開關直流降壓電源

1、開關直流降壓電源（BUCK）摘要: 本次電力電子裝置設計與制作，利用BUCK型轉換器來實現(xiàn)16V-8V的開關直流降壓電源的設計。使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號從而控制MOS管的開通與關斷。為了將MOS管G極和S極隔離，本設計采用了推挽式放大電路。另外本設計還加入了反饋環(huán)節(jié)，利用芯片自身的基準電壓與反饋信號進行比較來調節(jié)輸出脈沖的占空比，進而調整主電路的輸出電壓維持在一個穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。關鍵詞：DC/DC；開關電源；Buck電路；TL494 目錄1.概述及其方案選擇 1.1基本要求 1.2 方案設計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基本電路2.3主電路2.4控制

2、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)計算 3.2.3 TL494脈沖控制 3.3 MOSFET的選擇 3.4 輸出電路4 實驗結果及其分析 4.1 實驗調試 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 驅動電路的檢測 4.2實驗結果5. 小結參考文獻1 概述及其方案選擇開關電源是利用現(xiàn)代電子電力技術控制功率器件（MOSFET、三極管等）的導通

3、和關斷時間來穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具有轉換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點。開關電源與傳統(tǒng)線性電源相比有以下區(qū)別：1) 開關電源是直流電轉變?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載變化時瞬間反饋控制輸入達到穩(wěn)定電壓和電流的。2) 開關電源可以降壓，也可以升壓；線性電源只能降壓。3) 開關電源效率高；線性電源效率低。4) 線性電源控制速度快，波紋小；開關電源波紋大。1.1基本要求輸入直流1012V，輸出6V；開關振蕩頻率23.4KHz。1.2方案設計

4、采用MOSFET作為功率轉換元件，MOSFET具有壓降小，輸入電阻高，動態(tài)特性好等特點。控制方案采用TL494CJ脈沖寬度調制芯片，極大地簡化電路設計，而且該芯片是一種功能非常完善的PWM驅動電路芯片，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 開關直流降壓電源總體框圖圖2-2 開關直流降壓電源電路圖圖2.2基本電路開關式穩(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，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經整流濾波變?yōu)樗枰闹?/p>

5、流電壓。        控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路。控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。  圖2-3 開關電源的組成開關電源中調整管工作在開關方式，只有導通和截止兩個狀態(tài)。當輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電路，與基準電壓進行比較并將二者的差值放大后送至脈沖調制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化。此脈沖信號作為開關管的輸入信號，使調整管導通和截止時

6、間的比例也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平均值基本保持不變。2.3主電路本次課程設計中采用降壓式開關電源（BUCK）。降壓式開關電源的典型電路如圖2-4所示。當開關管VT1 導通時，二極管VD1 截止，輸人的整流電壓經VT1和L向充電，這一電流使電感中的儲能增加。當開關管VT1截止時，電感感應出左負右正的電壓，經負載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現(xiàn)。圖2-4 降壓式開關電源2.4控制電路 圖2-5 控制電路圖芯片14腳輸出基準電壓通過電阻分壓進入1

7、5號腳作來與16號反饋信號進行比較的基值。從主電路輸出端引出的反饋信號即16號腳，與15號腳的基值進行比較，從面調節(jié)8號腳和11號腳輸出的脈沖信號的占空比，從而達到調節(jié)MOS管的開通與關斷的頻率與時間，最終實現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電壓值。本次設計選擇輸入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制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。 3.1.1 TL494 芯片主要特征·集成了全部的脈寬調制電

8、路·內置主從振蕩器·內置誤差放大器·內置5.0V參考基準電壓源·可調整死區(qū)時間·內置功率晶體管可提供最大500mA的驅動能力·輸出可控制推拉電路或單端電路·欠壓保護 3.1.2 TL494 工作原理簡述圖3-1 TL494芯片內部電路TL494 是一個固定頻率的脈沖寬度調制電路，內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行調節(jié)，其振蕩頻率計算公式為：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行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1 和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被

9、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外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區(qū)時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生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調制比較器為誤差放大器調節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時

10、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于高電平，它與脈沖寬度調制器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結構，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當比較器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)器進行計時，同時停止輸出管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，輸出驅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

11、單端工作模式下，當需要更高的驅動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494內置一個5.0V的基準電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的070溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供±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。其基本結構如圖2-4所示。假定:(l)開關晶體管、二極管均是理想元件，也就是可以快速地“導通”和“截止”

12、，而且導通壓降為零，截止時漏電流為零;(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與輸出電壓比值小到允許忽略。當主開關Tr導通，如圖3-2所示， 流過電感線圈L，電流線性增加在負載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負。當is >i。時，電容在充電狀態(tài)。這時二極管D承受反向電壓而截止。經時間D1TS后，如圖3-3所示主開關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。負載兩端電壓仍是上正下負。在<Io時，電容處在放電狀態(tài)，以維持Io、Vo不變。這時二極管D，承受正向偏壓為電流紅構

13、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導通 圖3-3 Tr關斷在一般的電路中是期望BUCK電路工作在連續(xù)導通模式下的，在一個完整的開關周期中，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，開關頻率fs，就可以推出電路中L、C的參數(shù)值和所需要開關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，

14、在開關管Tr導通期間(t0t1)，電感電流上升量為 在開關管關斷期間，電感電流的下降量為 由于穩(wěn)態(tài)時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為占空比 (l)儲能電感L的確定由于產生脈沖的芯片相應R4.7K歐姆，C103.則芯片產生的脈沖頻率為f=1.1/(RC).計算得f=23.4KHZ.在電感充放電一個周期內：得 開通時 且對于BUCK電路，開通時， t=D所以故計算得出L(2)濾波電容C的確定流經電容的電流是（），由于對電容的充放電產生的紋波電壓， 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

15、）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-容值關系，根據公式得： 選擇25V，2200uF的普通鋁電解電容。(3)續(xù)流二極管的確定根據Buck變換器的工作原理，開關截止時，續(xù)流二極管導通，電感儲能轉化為電能，二極管起到續(xù)流作用，二極管正向額定電流需大于負載電流，耐壓值大于輸入電壓，同時為了使截止到導通時間盡量短，選擇超快恢復二極管，根據本設計的要求，選擇正向電流不小于1A的超快恢復二極管。此處選擇FR107，最大恢復時間為500ns。3.3 MOSFET的選擇 實物圖 引腳圖 參數(shù) 切換時間電路測

16、試 切換時間波形開關管的峰值電流為： 開關管的耐壓值為： 根據要求。在本次設計中選擇IRF9Z34N型MOSFET。 3.4 輸出電路輸出電路采用LC電路。圖3-5 輸出濾波電路 當開關管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當開關管截止時，由于電感上的電流不能突變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負載，此時續(xù)流二極管導通，構成閉合回路。電容起到濾波平滑輸出的作用。根據設計要求，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 實驗結果及其分析4.1實驗調試在輸入端加12V的直流電壓，同時給TL494提供12V的直流電壓，輸入端與TL494共地，用示波器觀察TL494五

17、號腳輸出波形，同時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 TL494 5號引腳波形 整體調試過程需反復多次嘗試，尤其是反饋電阻的調整，需要多調試幾次，這樣才能滿足設計要求，。4.1.2 輸出電壓反饋回路的檢測檢測方法：用兩個獨立電源，一個電源（調到12V）用于給TL494供電產生驅動信號；另外一個電源（調到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，同時調節(jié)上圖中的R1（10K電位器），調節(jié)該電位器時，可先正旋轉，若長時間波形無變化，再反旋轉，當看到某

18、一瞬間波形突然消失時（可證明反饋回路有效），調節(jié)輸出端電源到6V，再微調電位器，直到在6V位置波形剛好出現(xiàn)，電源電壓再升一點波形消失的臨界狀態(tài)即可。4.1.3 驅動電路的檢測 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實驗結果通過以上調試操作進行電路調試后，完成對電路整體設計及實物設計的檢查校正，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為6V左右。完成電路調試后得到的輸入、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0<D<1.5設計小結回顧此次電力電子裝置課程設計的兩個星期，我感慨很多。從理論到時踐，我遇到了很多困難，但是同時也學到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學的理論知識，更是學到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實際問題的