李睿智
學(xué)號19021211293
【嵌牛導(dǎo)讀】隨著科技的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品與人們的工作袜蚕、生活的關(guān)系日益密切糟把，而電子產(chǎn)品都離不開可靠的電源。開關(guān)電源則以功耗小牲剃、效率高遣疯、體積小、重量輕的優(yōu)勢成為研究的熱門凿傅。因此缠犀，提高對開關(guān)電源的研究就顯得至關(guān)重要了数苫。本文介紹了一種基于TL494的DC-DC升壓型開關(guān)電源電路，該電路采用TL494電源控制芯片及其外圍電路產(chǎn)生PWM波辨液，并通過PWM波的占空比控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間虐急，實(shí)現(xiàn)不同電壓的穩(wěn)定輸出。經(jīng)過初步的計(jì)算滔迈，合理的選擇了電路中的開關(guān)管止吁，儲能電感，濾波電容和續(xù)流二極管的參數(shù)燎悍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明敬惦，該升壓電路的效率高于80%，具有良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率谈山。
【嵌牛鼻子】DC-DC升壓型開關(guān)電源俄删、PWM波、開關(guān)管
【嵌牛提問】電子產(chǎn)品在人類的生活中起著日益重要的作用奏路，而電子產(chǎn)品都離不開可靠的電源畴椰，如何設(shè)計(jì)制作出既安全、效率又高的電源呢鸽粉？這成為人們越來越關(guān)心的話題迅矛。
【嵌牛正文】
1．引言
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品對電源的要求也越來越高潜叛。電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源秽褒、相控電源再到開關(guān)電源的發(fā)展歷程，而開關(guān)電源則以其開關(guān)頻率高威兜、體積小销斟、效率高、可靠性高等特點(diǎn)占據(jù)著主導(dǎo)地位[1]椒舵。1955 年美國的羅耶 ( Roger G H)首次提出了自激振蕩推挽晶體管直流變換器[2]蚂踊，為開關(guān)電源的研究打下了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代笔宿，各種開關(guān)電源的拓?fù)潆娐芬呀?jīng)較為成熟犁钟。改革開放以后，我國的開關(guān)電源技術(shù)也得到了長足的進(jìn)步泼橘，并向著高頻化涝动、高效率，模塊化等特點(diǎn)發(fā)展炬灭。
該電路選用TL494電源芯片作為整個電路的控制器醋粟，并搭建其外圍電路，構(gòu)成產(chǎn)生PWM波的控制電路。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比控制開關(guān)管的關(guān)斷導(dǎo)通時間米愿，從而達(dá)到升壓的目的厦凤。最后，通過對開關(guān)管育苟，儲能電感较鼓，濾波電容和續(xù)流二極管參數(shù)的優(yōu)化，使電路具有較高的效率违柏，良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率笨腥。
2．DC-DC升壓型開關(guān)電源的基本原理
2.1 DC-DC開關(guān)電源的種類
開關(guān)電源的種類很多，按輸入/輸出有無隔離的角度勇垛，可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。隔離型的DC-DC開關(guān)電源可分為單端正激式士鸥、單端反激式闲孤、雙端半橋、雙端全橋等烤礁，非隔離型的又可分為降壓式讼积、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等[3]脚仔。本電路為非隔離型的DC-DC開關(guān)電源勤众。
2.2 DC-DC開關(guān)電源的主電路
圖2.2所示是DC-DC升壓型開關(guān)電源的主電路，它的主要構(gòu)成元器件包括開關(guān)管T鲤脏，儲能電感L们颜、續(xù)流二極管D和濾波電容C[4]。
該電路采用的是并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)猎醇，既在主回路中開關(guān)管T與輸出端負(fù)載RL并聯(lián)窥突。由PWM波控制開關(guān)管的關(guān)斷導(dǎo)通時間，高電平時開關(guān)管導(dǎo)通硫嘶，由于導(dǎo)通壓降很小阻问，所以續(xù)流二極管D截止，此時Ui通過開關(guān)管對電感器L充電沦疾，負(fù)載RL靠電容C中存儲的電能供電称近。低電平時開關(guān)管關(guān)斷，此時續(xù)流二極管D導(dǎo)通哮塞，Ui與電感器L產(chǎn)生的感應(yīng)電勢正向疊加后刨秆，通過續(xù)流二極管D對電容器C充電，并同時對負(fù)載RL供電忆畅。
由以上分析可見坛善，并聯(lián)式的開關(guān)電源電路可以使輸出電壓高于輸入電壓，既可實(shí)現(xiàn)DC-DC升壓的功能。
2.3 DC-DC開關(guān)電源的調(diào)制方式
2.3.1 脈沖頻率調(diào)制
脈沖頻率調(diào)制PFM（全稱為Pulse Frequency Modulation）眠屎，是指脈沖寬度不變剔交，只通過調(diào)節(jié)工作頻率的方式來改變占空比[5]。這種脈沖調(diào)制方式電路復(fù)雜改衩，難以實(shí)現(xiàn)岖常。
2.3.2 脈沖寬度調(diào)制
脈沖寬度調(diào)制PWM（全稱為Pulse Width Modulation），是指脈沖頻率不變葫督，只通過改變脈沖寬度的方式來改變占空比[6]竭鞍。
這種脈沖調(diào)制方式常用在開關(guān)型的穩(wěn)壓電路中，在不改變電路輸出PWM波頻率的情況下橄镜，通過電壓反饋電路偎快，調(diào)節(jié)輸出PWM波的寬度[7]。電壓反饋電路的工作原理是：當(dāng)輸入電壓增大時洽胶，取樣電阻輸出的采樣電壓也將增大晒夹，并在比較放大器和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過放大器輸出的信號去控制PWM產(chǎn)生器姊氓，使輸出脈沖占空比減小丐怯，輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當(dāng)輸入電壓減小時，PWM產(chǎn)生器輸出脈沖占空比增大鳖粟，輸出電壓仍可以保持穩(wěn)定。
3．電源控制芯片TL494及其外圍電路的設(shè)計(jì)
3.1集成脈寬調(diào)制芯片TL494的介紹
如圖3.1所示為TL494芯片的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)效览，TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制集成電路，內(nèi)部集成了大部分的脈寬調(diào)制電路荡短，幾乎包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能钦铺，廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源中[8]。其內(nèi)部置有兩個誤差放大器肢预，1矛洞、2 引腳為誤差放大器1的正負(fù)輸入端，16烫映、15 引腳為誤差放大器2的正負(fù)輸入端沼本。3引腳為相位校正和增益控制端，4引腳為死區(qū)電平控制端锭沟。其內(nèi)置有線性鋸齒波振蕩器抽兆，5、6引腳處可外置一個電容和一個電阻兩個振蕩元件族淮。7引腳為接地辫红，8凭涂、9引腳分別為三極管Q1的集電極和發(fā)射極，10贴妻、11引腳分別為三極管Q2的發(fā)射極和集電極切油，12引腳為電源VCC,13引腳為輸出PWM波模式控制端，14引腳為內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓輸出端名惩。
?3.2 TL494芯片的外圍電路
其工作頻率可通過外接電阻RT和外接電容CT確定澎胡。其計(jì)算公式如下:
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? f=1.1/（RT˙CT）
電阻RT的值選為22kΩ，電容CT的值選為1nF娩鹉，計(jì)算得工作頻率為50kHZ攻谁，既輸出PWM波的頻率50kHZ。
13引腳為輸出PWM波模式控制端弯予，當(dāng)該引腳為高電平時戚宦，兩個三極管推挽輸出，最大占空比只有48%锈嫩。為了提高輸出能力受楼，將13引腳接地，這使得觸發(fā)器不起作用祠挫，兩個三極管輸出相同，最大占空比可達(dá)到96%悼沿。為了提高驅(qū)動能力等舔，將兩個三級管并聯(lián)輸出，8糟趾、11引腳接電源慌植，9、10引腳并聯(lián)后作為PWM波輸出端义郑。
1引腳為反饋信號輸入端蝶柿，為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，將該引腳接到電路的輸出端非驮，同時將2引腳接入?yún)⒖茧妷航惶溃瑓⒖茧妷旱闹涤?4引腳的5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過電阻R3，RP2和R4組成的分壓電路提供劫笙，一般調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP2的值芙扎，使參考電壓的值在2.2V-2.3V之間。2填大、3引腳之間的C2戒洼、R5和R6構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò)，可調(diào)節(jié)誤差放大器1的增益和改善開關(guān)電源的動態(tài)性能允华，16引腳用作過流保護(hù)的輸入端圈浇，可直接將地反饋給該引腳寥掐，使過流保護(hù)的作用更佳。
4．開關(guān)電源主要元器件參數(shù)的選擇
4.1開關(guān)管T的參數(shù)選擇
???開關(guān)管T在電路中承受的最大電壓是1.1×1.2U0（U0為輸出電壓）磷蜀，在實(shí)際工程中選擇開關(guān)管時召耘，應(yīng)保證有足夠的余量，通常選擇2~3倍的1.1×1.2U0蠕搜。開關(guān)管T的最大工作電流怎茫，通常選擇2~3倍的Ii（Ii為輸入電壓）[9]。在綜合考慮開關(guān)管的最高開關(guān)頻率妓灌，導(dǎo)通電阻和驅(qū)動電路等關(guān)鍵指標(biāo)的情況下轨蛤，本電路選擇TP75N75，該開關(guān)管的最大VDS=75V虫埂，最大ID=75A祥山，導(dǎo)通電阻僅8mΩ，其余量完全能夠滿足實(shí)際電路的需求掉伏。
4.2儲能電感L的參數(shù)選擇
穩(wěn)壓電源工作時缝呕，流過電感的電流由直流平均值和紋波分量兩部分組成。紋波分量是三角波斧散，設(shè)其增量為ΔI供常，則
則根據(jù)電感選擇公式[10]，得
因?yàn)殚_關(guān)頻率f為50kHZ鸡捐，通過計(jì)算得電感L的值為50μH左右栈暇，在實(shí)際工程中為保證充分余量，通常選用100μH/2A的電感箍镜，在實(shí)際制作的過程中發(fā)現(xiàn)自行繞制的電感效果不是太好源祈，所以建議最好購買正規(guī)產(chǎn)商生產(chǎn)的電感。
4.3濾波電容C的參數(shù)選擇
在VT導(dǎo)通的TON期間內(nèi)色迂，由濾波電容C 給負(fù)載供電香缺，設(shè)此期間C上的電壓降為△U0（△U0為紋波電壓）。則
又??? ?????????????
所以??????????????
因?yàn)殚_關(guān)頻率f為50kHZ歇僧，同時為了盡量減小輸出電壓的紋波图张，所以濾波電容C取2200μF/50V，保證了充分的余量诈悍。
4.4續(xù)流二極管D的參數(shù)選擇
在電路中續(xù)流二極管的主要作用是開關(guān)管導(dǎo)通時埂淮，續(xù)流二極管D截止，電容C對負(fù)載供電写隶；開關(guān)管關(guān)斷時倔撞，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，Ui與電感L通過續(xù)流二極管D對電容器C充電慕趴，并同時對負(fù)載RL供電痪蝇。所以D的最大反向電壓為U0鄙陡，流過的最大電流是輸入電流II，此外續(xù)流二極管還需滿足開關(guān)頻率高躏啰，導(dǎo)通電阻小的要求趁矾，通常選用肖特基二極管，本電路選擇三端肖特基二極管MBR60100CT给僵，其最大反向工作電壓為100V毫捣，最大工作電流為60A，保證了充分的余量帝际。
5．開關(guān)電源電路的測試與相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算
5.1實(shí)驗(yàn)電路的原理圖繪制
5.2實(shí)驗(yàn)電路的PCB圖繪制
???在繪制PCB圖時蔓同，應(yīng)盡量把電源線和地線布粗，這樣可以減少損耗蹲诀，并且可以使電路過大電流斑粱。為了畫圖的方便以及節(jié)約空間，信號線則可以細(xì)點(diǎn)脯爪。另外则北，若焊接電路板時背面需要用導(dǎo)線連接，靠近輸入輸出處的導(dǎo)線應(yīng)使用粗線痕慢，避免分流尚揣，反饋線可使用較細(xì)的導(dǎo)線。
5.3實(shí)驗(yàn)電路相關(guān)參數(shù)的測試
5.3.1 負(fù)載調(diào)整率（輸入電壓UI為10V掖举，輸出電壓UO為20V）
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表5.3.1 負(fù)載調(diào)整率
所以負(fù)載調(diào)整率為：（20.00-19.59）/20≈2%快骗。
5.3.2 電壓調(diào)整率（輸出電壓UO為20V，輸出端負(fù)載R不變）
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表5.3.2 電壓調(diào)整率
所以電壓調(diào)整率為：（20.15-19.86）/20=1.45%拇泛。
5.3.3升壓電路的效率
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 表5.3.3升壓電路的效率
5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
綜上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得滨巴，本升壓電路可以實(shí)現(xiàn)最高36V的輸出思灌，最大輸出電流可達(dá)1.6A俺叭，效率高于86%，負(fù)載調(diào)整率約為2%泰偿，電壓調(diào)整率為1.45%熄守，并且具有過壓保護(hù)和過流保護(hù)的能力。
6．總結(jié)
???本文介紹了一種基于TL494的DC-DC升壓型開關(guān)電源電路耗跛。在制作的過程中裕照，采用非隔離型的DC-DC開關(guān)電源主電路，通過電壓反饋調(diào)節(jié)PWM波的占空比调塌，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定晋南。并通過對開關(guān)管T、儲能電感L羔砾、濾波電容C和續(xù)流二極管D的參數(shù)選擇负间，使該電路達(dá)到最佳的性能指標(biāo)偶妖。最后，對電路的負(fù)載調(diào)整率政溃、電壓調(diào)整率趾访、效率進(jìn)行測試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得董虱，該電路實(shí)現(xiàn)了從(15V~20V)到(18V~36V)的升壓功能扼鞋，具有效率較高，良好的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率的特點(diǎn)愤诱，且性能穩(wěn)定云头，抗干擾能力強(qiáng)。
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