TL494开关电源毕业设计_图文

1、2011 沈阳理工大学 XX 上传摘 要随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面 的广泛应用 , 人们对其需求量日益增长 , 并且对电源的效率、体积、重量及 可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等 优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的 发展,特别是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展,将开关电源的工作 频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源 技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出 了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路

2、 形式很多 , 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形 式。 其中 , 在半桥式变换器电路中 , 变压器初级在整个周期中都流过电流 , 磁 芯利用得更加充分。 本文介绍了一款基于 PWM 技术的半桥式开关稳压电源。 给出了高频变压器、 PWM 控制及驱动电路的详细设计方法及设计思路,并 用该方法设计了一台输出电压可自由调节的开关稳压电源。关键词:PWM ;半桥电路;开关电源IABSTRACTWith the switch power source extensive use in the field of computer , communicate by letter ,

3、aeronautics and astronautics , instrument appearance and domestic appliances etc., people increases by gradually to whose need amounts, have brought forward higher request to aspect such as power source efficiency , bulkfactor, and reliability. The switch power source is small with its efficiency he

4、ight , volume , weight makes light of to wait for advantage to have substituted the inefficient , both stupid and serious linearity power source in many aspects step by step. The electric power electronic technology development, specially high efficiency component IGBT and the MOSFET rapid developme

5、nt, enhancesthe switching power supply operating frequency to the quite high level, enable it to have the high stability and Gao Xingjia comparesand so on the characteristic. One of switching power supply technologymain uses is serves for the information industries. The information technology develo

6、pment also set a higher request to the power source technology, thus promoted the switching power supply technology development.Switch power source high frequency alternation circuit form many, forms such as alternation circuit in common use having the push-pull , entire bridge , the bridge , only u

7、pright exciting and single end exciting partly on the contrary. Among them , be hit by in half bridge types converter circuit, the transformer is elementary in entire period all. This text introduce a half bridge switching mode power supply (SMPS based on the PWM technology.The detailed design metho

8、d of high frequency transformer,PWM control and drive electric circuit and design way of thinking were provided, counteracted that method to design one set biggest output the power as 320W of many road direct currents output the half bridge switching mode power supply.IIKeywords: PWM; Half bridge ci

9、rcuit; switch power source目录1 引言 . 1 1.1 背景和意义 . 1 1.2 开关电源的现状及趋势 . . 11.3 课题研究意义 . 32 脉宽调制电路设计 . 4 2.1设计基本设想 . 4 2.2 主电路设计 . 5 2.2.1 输入滤波电路 . . 6 2.2.2 整流与滤波电路 . . 6 2.2.3 逆变电路 . 6 2.2.4 输出滤波电路 . . 62.2.5 控制驱动电路 . . 63 脉宽调制芯片 TL494 . 8 3.1 TL494管脚图 . 8 3.2 TL494内部电路介绍 . . 8 3.3 TL494管脚功能及参数 . 93.4

10、TL494脉宽调压原理 . . 114 脉宽调制硬件设计 . 13 4.1 高压滤波电路设计 . 13 4.2 PWM 控制电路的设计 . 14 4.3 启动回路部分设计 . 16 4.4 输出回路的设计 . 19 4.5 主电路设计图设计与分析 . . 21III5 PCB 设计制作与电路调试 . 24 5.1 原理图的设计步骤 . 24 5.2 特殊元件的布局 . 26 5.3 布线处理 . 27 5.4 调试计划 . 29 结 论 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 附 录 . 34 附录 A 英文原文 . . 34 附录 B 汉语翻译 . . 44 附录 C 实物图 . 5

11、3IV沈阳理工大学学士学位论文1引言1.1 背景和意义电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电 子设备的故障 60%来自电源,因此,电源越来越受人们的重视。开关稳压电源的调整工 作在开关状态,主要的优越性就是变换效率高,可达 70%-95%。因此目前空间技术、计 算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。开关稳压电 源的优越性主要表现在:功耗小,稳压范围宽,体积小、重量轻。传统的线性电源虽然具有稳压性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点,但其所 用的工频变压器往往体积庞大,而且调整管工作在线性放大状态,导致电源功耗大、效 率低、发热严重。

12、开关电源采用功率管作为开关器件,工作在开关状态,故损耗小;由 于工作频率在几十到上百千赫兹,故滤波电容、电感的数值也较小。因此,开关电源具 有功耗低、体积小等优点。另外,由于功耗小,机内温升低,提高了整机的稳定性和可 靠性。此外,开关电源对电网的适应能力也很强,一般线性稳压电源允许电网波动范围 为 220v (110% ,而开关电源则在电网电压在 100260V 范围内变化时,都可以获得 稳定的输出电压。由于开关电源具有上述优点,故在现代电子系统中应用越来越广泛。但开关电源由 于理论复杂,设计过程需要较多的实践经验,设计过程遇到的不少关键问题往往要靠资 深电源工程师的丰富经验来解决。 一些关键

13、环节的设计好坏往往决定着一个电源能否稳 定可靠地工作,但这些环节的理论却往往不够系统化或者与实际应用脱节,导致开关电 源的设计成为一大难题,成为资深电源工程师的“专利 。为此更好的理论联系实际, 开发出性能更好,效率更高的显得尤为重要。1.2 开关电源的现状及趋势目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。由于开关电源本身消耗的能量低,电 源效率比普通线性稳压电源提高一倍, 被广泛用于电子计算机、 通讯、 家电等各个行业 . 开关电源(Switch Mode Power Supply, 即 SMPS 被誉为高效节能型电源,它代表着文雅 电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。半个世纪以来,开关

14、电源大致经历了 四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成,不仅开关频率低、效率不高,而 且电路复杂,不易调试。在 20世纪 70年代研制出的脉宽调制器集成电路,仅对开关电源种的控制电路实现了集成化 1。 20世纪 80年代问世的单片开关稳压器,从本质上讲仍属 于 AC/DC电源变换器。 随着各种类型单片开关电源集成电路的问世。 AC/DC电源变换器 的集成化变为现实。随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待 机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简 单、工作可靠,但它存在着效率低、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围

15、小 的缺点。开关电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源,因此它受到了人们的青 睐。但它也有缺点,就是电路复杂维修困难,对于电路的污染严重。电源噪声大,不适 合用于某些低噪声电路。 开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面 :小型 化、微型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要由储能元件(磁性元件和电 容决定的,因此开关电源的小型化实质上就是竟可能减小其中储能元件的体积。在一 定范围能, 这样就节省了能源, 因此它受到人们的青睐。 但它也有缺点, 就是电路复杂, 维修困难,对电路的污染严重。电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路。开关电源的 技术追求和发展趋势可以概括为以下四

16、个方面:1小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件 (磁性元件和电容决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元 件的体积。在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及变压器的 尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能,因此高频化是开关电源的主要发展 方向。2高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠 性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。 所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度,采用模块化技术可以 满足分布式电源系统的需要提高系统的可靠性。3低噪声。开

17、关电源的缺点之一是噪声大,单纯地追求高频化,噪声也会随之增 大。采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声,所以,尽 可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。4采用计算机辅助设计和控制。在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监 控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。5低输出电压技术。随着半导体制造技术的不断发展,微处理器和便携式电子设备的工作越来越低, 这就要求未来的 DC-DC 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器 和便携式电子设备的供电要求。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关, 高频化的实 现, 需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频

18、电磁元件。 发展电力 M O S F E T、 I G B T 等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提 高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工作, 对于开关电源小型化始终 产生着巨大的推动作用。总之,人们在开关电源技术领域里,边开发低损耗回路技术, 边开发新型元器件, 两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小 型、薄型、高频、低噪声、高可靠方向发展。1.3 课题研究意义在开关稳压电源电路中,由于开关功率管工作在开关状态,因此它所产生的高频交 流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声, 这些干扰和噪声 如果不采取

19、一定的措施进行抑制、 消除和屏蔽, 就会严重地影响整机的正常工作。 此外, 由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离, 因此这些干扰和噪声就 会窜入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。而且这种 高频干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件(如电感和开关变压器等辐射到空 间,使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。对于无工频变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容,高反压、大电流 功率开关管,高频开关变压器的磁性材料,高反压、大电流、快恢复肖特基二极管等器 件,在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。在一些技术发达的国家,开关稳压电源

20、 虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在着一些问题,不能令人十分满意。这就 暴露出了开关稳压电源的另一个缺点,那就是电路结构复杂,故障率高,维修麻烦。对 此,如果设计者和生产者不予以充分重视,它将直接影响开关稳压电源的推广应用。 目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料烧结技术等与一些技 术发达国家还有一定的差距,因此其造价和成本不能进一步降低,也影响到其可靠性的 进一步提高。这就导致了在我国的电子仪器、仪表以及机电一体化设备中,开关电源还 不能得到十分广泛的普及与应用。因此,开关电源的设计还存在很大的提升空间。2 脉宽调制电路设计2.1 设计基本设想PWM 型开关稳压电源的

21、基本原理就是通过脉宽调制以消除纹波,得到一个稳定的 输出电压。我们的控制电路的基本设想,就是使输入、输出电压存在关系式:DD Vg Vo -=1 (2.1 式(2.1中 Vg 为给定输入电压, V o 为输出电压。这样,通过调节系数 D ,就可以 调节输出电压了。 D 为输出占空比, D =Ton /Ts 。 PWM 型控制电路把T s 保持固定, 通过调 Ton 来调 D 。控制电路的基本工作有理可用下面的框图 2.1表示。 图 2.1 工作原理框图稳压原理:当 V o 上升时, Vcom 上升, Ton 下降, D 下降(因 Ts 固定 , V o 下降 (当 Vg 不变时 ,从而使 V

22、o 回到正常值。当 Vcom 上升时, Ton 随之下降的示意图如 图 2.2所示。 图 2.2 稳压波形图上述过程是一个负反馈过程。同样有:当 V o 下降时, Vcom 下降, Ton 上升, D 上 升, V o 上升。从而使 V o 回到正常值。在本次设计中,就是根据以上理论,用 TL494设 计而成。根据课题设计要求及隔离型开关稳压电源各种型号电路的优缺点综合考虑, 本设计 拟采用半桥式开关稳压电源的电路结构,变压器双向励磁,开关较少,成本较低,输出 功率可达几百瓦到几千瓦, 并且无偏磁问题 2。 但是半桥式电路结构也存在一定的缺点, 即存在直通问题,可靠性能相对较低,并且需要较复杂

23、的隔离驱动电路。2.2 主电路设计半桥型开关稳压电路主要有主电路和控制驱动电路两大部分组成。其中主电路,可 分为整流、逆变和高频整流滤波三个环节,输入220V 经桥式整流滤波后获得 +300V左右的直流电压。半桥型逆变电路是由两个功率 MOS 管组成,他们交替触发导通,使 变压器一次侧形成幅值为 U /2的交流电压。改变开关导通的占空比,即能改变变压器 二次侧整流输出平均电压 Uo 。从交流电网输入、直流输出的全过程,包括:输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到 公共电网。整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。 逆变:将整流后的直

24、流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越 高,体积、重量与输出功率之比越小。输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。2.2.1输入滤波电路电路中采用共模扼流圈和滤波电容共同组成输入滤波电路。 其中 L 是在一个闭合磁 路的磁芯上绕制相同的电感量的两个绕阻。当这两个电感为独立电感时,由于其上有电 流流过, 电流产生变化时, 磁芯磁场强度的变化会导致有效磁导率发生变化, 甚至饱和, 亦即对于电源频率分量和高频噪声分量的有效导磁率随着导线电流的增加而减少, 将两 个电感绕制在一个磁芯上且构成往复线路式绕阻。 由于电源频率分量所产生的磁通彼此 的相位差为 180度,因它们的

25、匝数相等而被相互抵消,对电源频率分量的电感为零,而 对于共模噪声成分则呈现很高的有效导磁率,因而将得到很大的衰减。2.2.2整流与滤波电路整流电路中采用四个肖特基整流二极管组成桥式整流,将输入 220V 交流电压经桥 式整流滤波后获得 +300V左右的直流电压。2.2.3 逆变电路本设计开关电源的逆变拟采用半桥式电路。 在半桥式功率变换电路中的功率开关管 MOSFET 输入阻抗很高且是电压控制器件,所需驱动电流小,其开关时间以 ns 计且不 受温度变化的影响。 导通电阻 R 的温度系数为正, 当R随温度升高而增大时电流自动减 小,这使其本身就具有自动均流能力。电路中的分压电容起着较强的搞不平衡

26、作用。半 桥型开关电路对由于两管开关导通时间不对称而造成变压器一次侧的直流分量有自动 平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁现象 3。由于 TL494中存在死区时间,所以不 存在由于两个 MOS 管共同导通而损坏功率管的情况。2.2.4 输出滤波电路输出电路从次级线圈经全波整流后接一个型 LC 滤波器,得到稳定的直流输出电 压。2.2.5控制驱动电路该开关稳压电源的控制驱动电路是以 TL494为核心,采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号分别是给定信号和电压反馈信号。 反馈信号是由输出电压经分压 电路获取,系统为了得到较好的静 、动态特性,在误差放大器的输入和输出端接入了 RC 反馈网络

27、。该控制电路一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制 逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定的目的。3 脉宽调制芯片 TL4943.1TL494管脚图TL494是一种固定频率脉宽调制电路,它包含了开关电源控制所需的全部功能,广 泛应用于推挽式、 半桥式、 全桥式开关电源。 TL494采用标准双列直插式 16引脚 (DIP16 封装 4。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 控制和驱动集成电路芯片,由于它具有两路相 位相差 180的 PWM 驱动信号输出,因此被广泛的应用与单端式(正极式和反极式

28、 和双端式(半桥式、全桥式和推挽式开关稳压电源电路。 TL494内部电路如图 3.2所 示: 图 3.2 TL494内部电路框图(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:f =1.1/ Ct* Rt (3.1 式中, f 单位为 KH z , 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或 MOSFET 管 5。(2内部设有比较器组成的死区时间控制电路,用外加电压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,死区时间增大。(3触发器的两路输出设有控制电路, 使内

29、部 2只开关管既可输出双端时序不同的驱 动脉冲,驱动推挽开关电路和半桥开关电路,也可输出同相序的单端驱动脉冲,驱动单 端开关电路。(4内部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, 因此可以自由设定其基准电压,以方便用于稳压取样,或用其中一种作为过压、过流的 超阈值保护。(5输出驱动电流单端达到 400mA , 能直接驱动峰值开关电流达 5A 的开关电路。 双 端输出为 2200mA ,加入驱动级即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脚为内部 1#误差放大器的同向输入端 IN1+。2脚为内部 1#误差放大器的反向输入端 IN1。3脚为

30、误差放大器 A 1、 A 2输出端。 集成电路内部用于控制 PWM 比较器的同相输入,当 A 1、 A 2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脚为死区时间控制端。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脚为锯齿波振荡器外接定时电容端。6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端。7脚为共地端。8、 11脚

31、为两路驱动放大器 NPN 管的集电极开路输出端。 当通过外接负载电阻引出 输出脉冲时,为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 MOS FET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,也是对应的脉冲参考地端。 12脚为 V cc 、输入端。供电范围适应 840V 。13脚为输出模式控制端。外接 5V 高电平时为双端图腾柱式输出,用以驱动各种推 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 端输出时最大驱动电流为 2200mA ,并联运用时最大驱动电流为 400mA 。14脚

32、为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脚为内部 2#误差放大器的反向输入端 IN2-。16 脚为内部 2#误差放大器的同向输入端 IN2+。R T 取值范围 1.8500k , C T 取值范围 4700pF 10F ,最高振荡频率 f OSC 300KHz 。 TL494在工作时,通过 5、 6脚分别接定时元件 C T 和 R T 。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的脉宽调制控制脉冲。工作波形如图 3-3所示

33、。 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脉宽调压原理振荡器产生的锯齿形振荡波送到 PWM 比较器的反相输入端 , 脉冲调宽电压送到 PWM 比 较器的同相输入端 , 通过 PWM 比较器进行比较 , 输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化 时 ,TL494输出的脉冲宽度也随之改变 , 从而改变开关管的导通时间 TON , 达到调节、 稳定 输出电压的目的 。脉冲调宽电压可由 3脚直接送入的电压来控制 , 也可

34、分别从两个误差放大器的输入端 送入,通过比较、放大,经隔离二极管输出到 PWM 比较器的正相输入端。 两个放大器 可独立使用,如分别用于反馈稳压和过流保护等 ,此时 3脚应接 RC 网络,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,内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率 可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,输出脉冲的宽度是通过电容 CT 上的正极 性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管 Q1和 Q2受控于或非 门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通,即只有在锯齿波电压大于控制信 号期间才会被选通。当控制信号增大,输出脉冲的宽度将减小。 控制信号由

35、集成电路 外部输入,一路送至死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有 120mV 的输入补偿电压, 它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的 4%, 当 输出端接地,最大输出占空比为 96%,而输出端接参考电平时,占空比为 48%。当把死 区时间控制输入端接上固定的电压(范围在 0 3.3V 之间即能在输出脉冲上产生附加 的死区时间。4 脉宽调制硬件设计4.1高压滤波电路设计高频开关电源首先将工频交流整流为直流 , 再逆变为高频 , 最后经过整流滤波电路输 出 , 得到稳定的直流电压 , 因此自身含有大量的谐波干扰 , 同时 , 由于变压器的漏感和输出 二极管的反向恢复

36、电流造成的尖峰 , 都形成了潜在的电磁干扰。 开关电源中的干扰源主要 集中在电压、电流变化大的元器件上 , 突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。 首先 , 开关电路产生的电磁干扰是开关电源的主要干扰源之一。 开关电路是开关电源 的核心 , 主要由开关管和高频变压器组成。它产生的 du/ dt 具有较大幅度的脉冲 , 频带较 宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是 :开关管负载为高频变压器初级线圈 , 是 感性负载 , 在开关管导通瞬间 , 初级线圈产生很大的涌流 , 并在初级线圈的两端出现较高的 浪涌尖峰电压 ; 在开关管断开瞬间 , 由于初级线圈的漏磁通 , 致使一部分能量没有从一

37、次线 圈传输到二次线圈 , 电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变 , 这 种瞬变是一种传导型电磁干扰。其次 , 整流电路中 , 在输出整流二极管截止时有一个反向 电流 , 它恢复到零点的时间与二极管结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管 , 这种二极管在变 压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰 , 其频率可达几十兆赫。最后 , 高频变压器初级线圈、 开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空 间辐射 , 形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好 , 电容上的高频阻抗会使 高频电流以差模方式传导到交流电源

38、中形成传导骚扰 8。任何电源线上的传导干扰信号 , 均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下 , 差模 幅度小 , 频率低 , 所造成的干扰较小 ; 共模干扰幅度大 , 频率高 , 还可以通过导线产生辐射 , 所 造成的干扰较大。 解决这个问题最有效的方法是在开关电源输入和输出电路中加装电磁 干扰滤波器。它的作用就是抑制干扰信号的通过。为此设计了下图所示的滤波器。如图 4.1所示。 图 4.1 主电路滤波设计其中 L1 、 L2 为共模扼流圈,由于它的两个线圈匝数相等,这两个电感对于差模电 流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的,因而不起作用 ;而对于共模干扰信 号,能够得到一个大的电感

39、量呈现高阻抗,以获得最大的滤波效果,因此对其有良好的 抑制作用。它的线圈绕在低损耗、高磁导率的铁养体磁环上。为确保两个线圈的绝缘, 需分别绕在磁环的两侧。在这里我们选择 L1, L2 为 20mH, C1、 C2主要来衰减差模干扰 ,可以选择 :0. 12F 。这里我们选择 0.1uF 的电容,耐压值选择为 1kv 。 C3、 C4跨接在输出端,经过电容 分压后接地,能有效的抑制共模干扰。 C3、 C4可以选择的范围为 2200p F1033F ,这 里我们选择 C3, C4为 4n7, 4n7即 4700pF. 在选择滤波元件时 , 一定要保证输入滤波器谐 振频率低于开关电源的工作频率。 由

40、于随着电源工作频率的升高 , 滤波器对运行噪声将更 容易抑制 , 所以设计中要注意滤波器在工作频率低时的抑制效果。 此次参数选取均在要求 范围内,可以有效的滤波。本电路设计主要参数:(1输出电压 :额定工作电压 48V ;(2输出电流 :额定工 作电流 2A ;(3输入条件 :50Hz,交流 220V ;(4纹波电压 V or 为 20mV 。依照此 参数来进行具体的参数计算。对于二极管整流桥 D1-D4的选择, 考虑到实际电网中的交流电电压值变化较大, 其 上限值取 220V (1+20% =264V,其幅值电压可达 2641.414 373.3V 。由于整流桥中 的二极管在承受反向电压时由

41、两只二极管串联承担, 因此, 选取耐压为 400V 、 电流为 5A 的整流桥完全可保证安全工作。4.2 PWM 控制电路的设计PWM 脉冲控制电路采用美国硅通用电气公司设计的适用于高频功率 MOS 管驱动 的第二代集成电路脉冲宽度控制器芯片 TL494作主控制芯片,用来驱动功率 MOS 管。 其控制的半桥型开道稳压电源具有逆变频率高,稳压性能好。主要性能1. 电路中设置了欠电压锁定和限流关断电路。2. 具有软启动电路。3. 输出级具有极强的图腾柱输出结构形式。4. 内部具有宽带误差放大器。5. 内部具有高精度的 5.1V 基准电压源。TL494外围电路具体电路图如图 4.2所示: 图 4.2

42、 TL494外围电路设计A 点接输出 U0, B 点接输出的负端。误差放大器 1做过流保护。 1脚接地, 2脚电 压是 14管脚输出的 5V 电压 经 (RP2 R27 ; (R24 , R30 分压后获得的, 监控电流控制 信号。 3脚 内部 2个误差放大器的输出端。用电阻和电容串联分别接至 2脚和 15脚, 以此来消除寄生振荡。 5脚和 6脚接内部振荡器 f =1.1/ Ct* Rt。 8脚和 11脚双路脉冲 输出,相位差 180。双路输出时 23管脚接至 14管脚,单路输出时接地。管脚 15, 14脚与地之间 R18 , R20 分压,分压后 U15=2.5V 作为误差放大器 2的反向输

43、入端。输出电压 U (48V 经 R23 和 (R21, RP1, 分压后 加到 16脚,作为误差放大器 2的同 向输入。并且微调 RP1可调整输出电压的数值。下图 4.3为 PWM 脉冲经过的电路设计: 图 4.3 脉冲输出电路由于 TL494驱动大功率 MOS 管的效果很不好,因此本电路设计输出脉冲先驱动 3极管,再来驱动 MOS 管。设计电路中 R7为 TL494内部三极管的集电极的负载电阻。 在电路中放置 C1和 R2, C1和 R2 分别为“加速电容器”和限流电阻。可使三极管更 迅速的导通和关断。 R8为接地电阻,发射集用二极管和电解电容并联接地连接,这样 可使三极管在截止的时候释放

44、电流。4.3 启动回路部分设计电路的启动回路设计为半桥启动, 半桥式电路顾名思义就是取掉桥式电路中的两只 开关管,半桥变换器电路如图 4.4所示。 图 4.4 半桥电路原理图电路的工作过程:VT 1与 VT 2交替导通, 使变压器一次侧形成幅值为 U i /2的交流电 压。改变开关的占空比,就可以改变二次侧整流电压 U d 的平均值,也就改变了输出电 压 U 0。 VT 1导通时,二极管 V 1处于通态, VT 2导通时,二极管 V 2处于通态,当两个开 关都关断时,变压器绕组 N 1中的电流为零, V 1和 V 2都处于通态,各分担一半的电流。 VT 1或 VT 2导通时电感 L 的电流逐渐

45、上升, 两个开关都关断时, 电感 L 的电流逐渐下降。 VT 1和 VT 2断态时承受的最高电压为 U i 。 由于电容的隔离作用, 半桥电路对由于两个开 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, 因此不容易 发生变压器的偏磁和直流磁饱和 9。当滤波电感 L 的电流连续时,输出电压的计算公式为:Tt N N U U on l 120(4.1 半桥式开关电路省去两只开关管,采用连接电容分压方式,使开关管 c-e 极电压与 桥式电路相同,同时驱动电路也大为简化,只需两组在时间轴上不重合的驱动脉冲,两 组驱动电路的参考点为各自开关管的发射极,显然比桥式电路的形式简单得多。根

46、据上 述原理,当采用相同规格开关管时,半桥式负载端电压为 1/2U i n ,输出功率为桥式电路 的 1/4。半桥式电路具有全桥式电路的所有优势,因此其应用比全桥式更普遍。本次设计具体电路设计如图 4.5所示。 图 4.5 半桥电路设计当 8脚和 11脚产生 PWM 负脉冲,轮流输出。这时在 T1绕组上就有电流流过,于是 T1变压器的次级绕组上就会感应出极性相反的电压,这样他们就轮流给 V3, V4的基极输 入电流,使得他们在单位时间内只有一个是导通的,而另一个是截止的。 V3, V4导通 时间的长短完全受脉冲调制 PWM 控制的。MOSFET 额定电流 I ce 的选择MOSFET 额定电流

47、 I ce 的选择,要根据实际电路中最大额定电流 I e 、负载类型、允 许过载的程度等因数。在一般性电阻性负载的电压变换装置中,若实际电路中电流最大 有效值为 I e ,则要选 MOSFET 的 I ce 1.5I e 。本电路中 I ce 的选择为 8A 。本电路采用变压器耦合驱动,有以下优点 :1.可以将脉宽调制 PWM 和大功率开关管隔离开,因为驱动变压器的初级绕组和次 级绕组之间, 在电路上是绝缘的, 而且耐压是很高的, 这样脉宽调制器与大功率开关管, 在电路上是相互绝缘的,不会因为大功率开关管击穿而烧毁脉宽调制器,为此电流负反馈也必须采用变压器隔离耦合。2.改变变压器的初级和次级的

48、匝数比,可以改变输出电压的高低。3.次级输出的脉冲,变成有正负交替的脉冲,正脉冲能使开关管快速饱和和导通, 负脉冲能使开关管迅速截止 10。电路启动过程分析:当接通电源后,由滤波电容器 C5上的 150V 电压的正端输出电流,通过启动电阻 R12、 R15分压给 V3注入一个基极电流,这时 V3流入的集电极电流通过发射极,又通 过驱动变压器 T1中的 W3(T1中间的那段绕组电流由上往下流,又通过主变压器 T2初级绕组由下往上流,最后通过电容 C7,回到 C5上的 150V 负端。 C6和 C5类似,但 流经 W3的电流方向相反,而幅值又相等,这样 W3中的电流就相互抵消了, W3中没 有电流

49、也就不能震荡起来了。这是一个非常重要的问题,但是 W3中是有电流的,虽然 V3, V4的外围电路相同,元件参数也相等,所加的电压也相等,但是元件参数的分散 性还是比较大的,也就是说相同的元件,相同的参数,但是他们存在着误差,不可能完 全相等, 所以抵消一部分电流后 W3中还是有电流, 在 T2的初级绕组产生幅值 +150 -150的方波。来驱动反馈变压器使 TL494工作。 一但 TL494正常工作,这个启动自激震荡 的波形就立刻停止了。电路启动后, R12、 R15就完成了任务,虽然在电路中没有断开,但在电路中已经 不起作用了,因为启动电阻 R1 R3的阻值很大(一般都在 300K 以上 ,

50、对三极管的电 流很小起不到控制作用,这样三极管的导通和截止完全受 PWM 来控制。4.4 输出回路的设计本次设计中拟采用型 RC 滤波电路。如图 4.6所示: 图 4.6 二次回路中型 RC 滤波电路电路中,由电感 L3、电容 C22、 C23组成滤波电路。因为二次整流电路一般都为为 高频整流电路,所以整流二极管必须高频快恢复开关二极管。作为开关稳压电源电路中 的二次整流二极管,必须具有开关速度快、截止时反向漏电流小和恢复速度快等特点。 这些特点的优势在高频大功率输出开关稳压电源电路中表现得尤为突出。 在无工频变压 器但具有开关功率变压器的开关稳压电源电路中, 开关二极管或续流二极管即为二次整

51、 流部分的整流二极管。在整流电路的设计时,采用全波整流方式。全波整流电路的优点 是变压器输出功率的利用率为 100%,输出直流电压中的纹波电压较低。缺点是高频开 关变压器必须加工有中心抽头。 在整流二极管的两端并联有一电阻和电容串联的电路, 其作用是滤除高频杂波信号, 使高频杂波通过 C22导通到地。其中 C22的作用是滤除 交流信号。电感 L 对直流电无电压降,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 C23为二次滤波电容,用来再 次滤除交流信号。整流二极管的选择因为输出整流二极管工作于高频状态 (45 KHz,所以应选用快恢复二 极管。1. 输出整流二极管的耐压。高频变压器副边的输出最高电压峰值用公式 4.2可求得 :V 2max =2max 1V N1N2 公式(4.2 =110(1+25%2358=44.44(V N1N2为变压器的变比。取一倍的裕量 V outmax =88.88V。 2. 输出整流二极管的电流因为输出整流二极管工作于高频状态 (45KHz, 所以应选用快恢二极管或肖特基二 极