后开关电源进入了电子、电器设备各个领域。程控交换机、通讯设备、电子检测设备等都已广泛地使用了开关电源，进一步促进了开关电源技术的发展。开关电源是采用现代电力电子技术，通过增大或者减小开关晶体管开通和关断时间的比值的方式，来使输出电压相对稳定的一种电源。开关电源按照一般的分类方式可以

11、分为脉冲频率调制方式（PFM)、脉冲宽度调制方式（PWM）和脉冲调频调宽方式三种。开关电源和线性电源的成本都随着输出功率的增加而增长，可是二者增速的快慢却是不一样的。在某一输出功率点上，线性电源成本有可能高于开关电源，这一功率点被形象的称为成本反转点。随着电力电子技术的快速发展，使得开关电源技术在不断地前进，这一成本反转点也日益向低输出电力端移动，这些都为开关电源的发展提供了广阔的空间。因为许多音响设备受到低电压电源供电的限制，因此无论输出功率还是音场效果都难以再进一步提高。在此情况下，从上世纪末，欧洲生产的许多音响中开始采用DC-DC变换器，将12V蓄电池供电变换为±24V-

12、77;50V，向音响设备供电。目前，DC-DC变换器与机械变流器相比，已今非昔比，其开关频率可达100KHZ以上，效率接近90%。 第1章 开关电源基础技术1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理如图1-1所示。图中输入的直流不稳定电压经开关加到输出端。为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。使开关按要求改变导通或断开时间，就可以把输入的直流电压变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后可得到稳定的直流输出电压。(a)原理性电路 (b)波形图图1-1 开关电源的工作原理为了方便分析开关电路，定义脉冲占空比如下： (1-1)式中T表示开关的开关周期，

13、TON表示开关在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压与输入电压Ui之间关系如下： (1-2) 由(1-2)式可以看出，如果开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，来实现占空比调节的方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。因为PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，所以PWM式开关电源用得比较多。如果保持TON不变，通过改变开关频率f=1/T来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压稳压的方法，称为脉冲频率调制(PFM)。由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的调节的稳压方式称作脉冲调频调宽方式。在各种开关电

14、源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。1.1.2 开关电源的构成开关电源由四个基本环节组成，如图1-2所示。其中DC/DC变换器用来进行功率变换，是开关电源的核心部分。驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大、整形，以适应开关管的驱动要求。信号源用来产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或者其它信号。比较放大器用来对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有其他辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。

15、图1-2 电源基本组成框图DC/DC变换器有多种电路形式，其中以控制波形为方波的PWM变换器和工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源与线性电源相比较，输入的变化比较多地表现在了输出的那一端，所以在提高开关频率的同时，开关电源的瞬态响应也能得到较大提高，这是因为开关频率提高了，反馈放大器的频率特性也得到了较大提高。负载变换响应主要是由输出端LC滤波器的性质来决定的。所以我们可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC大小的方法来改善瞬态响应特性。1.1.3 开关电源的特点(1) 效率高。因为开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高。一般在80%90%之间，高的

16、可达90%以上。(2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。(3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90270V的范围变化时，输出电压的变化在±2%以下。合理设计电路，还可使稳压范围变得更宽，并保证开关电源的高效率。(4) 可靠安全。在开关电源中，由于可以很方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能非常可靠。(5) 元件数值小。由于开关电源的工作频率高，一般在20KHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。(6) 功耗小。由于功率开关管工作在开关状态

17、，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性3。1.2 开关电源典型结构1.2.1 串联开关电源结构串联开关电源工作原理的方框图如图1-3所示。功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间，正常工作时，功率开关晶体管VT在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通和截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性的断开与闭合。输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后，就可得到平滑的直流输出电压U0。U0和功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式(12)。图1-3 串联开关电源原理图输入交流

18、电压或负载电流的变化，都会引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电压通过误差放大器放大，控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，从而达到稳定直流输出电压U0的目的。1.2.2 并联开关电源结构并联开关电源的工作原理方框图如图1-4所示。图1-4 并联开关电源原理图由图1-4可以知，功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为 (1-3)图1-4是一种输出升压型开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可以将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。变压器耦合并联开关电源工作框图如图1-5所示。功率开关晶体管VT与开关变压器初级线圈相串联

19、接在电源供电输入端，功率开关晶体管VT在开关脉冲信号的控制下，周期性地导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压。同样经过取样电路将取样电压与基准电压UE进行比较被误差放大器放大，由误差放大器输出至功率开关晶体管VT，通过控制功率开关晶体管VT的导通、截止达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。由于采用变压器耦合，所以变压器的初、次级侧可以相互隔离，从而使初级侧电路地与次级侧电路地分开，做到次级侧电路地不带电，使用安全。同时由于变压器耦合，可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。图1-5 变压器耦合并联开关电源原

20、理图1.2.3 正激式结构正激式开关电源电路如图1-6所示，是一种采用变压器耦合的降压型开关稳压电源。加在变压器绕组上的脉冲电压振幅等于电压Ui，脉冲宽度为功率开关管VT导通时间的开关脉冲序列，变压器次级开关脉冲电压经二级管整流变为直流。电源中功率开关管VT导通时变压器初级绕组励磁电流最大值为: (1-4)式中:表示变压器初级绕组的电感量；D表示脉冲占空比；T表示脉冲开关周期。图1-6 正激式开关电源电路图1-6中的二极管为续流二极管，用以在二极管由导通变为截止时将储存在电感L中的磁能按原电流方向释放给负载。二极管和绕组用以在功率晶体管VT断开时对变压器进行消磁。功率开关管VT断开时，绕组同名

21、端脉冲信号极性变负，这时励磁能量便经绕组回馈到电源输入端。功率开关管VT断开，绕组中存储的能量就转移到绕组中，并经绕组回馈到电源输入端。正激式开关电源的特点是：当初级的功率开关管VT导通时，电源输入端的能量由次级二极管经输出电感L为负载供电；功率开关管VT断开时，由续流二极管继续为负载供电，并由消磁绕组和消磁二极管将初级绕组的励磁能量回馈到电源输入端。1.2.4 反激式结构反激式开关电源电路如图1-7所示。功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式存储在变压器的初级绕组中，依据图中次级N2同名端标注，二极管不导通，负载没有电流流过。功率开关管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压为负载供电，

22、并对变压器消磁。图1-7 反激式开关电源电路反激式开关电源电路简单，输出电压既可高于输入电压，又可以低于，一般适用于输出功率为200W以下的开关电源中。1.2.5 半桥型结构当要求电源输出功率比较大时可采用板桥型开关电源，其工作原理和波形如图1-8所示。两个功率开关管VT1和VT2在开关驱动脉冲的作用下，交替地导通与截止。当开关管VT1导通时，在输入电压作用下，电流经VT1、变压器初级绕组和电容C2给变压器初级绕组励磁，同时经次级二极管、绕组给负载供电。当开关管VT1截止、VT2导通时，输入电源经C1、变压器初级绕组、开关管VT2给变压器初级绕组励磁，同时经次级二极管给负载供电。所以，电源通过

23、功率开关管VT1、VT2交替给变压器初级绕组励磁并为负载供电。变压器初级的脉冲电压幅度为。同样，电容C1、C2上的电压也分别为。半桥型开关电源的自平衡能力强，不易使变压器由于VT1、VT2的导通时间不一致而产生磁饱和现象，导致功率开关管VT1、VT2损坏。当VT1、VT2的导通时间不一致时，变压器初级绕组的励磁电流大小不一样，致使电容C1、C2上的电压不相等，励磁电流越大，则对应的电容器电压越小，从而起到自平衡对称的作用。由于每个功率开关管上的电压只有输入电压的一半，所以要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。半桥型开关电源中需要避免功率开关管VT1、VT2的同时导通需使VT

24、1、VT2的功率开关管的导通时间相互错开，相互错开时的最小时间称为死区时间。（a）原理图（b）波形图图1-8 半桥型开关电源原理图与波形图1.2.6 全桥型结构全桥型开关电源工作原理图如图1-9所示。该电源由4个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4组成桥式电路，由VT1和VT4、VT2和VT3分别组成两个导通回路。当VT2、VT3的触发控制信号有效时，VT1和VT4的触发控制信号无效。VT2、VT3导通时，输入电源经VT2、变压器的初级绕组和开关VT3形成电流回路，加至变压器初级绕组的电压幅度为电源电压，并经次级二极管整流、滤波后输出，为负载供电。同理，当VT2、VT3关断，VT1、VT4

25、导通时，输入电源从与VT2、VT3导通时电流相反的方向为变压器初级绕组励磁，并通过次级绕组和整流二极管为负载供电，这样在次级得到如图中所示的脉冲波形。（a）原理图（b）波形图图1-9 全桥型开关电源原理图与波形图和半桥型开关电源相比，由于加在全桥型变压器初级绕组上的电压和电流比半桥开关电源的各大一倍，在同样的电源供电电压下，全桥开关电源的输出功率比半桥开关电源的大4倍。同样，在全桥开关电源中也存在4个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4共态导通的问题，这点也可以通过设置死区时间的方法来解决。1.3 开关电源的技术指标开关电源主要技术指标如下：(1) 输入电压变化范围：表示当稳压电源的输入电

26、压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压范围。这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围越宽，它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益及占空比调节范围有关。目前开关电源的稳压范围已经可以做到90270V，可以省去许多电器中的110V/220V转换开关。(2) 输出内阻：输出内阻是指输出电压的变化量与输出电流变化量的比值。越小，表示表示输出电压随负载电流的变化越小，稳压性能越好。(3) 效率：电源输出功率与输入功率的比值称为电源的效率。效率越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的的效率可以达到90%以上。(4) 输出纹波电压：开关电源的稳压过程是不断反馈调节

27、的过程，所以在输出的直流电压上会叠加一个波动的纹波电压，这个值越小则表示电源的输出性能越好。这个参数的表示方法有两种：输出纹波电压有效值或是输出纹波电压的峰值。(5) 输出电压调节范围：电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，反映在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，而反映在开关电源上则是开关调整管脉冲占空比D的变化范围。(6) 输出电压稳定性：表示输出电压随负载变化而变化的特性。这个变化量越小越好。这个参数与反馈调节回路增益及频响特性有关，反馈调节回路增益越高，基准电压越稳定，输出电压的稳定性也越好。(7) 输出功率：表示电源能输出给负载的最大功率。与负载的功率有关

28、，为了保证电源安全，要求该值有20%50%的裕量。第2章 半桥变换电路由开关电源结构可知，开关稳压器无论何种形式(自激或它激),实际上都是由开关电路和稳压控制电路两大系统组成。常见的电源变换电路可以分为单端和双端电路两大类。单端电路包括正激和反激两类；双端电路包括半桥、全桥和推挽三类。每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法，本节着重介绍半桥变换电路。2.1 半桥变换电路工作原理如图2-1所示，半桥开关变换电路就是全桥开关变换电路去掉其中的两只开关管。图 2-1 半桥开关变换电路原理图该电路的工作原理如下所述。与交替着导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变导通开关的占空比

29、，可以改变二次侧整流电压的平均值，从而达到改变了输出电压的目的。在导通时，二极管处于导通状态；在导通时，二极管处于导通状态；当两个开关都关断时，变压器绕组中的电流为零；当和都处于导通状态时，各分担一半的电流。当或导通时，电感L中的电流逐渐上升；当和都关断时，电感的电流逐渐下降。和断态时承受的最高电压为3。由于电容的隔离作用，半桥开关变换电路对因为两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，所以不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和7。当滤波电感L中流过的电流连续时，输出电压的计算公式为： (2-1)半桥开关变换电路中去掉了两只开关管，采用连接两个电容分压方式，来使开关管

30、C-E极之间的电压与桥式电路相同，同时驱动电路也大大得到了简化，只需要两组在时间轴上不重合的驱动脉冲就能实现，两组驱动电路的参考点为各自开关管的发射极。根据上述原理，在采用相同规格的开关管的情况下，半桥开关变换电路的负载端电压为Ui/2，输出功率为全桥开关变换电路的1/4。半桥开关变换电路具有全桥开关变换电路所具有的全部优势，因此其应用范围比全桥开关变换电路更为广泛。2.2 半桥变换电路的应用半桥变换电路可实现DC-DC、DC-AC、AC-DC、AC-AC的变换，而且具有全桥开关变换电路的所有优势，在目前的MOSFET开关管、IGBT等高压大电流开关器件中均可采用，其应用远比全桥开关变换电路更

31、广泛。自激式半桥变换器的开关管耐压要求较低，目前输出功率200W以下的变换器广泛采用半桥开关变换电路。图2-2为无工频变压器的半桥开关降压电路。图中TC1、TC2和VT1、VT2组成半桥开关变换电路，将输入整流后约310V直流高压由开关电路变成双向矩形波，通过降压比的方式输出，经整流滤波获得与输入隔离的低压直流电。该电路代替工频变压器和整流滤波电路组成的低压直流电源，故称其为电子变压器。C1、C2串联接在输出电压两端，正常情况下，其中点电压为输入电压的1/2。该电压经输出变压器T2的初级绕组N1接于两只开关管的串联连接点上。当VT1导通时，+310V电压经VT1的C-E极加到TC2绕组N1上端

32、，N1下端接C1、C2的中点，因此N1初级电压为310V-155V=155V。当VT2导通时，C1、C2分压值+155V经VT2的C-E 极到输入电压负极，电压也为155V。在T2初级绕组中，两管导通电流方向相反，T2次级输出对称的矩形波。图2-2 半桥开关降压电路脉冲变压器TC1为反馈变压器，其初级绕组N1通过C5、C6将TC2的次级输出脉冲电压分压得到反馈脉冲，T1次级绕组N2、N3形成相位相反的两组驱动脉冲。根据图示的TC1、TC2相位关系，当VT1导通时，TC1绕组N2输出与TC2初次级相同的脉冲，构成VT1的正反馈，而TC1绕组N3则输出与TC2初次级相位相反的脉冲。因为VT2导通时

33、，TC2初级电流方向反向，故TC1绕组N3构成VT2的正反馈电路。该变换器的反馈脉冲取自TC2次级绕组，利用TC2的降压比获得较低的反馈电压，以免另设低阻抗反馈绕组。半桥式推挽电路输出的是双向矩形波，反馈脉冲也应是双向的，才能使VT1、VT2维持正反馈作用。电路中通过C5、C6分压取得相对于TC2次级中点相位不同的脉冲，无论VT1还是VT2导通，都有正反馈作用。反馈电路中串联有电阻，目的是自动调整反馈量，避免反馈量过大而使开关管的存储效应增大。2.3 半桥变换电路中应注意的问题2.3.1 偏磁问题原因：由于两个电容连接点的电位是随VT1、VT2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关

34、的伏秒值，当浮动不满足要求时，假设VT1、VT2具有不同的开关特性，即在相同的基极脉冲宽度t=t1下，VT1关断较慢，VT2关断较快，将会发生偏磁现象，致使铁心饱和并产生过大的晶体管集电极电流，从而降低了变换器的效率，使晶体管失控，甚至烧毁。图2-3 消除偏磁电路图解决办法：在变压器原边线圈中加一个串联电容C3，则与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉，这样在晶体管导通期间，就会平衡电压的伏秒值,达到消除偏磁的目的。2.3.2 用作桥臂的两个电容选用问题从半桥电路的结构上来看，在选用桥臂上的两个电容C1、C2时需要考虑电容的均压问题。尽量选用C1=C2的电容，这样当某一开关管导通时，绕

35、组上的电压只有电源电压的一半，从而达到均压效果。一般情况下，还要在两个电容两端各并联一个电阻（原理图中的R1和R2）并且R1=R2进一步满足要求。此时在选择阻值和功率时需要注意降额。此时，电容C1、C2的作用就是用来自动平衡每个开关管的伏秒值（与C3的区别：C3是滤去影响伏秒平衡的直流分量）。2.3.3 直通问题所谓直通就是VT1、VT2在某一时刻同时导通的现象，这种现象会导致短路事故。解决措施：(1) 可以对驱动脉冲宽度的最大值加以限制，使导通角度变小，从而避免产生直通。图2-4 副边为全波电路图2-5 副边为全桥电路(2) 还可以从拓扑结构上解决问题，采用交叉耦合封闭电路如图2-4和图2-

36、5所示，使一个管子导通时，另一管子处在在封闭的状态，直到前一个管子关断后，封闭才取消，后管才有导通的可能，这种自动封锁对存储时间、参数分布有自动适应的优点，而且对占空比可以满度使用的。两个电路的选择主要是考虑以下两点：(1) 根据输出电压的高低，考虑管子的安全问题。(2) 功率损耗的问题，主要是开关管和副边绕组的损耗问题。2.3.4 半桥电路的驱动问题(1) 原边线圈过载限制：解决这个问题要给原边的功率管提供独立的电流限制。(2) 软启动：启动时，要限制脉冲宽度，使脉的宽度在启动的最初几个周期中慢慢上升。(3) 磁的控制：通过控制晶体管驱动脉冲的宽度，使正反磁通相等，从而到达不产生偏磁的目的。

37、(4) 防止直通现象：可以通过控制占空比上限来缩小脉冲宽度来实现；(5) 电压的控制和隔离：因为电路要闭环控制，所以要采取隔离措施。隔离可以采用光电隔离器、变压器也可以是磁放大器。(6) 过高过压保护：过高过压保护一般情况是通常封闭变换器的开关脉冲来进行过压保护。(7) 过高电流限制：过高电流限制一般情况下安装在输入或输出的回路上，在发生短路的时候起作用。(8) 输入过低电压保护：通过某种措施确保只有在发挥良好性能且足够高的电压下才能启动。(9) 此外，还要有合适的辅助功能：如浪涌电流限制和输出滤波环节等。2.4 双极结型晶体管 2.4.1 结构和定义 BJT即Bipolar JunctiON

38、 Transistor的缩写，译为双极结型晶体管。实际上就是我们通常所说的三极管，它是通过一定的工艺将两个pn结结合在一起形成的三端器件，并且有两种不同的类型，即npn型BJT和pnp型。BJT的符号和他们相应的结构图如图2-6所示。BJT由三个分隔开的掺有杂质的区域组成，其中pnp型在两个n区之间有一个p区而pnp型在两个p区间有一个n区。BJT有两个结（在p区和n区的边界处）这些结同我们所知的二极管的结相似。因此有正向偏置和反向偏置。把这些结和二极管模型加以对比，BJT可以画成图2-7的形式。BJT的三端分别称为：基极（B），集电极（C），发射极（E）。 图2-6 BJT的结构示意图和符号

39、图2-7 BJT模型图因为每一个结有两种可能的工作工作状态（正向偏置和反向偏置），而BJT有两个结，所以总共有四种可能的工作方式。图2-8 NPN型晶体管各极电流关系BJT的结构图如图2-6所示，从图中可以明显看出它的不对称性。n区和p区在几何区域还有区域内杂质掺杂浓度上都有所不同，因此器件在电特性上是不对称的，两个端子不能互换。 下面让我们以npn型双极结型晶体管为例，来详细分析一下三极管的工作原理。如图2-8所示的电压VBE和VCE，基极-发射极（B-E）结是正向偏置，同时基极-集电极（B-C）结反向偏置。穿过B-E结的电流与B-E电压的关系为 (2-2)由于发射极和基极在掺杂杂质浓度上存

40、在巨大的差异，电子从发射区注入到基区，从而产生发射极电流IE。此外由基区注入集电区电子的数量取决于由发射区注入基区的电子的数量。因而，集电极的电流由发射极电流决定，也就是说是与B-E电压决定。 两个端子间的电压控制流过第三端子的电流，这是BJT的基本定律。集电极电流和基极电流的关系为 (2-3)利用KCL我们可以推导出 (2-4) 利用方程(2-3)和(2-4)，可以导出发射极和基极电流关系为 (2-5)同样的 (2-6)其中称为。 2.4.2 三极管的特性曲线在设计半导体三极管电路时，往往需要了解半导体三极管各极电流与电压之间的关系。半导体三极管的特性曲线就是用来描述这种关系的曲线。下面仍以

41、常见的NPN三极管共发射极电路来说明半导体三极管的输入特性曲线和输出特性曲线。1. 输入特性当三极管的UCE不变时，输入回路中的电流iB与电压UCE之间的关系曲线称为输入特性，可用下式表示： (2-7)先来考虑UCE=0时的输入特性曲线。当UCE=0时，即三极管的集电极与发射极短接在一起，此时从三极管的输入回路看，基极与发射极之间相当于两个PN结（发射结和集电结）并联，如图2-9所示，因此，当b、e之间加正向电压时，三极管的输入特性相当于二极管的正向伏安特性，见图2-10中左边的一条输入特性。图2-9 共发射极BJT电路当UCE>0时，集电极电压的极性将有利于发射区扩散到基区的电子收集到

42、集电极。此时发射区发射的电子只有一小部分在基区与空穴复合，成为iB，大部分将被集电极收集，成为iC。所以，与UCE=0时相比，在同样的UBE之下，iB将减小很多，结果输入特性右移，见图2-10中右边的一条输入特性。当UCE继续增大时，严格地说，输入特性应继续右移。但是，当UCE大于某一数值以后，在一定的UBE之下，集电极电压已足以将扩散到基区的电子基本上都收集到集电极，此时即使UCE再增大，iB也不会减小很多。因此UCE大于某一数值以后，不同UCE的各条输入特性几乎重叠在一起，所以，常常用UCE大于某一数值时的一条输入特性来代表UCE更高的情况。图2-10 三极管的输入特性在实际的放大电路中，

43、三极管的UCE一般都大于零，因而图2-10中右边的一条输入特性更有实用意义。2. 输出特性图2-11 BJT输出特性曲线当iB不变时，三极管输出回路中的电流iB与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性，其表达式为 (2-8)NPN三极管的输出特性曲线见图2-11。输出特性曲线可以划分为三个区：截止区、放大区和饱和区。图2-11为BJT的输出特性曲线。此图给出了三极管的工作区，饱和区，截止区，活性和衰弱区。每一组曲线都描述了不同的基极电流，并且在此图中IB4>IB3>IB2>IB1。每个区域的工作特性总结如下：(1) 截止区 基极发射结反向偏置，没有电流流过 (2) 放大区发射结

44、正向偏置,集电结反向偏置（如图2-11所示，与有一个很小的斜坡） (3) 饱和区 发射结正向偏置 集电结正向偏置 达到最大，并且与和无关 没有控制作用 (4) 击穿区和超过了范围 晶体管损坏 22洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 脉宽调制芯片TL494应用分析3.1 TL494管脚图TL494是一种双端图腾柱输出的PWM脉冲控制驱动器。它包含了开关电源控制所需的全部功能，被广泛应用于推挽式、半桥式、全桥式开关电源。TL494是采用标准双列直插式16引脚（DIP16）封装。它的管脚图如图3-1所示：图3-1 TL494管脚图3.2 TL494内部电路介绍TL494是一种电压控制模式的PWM控制

45、和驱动集成电路芯片，因为它具有两路相位相差180°的PWM驱动信号输出，因此被广泛应用于单端式（正激式和反激式）和双端式（半桥式、全桥式和推挽式）开关稳压电源电路中。(1) 内置RC定时电路设定频率的独立锯齿波振荡器，其振荡频率为： (3-1)式中，f单位为KHz，R的单位为k，C的单位为F，其最高振荡频率为300KHz，能驱动双极型开关管和MOSFET管5。TL494内部电路如图3-2所示。 图3-2 TL494内部电路框图(2) 内部设有由比较器组成的死区时间控制电路，用外加电压来控制比较器的输出电平。通过其输出电平使触发器翻转换，控制两路输出之间的死区时间。当脚输出电平升高时，

46、死区时间增大。(3) 触发器的两路输出设有控制电路，使内部2只开关管既可以输出双端时序不同的驱动脉冲，来驱动推挽开关电路和半桥开关电路，也可以输出同相序的单端驱动脉冲，驱动单端开关电路。(4) 内部有两组完全相同的误差放大器，其同相输入端和反相输入端均被引出芯片外，因此可以自由的设定其基准电压，以便于用来稳压取样，或用其中一种作为过压、过流的超阈值保护。(5) 当输出驱动电流单端达到400mA，能直接驱动峰值开关电流为5A的开关电路。双端输出为2×200mA，加入驱动级就能驱动近千瓦的推挽式和半桥式电路6。3.3 TL494管脚功能及参数1脚：内部误差放大器A1的同相输入端IN1+。

47、 2脚：内部误差放大器A1的反相输入端IN1-。3脚：误差放大器A1、A2的输出端。集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入，当A1、A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与2、15脚间接入RC频率校正电路和直流负反馈电路，稳定误差放大器的增益以及防止其高频自激。3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。4脚：死区时间控制端。当外加1V以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果外加电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲，起到保护作用。5脚：锯齿波振荡器外接定时电容端。6脚：锯齿波振荡器外接定时电阻端。7脚：共地端5。8、

48、11脚：两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当通过外接电阻引出输出脉冲的时候，是两路时序不同的倒相输出，脉冲极性为负极性，适合驱动P型双极型开关管或P沟道MOSFET管。此时两管发射极接共地。9、10脚：为两路驱动放大器的发射极开路输出端。当8、11脚接VCC,在9、10脚接入发射极负载电阻到地时，输出为两路正极性图腾柱输出脉冲，适合于驱动N型双极型开关管或者N沟道MOSFET管。12脚：Vcc输入端。其供电范围为840V。13脚：输出模式控制端。当外接5V的电平时，为双端图腾柱式输出，可用来驱动各种推挽开关电路。接地时为两路同相位驱动脉冲输出，8、11脚和9、10脚可直接并联。双端输出

49、时最大驱动电流为2×200mA，并联运用时最大驱动电流为400mA。14脚：内部基准电压精密稳压电路端。输出5V±0.25V的基准电压，最大负载电流为10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。15脚：内部误差放大器A2的反向输入端IN2-。 16脚：内部误差放大器A2的同向输入端IN2+。RT取值范围1.8500k，CT取值范围4700pF10F，最高振荡频率fOSC300KHz。TL494在工作时，通过5、6脚分别接定时元件CT和RT。经相应的门电路去控制TL494内部的两个驱动三极管交替导通和截止，通过8脚和11脚向外输出相位相差180°的脉宽调制控

50、制脉冲。工作波形如图3-3所示。TL494若将13脚与14脚相连可形成推挽式工作；若将13脚与7脚相连可形成单端输出方式。为增大输出可将2个三极管并联7。TL494工作时的波形图如图3-3所示：图3-3 工作波形图3.4 TL494脉宽调压原理TL494芯片在工作的时候，锯齿形状的振荡波是由振荡器来产生的，然后通过一定方式被送到PWM比较器的反相输入端上,脉冲调宽电压则被通过一定方式被送到PWM比较器的同相输入端,经过PWM比较器进行比较后,最后输出宽度符合要求的脉冲波。如果调宽电压发生了误差允许以外的变化,则TL494输出的脉冲宽度也会随输入的调宽电压变化,从而导致开关管的导通时间发生了变化

51、,最终达到输出稳定电压的目的。可以通过第3脚直接送入的电压大小来控制脉冲的调宽电压,也可分别从两个误差放大器的输入端送入，然后通过比较电路和放大电路处理后，最后经过隔离二极管输出到PWM比较器的正相输入端。当两个放大器独立使用的时候，一般分别用于反馈稳压和过流保护等，这个时候时第3脚应该接网络，目的是提高整个电路的稳定性。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，它的内部自带有线锯齿波振荡器，且振荡器的振荡频率可以通过调节外部的电阻和电容的大小进行调节。另外可以通过电容上的正极性锯齿波电压和另外两个控制信号进行比较来实现调节输出脉冲的宽度的目的。通过内部的或非门电路可以控制功率输出管和，只有

52、当双端触发器的时钟信号是低电平时才会被选通。控制信号和输出脉宽成反比，即当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将变小。控制信号是通过芯片外围电路输入的，其中一路被送到死区时间比较器中，另一路被送到误差放大器。死区时间比较器具有一定的输入电压补偿，它制约了最小输出死区时间，约等于锯齿波周期的百分之四，当输出端接地时，最大输出占空比为百分之九十六，而输出端接参考电平时，占空比为百分之四十八。如果用固定的电压控制死区时间，就能很方便的在输出脉冲上产生所要求的附加死区时间。27 第4章 TL494在DC-DC变换中的应用4.1 音响设备电源简述由于许多音响设备受到低电压电源供电的制约，无论输出功率还是音场效

53、果都难以进一步提高。在此情况下，从上世纪末，国外生产的许多音响设备中开始采用DC-DC变换器，将12V蓄电池供电变换为±24V-±50V，向音响设备提供电源。目前DC-DC变换器和机械变流器相比，已经有了飞跃性的发展，其开关频率可以达到100KHZ以上，效率接近百分之九十。直流变换器工作原理不同于线性电源，直流变换器的开关管始终以设定的脉冲宽度工作。只要开关管能到达足够高的开关电流，就能随时提供满足要求额定功率的电压。就此特点来说，直流变换器和整流变压器电源是没有区别的，而且直流变换器的内阻比较低，对瞬间大电流的适应性更强。实际上变换器是不用稳压系统的开关电路，任何开关电源

54、除去脉冲调制，取样误差放大部分实质即为直流变换器15。该功率放大器中利用BJT管作为开关管，不仅可以提高电源变压器的工作效率，而且有利于抑制脉冲干扰，同时电源变压器的体积也可以大大减小，使变压器变得轻便。TL494内部集成有变换器的控制系统和振荡器，减少了外围电路的连接。TL494是它激式开关电源集成芯片，它的内部含有各种功能电路，除了脉宽调制器、死区时间控制电路以外，还含有振荡器和基准电压稳压电路，另外还含有误差检测电路。TL494在电路中组成它激式变换器，与常规用法稍微有所不同，因为只利用了其振荡器和驱动电路，用来驱动开关管的脉冲信号源。4.2 音响供电电路分析(1) 整流滤波电路：采用整

55、流桥整流，在正半周期时VT1、VT3导通，在负半周期时VT2、VT4导通进行整流。采用LC滤波，其中C8的作用是滤除交流信号，电感L2对直流电无压降，对交流电能够储藏能量，利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，从而得到比较平滑的直流。电容C10为二次滤波电容，用来再次滤除交流新号，最后得到30V的直流电。(2) PWM电路：PWM电路集成在TL494芯片内部，并由3引脚控制，其输出最大脉宽为45%，另外5%为死区。并通过输出端9、10输出两组相位差180o的PWM驱动脉冲，一组驱动脉冲使电路一臂导通后，相隔一死区时间，才发出另一组驱动脉冲，使另一臂导通。(3) 保护电路：TL494内部两组驱动级，由第9,10脚输出时序不同的正向脉冲。为了避免在两路脉冲交替处推挽开关管VT1，VT3和VT2，VT4同时导通，TL494的第四脚外接R6，C2，R4设定死区时间。一组驱动脉冲使推挽电路一臂导通后，相隔一死区时间，才发出另一组脉冲，