開關穩(wěn)壓電源的設計與實現(xiàn)

1、100W開關穩(wěn)壓電源的設計與實現(xiàn)摘 要本文介紹了開關穩(wěn)壓電源的結構、原理、及設計和制作的過程。整個電路由輸入濾波電路、整流電路、開關變換電路、PWM控制與驅動電路、輸出濾波電路等部分組成。課題研究了一種PWM(脈沖寬度調制)控制電路，它具有電路較簡單，組成元件較少，功耗低，應用廣泛等特點。它采用半橋逆變的開關方式，50KHz的開關頻率，這樣使得變壓器的體積大大減小。論文中還詳細說明了主電路各部分的設計和控制電路的工作原理，并對其主要參數(shù)進行了計算。關鍵詞 開關電源；脈寬調制；效率；半橋逆變 The Design and Implement of 100 W Switch Voltage-sta

2、bilized Power Abstract This paper describe the structure, principle,design and manufacture of the switch voltage-stabilized power.The whole circuit is consisted of import filter circuit, rectifier circuit,PWM control and drive circuit,exoort filter circuit etc.This topic has studied one kind of PWM

3、(pulse width modulation) control circuit, it has the circuit to be simple, components to be few, the power dissipation is low, application widespread and so on.It adopts the switch way is half-bridge invert and its turn-on frequency is 50KHz,caused the volume of the transformer is greatly decreased.

4、 This paper introduce the design of all parts of the leading circuit detailedly and the operating principle of the control circuit,and also make some calculation of the main parameters.Key words Switching power supply；PWM；efficiency；half-bridge invert前言八十年代，國內開關穩(wěn)壓電源只在個人計算機、電視機等若干設備上得到應用。由于開關電源在重量、體積

5、、用銅用鐵及能耗等方面都比線性電源和相控電源有顯著減少，而且對整機多相指標有良好影響，因此它的應用得到了推廣。近年來許多領域，例如電力系統(tǒng)、郵電通信、軍事裝備、交通設施、儀器儀表、工業(yè)設備、家用電器等都越來越多應用開關電源，并取得了顯著效益。究其原因，是新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術、新控制理論及新的軟件(簡稱五新)不斷地出現(xiàn)并應用到開關電源的緣故。五新使開關電源更上一層摟，達到了頻率高、效率高、功率密度高、功率因數(shù)高、可靠性高(簡稱五高)。有了五高，開關電源就有更強的競爭實力，應用也更為擴大，反過來又遇到更多問題和更實際的要求。這些問題和要求可歸納為以下五個方面： (l)能否全面貫徹

6、電磁兼容各項標準?(2)能否大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)或快捷單件特殊生產(chǎn)?(3)能否組建大容量電源?(4)電氣額定值能否更高（如功率因數(shù)）或更低（如輸出電壓）？(5)能否使外形更加小型化、外形適應使用場所要求？這五個問題是開關電源能否在更廣泛領域應用的關鍵，是五個挑戰(zhàn)（簡稱五挑戰(zhàn)）。把挑戰(zhàn)看成開關電源發(fā)展的動力和機遇，一向是電源科技工作者的態(tài)度。以功率因數(shù)為例，AC-DC開關電源或其他電子儀器輸入端產(chǎn)生功率因數(shù)下降問題，用什么辦法來解決？毫無疑問，利用開關電源本身的工作原理來解決開關電源應用中產(chǎn)生的問題是最積極的態(tài)度。實踐中，用DC-DC開關電源和有源功率因數(shù)校正的開關電源，（成本比單機增加20%）成功解

7、決了這個問題?，F(xiàn)在，又進一步發(fā)展成單級有功率因數(shù)校正的開關電源，（成本只增加5%）；在三相升壓式單開關整流器中減少諧波方法，有人采用注入六次諧波調脈寬控制，抑制住輸入電流的五次諧波，解決了電流諧波畸變率小于100的要求。這樣的事例，不斷從近年發(fā)表的科研論文中反映出來1。開關電源干擾技術及防止電網(wǎng)污染技術以引起國內外專家注意。在21世紀，分布式電源系統(tǒng)的組成將強調“系統(tǒng)集成”，“電力電子封裝技術”等?，F(xiàn)在新的器件（能低壓工作、降壓很?。╆懤m(xù)進入市場，因而可得到1V的低壓輸出和功率小到10mW的開關電源、功率密度達5-6W/cm3，為便攜裝置微型化提供了條件?，F(xiàn)在可以用軟開關-PWM技術、印刷電路

8、、折疊繞組變壓器，可以采用非晶、納米晶合金軟磁材料的鐵芯，小功率開關電源整機效率可達到90%，大功率電源可達到95%左右。開關頻率以20KHz為下限，幾十、幾百倍的提高。體積設備、重量越來越顯著下降。外形也可以作成輕、薄、短、小?？傊?，電源再不是大、粗、笨的設備，而是精致、靈巧可設計成兼有“智慧”的裝置了。九十年代以來，美國、德國等西方國家新建電廠和變電站已全部采用高頻開關電源，近幾年來，國內開關電源技術已經(jīng)有了長足的進展，理論、研究、生產(chǎn)、應用等已有相當?shù)某晒蛞?guī)模，采用了有效的均流技術和軟開關技術。在21世紀，隨著各種不同的單片開關電源芯片及其電路拓撲的應用和推廣，單片開關電源越來越體現(xiàn)出

9、巨大的實用價值和美好前景2。1 緒論 1.1 開關電源技術的發(fā)展及現(xiàn)狀1955年美國羅耶發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉換控制電路的開端。1957年美國查賽發(fā)明了自激式推挽雙變壓器。在1964年美國科學家們提出了取消工頻變壓器的開關電源的設想。直到1969年終于做成了25千赫的開關電源。這一電源的問世，在世界各國引起了強烈反響，從此對開關電源的研究成了國際會議的熱門課題。自20世紀60年代開始得到發(fā)展和應用的DC-DC功率變換技術,其實是一種硬開關技術。60年代中期，美國已研制成20KHz DC-DC變換器及電力電子開關器件，并應用于通信設備供電。由于這種技術拋棄了50

10、Hz工頻變壓器，使直流電源的重量、體積大幅度減小，電源效率和輸出直流電的質量得以提高。到70年代初期，這種技術已在先進國家普遍采用。早期開關電源的控制電路一般以分立元件的非標準電路為主，經(jīng)過十多年的發(fā)展，國外在1977年左右進入控制電路集成化階段。這標志著開關電源的重大進步。80年代初英國采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套電源，即目前所謂的開關電源或開關整流器。70年代以來，在硬開關技術發(fā)展和應用的同時，國內外電力電子界和電源技術界不斷研究開發(fā)高頻軟開關技術。在70年代，最先出現(xiàn)了全諧振型變換器，一般稱之為諧振變換器。它實際上是負載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換

11、器和并聯(lián)諧振變換器兩類。此類變換器一般采用頻率調制的方法，且與負載關系很大，對負載變化很敏感，在諧振變換器中，諧振元件一直處于諧振工作狀態(tài)，參與能量變換的全過程。準諧振變換器和多諧振變換器出現(xiàn)在80年代中期。這是軟開關技術的一次飛躍，這類變換器中的諧振元件只參與能量變換的某一個階段，而不是全程。它也是采用頻率調制的控制方法。80年代末出現(xiàn)了零開關PWM變換器，它可以分為零電壓開關PWM變換器和零電流開關PWM變換器兩種。它們采用的是PWM控制，諧振元件的諧振工作時間一般為開關周期的1/10-1/50。90年代初出現(xiàn)了零轉換PWM變換器。它也分為零電壓轉換PWM變換器和零電流轉換PWM變換器兩種

12、。它是軟開關技術的又一次飛躍。其特點是變換器工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開關管開關時工作一小段時間，實現(xiàn)主開關管的軟開關，其它時間則停止工作。其損耗很小。在環(huán)境保護意識日益加強的21世紀，電源系統(tǒng)的綠色化概念被提出。所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能，因為節(jié)電可以減少發(fā)電對環(huán)境的污染；其次是電源不能（或少）對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。事實上許多功率電子節(jié)能設備往往是電網(wǎng)的污染源。這些污染使得總的功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生毛刺尖峰甚至畸變。20世紀末各種有源濾波器和有源補償器方案誕生，有了功率校正的方法，為開關電源產(chǎn)品的綠色化奠定了基礎。近年來，為縮小開關變換器的體積和重量，提高其功率密度，并改善動

13、態(tài)響應，開關頻率大幅度的提高，高頻化成為一種趨勢。小功率DC-DC變換器開關頻率將由200500kHz提高到1MHz以上，但是高頻化又會產(chǎn)生新的問題，其一，開關損耗以及無源元件的損耗增大；其二，高頻寄生參數(shù)影響增大以及高頻電磁干擾問題嚴重。因此，為減小損耗，提高效率，采用了軟開關技術，包括無源無損（吸收網(wǎng)絡）軟開關技術，有源軟開關技術3。1.2 開關電源的發(fā)展前景電源歷來是各種電子設備中不可缺少的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。開關電源自問世以來，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開關電源，更是因其高性價比、簡單的

14、外圍電路、小體積與重量和無工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者，是設計開發(fā)各種高效率中、小功率開關電源的優(yōu)勢器件。隨著生產(chǎn)、生活中自動化程度的不斷提高，開關電源也朝著智能化方向發(fā)展，由微控制器控制的開關電源將單片開關電源與單片機控制相結合，更加體現(xiàn)了開關電源的可靠性和靈活性2。近年來，我國雖然把無工頻降壓變壓器的開關電源的工作頻率從數(shù)十千赫茲提高到數(shù)百千赫茲，把輸出功率由數(shù)十瓦提高到數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦。但是，由于我國的半導體技術與工藝跟不上時代的發(fā)展，導致我們自己研制和生產(chǎn)出的無工頻降壓變壓器的開關穩(wěn)壓電源電路中的關鍵器件，如功率開關晶體管，高頻開關變壓器磁性材料，儲能電感，快恢復續(xù)

15、流二極管大部分仍然采用的是國外的。我們國家目前市場上出現(xiàn)的各種各樣開關電源產(chǎn)品中所使用的PWM（或SPWM）控制電路與驅動集成電路芯片幾乎全部都是采用進口的。因此，我國的開關穩(wěn)壓電源的PWM（或SPWM）控制與驅動集成電路芯片的微電子工業(yè)幾乎等于零。因此，我們要發(fā)展我國的開關電源事業(yè)，要趕超世界先進水平，要獨立于世界強國之林，就必須從零做起，從基礎做起3。1.3 課題的內容及要求 本課題根據(jù)當前開關穩(wěn)壓電源的現(xiàn)狀和進展，采用現(xiàn)今應用廣泛的PWM控制技術來滿足設計的要求，將工作頻率提高到50KHz，使輸出功率提高到100W，并針對開關電源中的一些問題，如高頻變壓器的設計，系統(tǒng)的EMC設計等問題進

16、行研究，并在實驗中進行了驗證。 本課題擬完成以下任務：研制一臺AC-DC開關穩(wěn)壓電源,具體參數(shù)要求如下:輸入電壓: AC220V；輸出電壓：DC+5V；開關頻率：50KHz；輸出功率：100W；輸出效率: 80%；紋波系數(shù): Io時，電容C在充電狀態(tài)。此時二極管Dl承受反向電壓;當開關晶體管Tr截止時，如圖2.3（b）所示，由于線圈L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流Is不變，負載R兩端電壓仍是上正下負。在IlIo時，電容C在放電狀態(tài)，有利于維持I。、Vo不變。此時二極管Dl承受正向偏壓為電流Il構成通路。2.3 控制電路控制電路是開關電源的很重要的部分，是電源系統(tǒng)可靠工作的保證

17、。開關電源的控制方式基本上都采用時間比率控制（TRC）方式，這種方式又大致分為三大類5：1)脈沖寬度調制（PWM）方式：它用調整脈沖寬度和控制占空比的方法來達到輸出電壓的穩(wěn)定；2)脈沖頻率調制（PFM）方式：它采用脈沖頻率來改變脈沖占空比來控制輸出電壓的穩(wěn)定；3)混合調制方式：即前二者兼而有之的方式，既控制脈沖寬度，又改變脈沖頻率，用綜合技術來改變脈沖占空比和脈沖周期來控制輸出電壓的穩(wěn)定。目前，以脈沖寬度調制（PWM）應用最多。脈沖寬度調制指開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。因為周期恒定，濾波電路的設計容易。但受最小未通時間的限制，輸出端需接假負載。電壓型PWM控制是20世紀6

18、0年代后期開關穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展時所采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護電路相結合，至今仍然在工業(yè)界廣泛應用。脈沖寬度調制變換器就是通過重復通/斷開關工作方式把一種直流電壓（電流）變換為高頻方波電壓（電流），再經(jīng)過整流平波后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。PWM變換器有功率開關管、整流二極管及濾波電路等元器件組成。輸入輸出間需要進行電氣隔離時，可采用變壓器進行隔離和升降壓。PWM變換器的工作原理如圖2.4所示。由于開關工作頻率的提高，濾波電感L，變壓器T等磁性元件以及濾波電容C等都可以小型化4。圖2.4 PWM變換器的基本工作原理對于PWM變換器，加在開關管S兩端的電壓Us及通過S的電

19、流Is的波形近似為方波，如圖2.5所示。圖2.5 變換器開關工作的波形電壓PWM控制的優(yōu)點7：1)單一反饋電壓閉環(huán)設計、調試比較容易；2)對輸出負載的變化有較好的響應調節(jié)；3)PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量；4)對于多路輸出電源，它們之間的交互調節(jié)效應較好。電壓型PWM控制的缺點：1)對輸入電壓的變化動態(tài)響應較慢；2)補償網(wǎng)絡設計本來就較為復雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓變化而變化，使其更為復雜；3)輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點，在補償設計誤差放大器時，需要將主極點低頻衰減，或者增加一個零點進行補償。從總體上說，開關電源的控制電路還包括過壓，過流保護，均流控制等。3 開

20、關電源主電路設計開關電源的主電路主要處理電能，即功率變換。主電路主要包括輸入濾波電路、逆變電路、高頻變壓器、輸出濾波電路等部分。主電路的設計通常在整個電源的設計過程中占有最為重要的地位7。3.1 輸入級電路設計主電路輸入級電路是整個電路同電網(wǎng)的接口，它主要有以下幾個功能：1)EMI濾波功能，消除來自電網(wǎng)的擾動，同時防止電源本身對電網(wǎng)的干擾；2)輸入級一次整流功能，為后級逆變提供紋波較小的直流電。具體的輸入級主電路如圖3.1所示：圖3.1 輸入級主電路開關電源的高速開關瞬態(tài)往往會產(chǎn)生很高的射頻分量，從而污染交流電網(wǎng)線路，交流電源能傳遞電氣噪聲和電磁輻射，導致開關電源中的瞬變再輻射和傳遞到其它負載

21、。輸入級濾波電路的主要器件見上圖，其中TXl，CY1,CY2濾除共模噪聲，電容容值為0.01uF，CX1，C2濾除差模噪聲，大小為0.1uF，耐壓400V。其中電容和TX1共模扼流圈一起構成EMI濾波電路，這樣就可以有效的消除來自電網(wǎng)的各種干擾，如電動機起動，電器開關的合閘與關斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾。同時也防止開關電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散而污染電網(wǎng)。在開關電源中，存在著共模干擾(即受干擾的信號相對于參考點大小、方向同)，如雷電等，為了消除共模干擾，在整流和逆變環(huán)節(jié)之間加入共模扼流圈，共模扼流圈需要滿足以下幾點基本要求8：1)在正常工作的輸入電流或輸出電流下，共模扼流圈不應磁飽和；2)在干

22、擾信號下頻率阻抗要大； 3)直流電阻要小，電感值穩(wěn)定，不隨溫度變化而產(chǎn)生大幅度變化；4)分布電容要?。粓D中的共模扼流圈為TX1，其電路原理如圖3.2所示，圖3.2 共模扼流圈電路原理圖當有高頻干擾時，兩線圈在同一磁芯內對共模干擾所產(chǎn)生的磁通是同方向的，有相互加強的作用，每一線圈電感值為單獨存在是的兩倍。通常共模扼流圈的匝數(shù)很少，因此這種繞法的電磁線圈對共模干擾有很強的抑制作用。3.2 開關電源的功率開關元件開關元件特性及其驅動是開關變換器中很關鍵的問題。開關管的損耗與基極的驅動電壓，電流的波形有直接的關系。對雙極型晶體管的理想驅動波形，最好是波形前沿陡峭并帶些尖峰脈沖，以加快開關的接通，減少其

23、損耗。關斷時，最好加反向偏壓，以提高關斷速率9。雙極型晶體管（BJT）基本上是個電流控制器件，即加入變動的基極電流Ib，產(chǎn)生變動的集電極電流Ic，共射級放大倍數(shù)為：=Ic/Ib；在實際的開關應用中，晶體管處于飽和導通或截止兩種狀態(tài)。為了加快退出飽和，以利提高開關頻率，常加控制環(huán)節(jié)使開關管導通工作時在準飽和狀態(tài)，準飽和是指在深飽和與線性區(qū)之間的一個區(qū)域，對應Ic-Vce輸出特性曲線開始彎曲部分。在準飽和區(qū)，電流增益開始下降，但保持著發(fā)射結正偏、集電結反偏的狀態(tài)。這比把深度飽和導通的晶體管(集電結已處于正偏狀態(tài))轉為關斷狀態(tài)要容易得多，快得多。具體方法參見圖3.3。圖3.3 晶體管狀態(tài)圖晶體管并非

24、理想的開關元件。它從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)時有開通過程需要一定時間;在通態(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)時有關斷過程，也需要時間。通態(tài)時通過的電流由外接負載所限定，管本身有飽和壓降Vces、斷態(tài)時發(fā)射結和集電結在反偏狀態(tài)，集、射極在高電壓下有穿透電流Iceo。一般要求，飽和壓降Vces要小，穿透電流Iceo要小。過渡的過程，用圖3.3所標的幾個時間段來標志。晶體管基極驅動電路主要應使驅動電流或電壓波形為最佳并要注意隔離和保護的問題。驅動方式一般有直接式和隔離式。本系統(tǒng)的驅動電路如圖3.4所示。圖3.4 晶體管驅動電路圖3.3 高頻變壓器在眾多的DC-DC變換器中，可以分為兩大類：隔離變換器和非隔離變換器，所謂隔離與非隔離指的

25、是在主電路功率傳輸中是否存在電氣隔離，大多數(shù)情況下指是否存在變壓器隔離。在非隔離變換器中，存在很多缺陷，例如，輸入輸出無法隔離會對系統(tǒng)安全性存在隱患，輸入輸出的電壓和電流比無法很大以及無法實現(xiàn)多路輸出等問題。這些局限需要靠變壓器來克服。高頻變壓器在主電路中主要起隔離、降壓和實現(xiàn)多路輸出的作用7。理想的隔離變壓器主要有以下幾點特征：1)從輸入到輸出能夠通過所有的信號的頻率，即從理想的直流到不理想的直流都能變換；2)變換時可不考慮能量損耗；3)能使輸入輸出之間完全隔離；4)變換中，無論從原邊到副邊，或副邊到原邊，都是一樣方便有效。因此高頻變壓器在隔離DC-DC變換器中占有非常重要的地位，變壓器性能

26、的好壞直接影響到整個系統(tǒng)性能的好壞5。3.4 輸出級電路設計開關電源的輸出整流濾波電路是出現(xiàn)在開關功率變壓器次級回路中，如圖3.5中的L2，C24，C25，C29，U3組成的濾波電路。圖3.5 輸出級電路圖1)輸出整流二極管輸出整流電路一般都為高頻整流電路，整流二極管必須采用高頻快恢復開關二極管。肖特基二極管不但具有高頻快恢復開關二極管的特性，而且還具有正向管壓降特別低的優(yōu)點，因此特別適合用做開關電源電路的輸出級整流二極管10。輸出整流二極管流出的電流即為流過輸出濾波電感的電流，也即流過負載的電流，最大為2OA。根據(jù)以上的分析，同時考慮手頭的元件，選用S20C40C肖特基二極管作為快速整流二極

27、管，S20C40C內置的二極管的耐壓值為40V，電流等級為20A，金屬封裝TO-220。2)輸出濾波電感輸出濾波電感中的電流是單一方向流動的，對直流阻抗小，對交流阻抗大,流過磁性繞組的電流具有較大的直流分量，并且疊加一個較小的交流分量，因此磁芯的最大工作磁通密度，可取高端值，它接近飽和磁通密度。圖中的L2用三股直徑1mm的漆包線繞10圈而成。3)輸出濾波電容輸出電容C的選擇應滿足最大輸出紋波電壓的要求，濾波電容的大小對輸出直流電源的紋波大小有決定作用。圖中的C24，C25為3300UF的極性電容，C29為無極性CBB電容。4 開關電源控制電路的設計4.1 控制電路的設計隨著半導體技術的高速發(fā)展

28、，適應各類開關電源的控制集成電路功能不斷完善，集成化水平不斷提高，外接元件越來越少，使得開關電源的研制生產(chǎn)日益簡化，成本日益降低，集成控制芯片種類繁多，這里重點介紹本系統(tǒng)所應用的主控制芯片-電壓型脈寬調整控制器TL494，電路圖如圖4.1所示。圖4.1 TL494控制電路圖電壓型脈寬調整控制器TL494最高工作頻率300KHz，可單端輸出，也可推挽輸出。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10。其主要特性如下： 1)集成了全部的脈寬調制電路；2)片內置線性鋸齒波振蕩器，外置

29、振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）； 3)內置誤差放大器； 4)內止5V參考基準電壓源； 5)可調整死區(qū)時間； 6)內置功率晶體管可提供500mA的驅動能力。4.2 TL494芯片管腳定義 TL494是16腳芯片，它的管腳排列如圖4.2所示。 圖4.2 TL494管腳圖1腳/同相輸入：誤差放大器1同相輸入端。2腳/反相輸入：誤差放大器1反相輸入端。3腳/補償/PWM比較輸入：接RC網(wǎng)絡，以提高穩(wěn)定性。4腳/死區(qū)時間控制：輸入0-4VDC電壓，控制占空比在0-45%之間變化。同時該因腳也可以作為軟啟動端，使脈寬在啟動時逐步上升到預定值。5腳/CT：振蕩器外接定時電容。6腳/RT：振蕩器外接定時

30、電阻。振蕩頻率：f=1.1/RTCT。7腳/GND：電源地。8腳/C1：輸出1集電極。9腳/E1：輸出1發(fā)射極。10腳/E2：輸出2發(fā)射極。11腳/C2：輸出2集電極。12腳/Vcc：芯片電源正，DC7-40V。13腳/輸出控制：輸出方式控制，該腳接地時，兩個輸出同步，用于驅動單端電路。接高電平時，兩個輸出管交替導通，可以用于驅動橋式、推挽式電路的兩個開關管。14腳/VREF：5VDC電壓基準輸出。15腳/反相輸入：誤差放大器2反相輸入端。16腳/同相輸入：誤差放大器2同相輸入端。4.3 TL494芯片內部結構原理圖4.3給出了TL494的內部原理框圖。圖4.3 TL494內部原理框圖芯片內部

31、電路包括振蕩器、兩個誤差比較器、5VDC基準電源、死區(qū)時間比較器、欠壓封鎖電路、PWM比較器、輸出電路等。1) 振蕩器： 提供開關電源必須的振蕩控制信號，頻率由外部RT、CT決定。這兩個元件接在對應端與地之間。取值范圍：RT：5-100k，CT：。振蕩頻率：f=1.1/RTCT。形成的信號為鋸齒波。最大頻率可以達到300KHz。2)死區(qū)時間比較器： 這一部分用于通過0-4VDC電壓來調整占空比。當4腳預加電壓抬高時，與振蕩鋸齒波比較的結果，將使得D觸發(fā)器CK端保持高電平的時間加寬。該電平同時經(jīng)過反相，使輸出晶體管基極為低，鎖死輸出。4腳電位越高，死區(qū)時間越寬，占空比越小。由于預加了0.12VD

32、C，所以，限制了死區(qū)時間最小不能小于4%，即單管工作時最大占空比96%，推挽輸出時最大占空比為48%。圖4.4 死區(qū)時間波形圖圖4.4 給出死區(qū)時間比較器單獨作用時的工作相關波形。3) PWM比較器及其調節(jié)過程：由兩個誤差放大器輸出及3腳（PWM比較輸入）控制。當3端電壓加到3.5VDC時，基本可以使占空比達到0，作用和4腳類似。但此腳真正的作用是外接RC網(wǎng)絡，用做誤差放大器的相位補償。常規(guī)情況下，在誤差放大器輸出抬高時，增加死區(qū)時間，縮小占空比；反之，占空比增加。作用過程和4腳的死區(qū)控制相同，從而實現(xiàn)反饋的PWM調節(jié)。0.7VDC的電壓墊高了鋸齒波，使得PWM調節(jié)后的死區(qū)時間相對變窄。如果把

33、3腳比做4腳，則PWM比較器的作用波形和圖4-9類似。然而，該比較器的占空比調節(jié)，要在死區(qū)時間比較器的限制范圍內起作用。單管工作方式時，VCK直接控制輸出，輸出開關頻率與振蕩器相同。當13腳電位為高時，封鎖被取消，觸發(fā)器的Q1，Q2端分別控制兩個輸出管輪流導通，頻率是單管方式的一半。4) 5VDC基準電源：這個5VDC基準電源用于提供芯片需要的偏置電流。如13腳接高電平時，及誤差放大器等可以使用它?；鶞孰娫淳?%，電流能力10mA，溫度范圍0-70度。5)誤差放大器：兩個誤差放大器用于電源電壓反饋和過流保護。這兩個放大器以或的關系，同時接到PWM比較器同相輸入端。反饋信號比較后的輸出，送PW

34、M比較器，以和鋸齒波比較，進行PWM調節(jié)。由于放大器是開環(huán)的，增益達到95dB。加之輸出點3被引出，使用時，設計者可以根據(jù)需要靈活使用。6)UC封鎖電路：用于欠壓封鎖，當Vcc低于4.9VDC，或者內部電源低于3.5VDC時，CK端被鉗位為高電平，從而使輸出封鎖，達到保護作用。7)輸出電路：輸出電路有兩個輸出晶體管，單管電流500mA。其工作狀態(tài)由13腳（輸出控制）來決定。當13腳接低電平時，通過與門封鎖了D觸發(fā)器翻轉信號輸出，此時兩個晶體管狀態(tài)由PWM比較器及死區(qū)時間比較器直接控制，二者完全同步，用于控制單管開關電源。當然，此時兩個輸出也允許并聯(lián)使用，以獲得較大的驅動電流。當13腳接高電平時

35、，D觸發(fā)器起作用，兩個晶體管輪流導通，用于驅動推挽或橋式變換器。另外，TL494內部的兩個三極管在工作電壓7-40V范圍內工作時，最大輸出電流可達250mA，若將13腳與14腳相連，就可推挽工作，若將13腳與7腳相連，就形成單端輸出。為增大輸出可將兩個三極管并聯(lián)。5 開關電源的干擾及抑制5.1 開關電源的電磁干擾在很多場合，開關電源要有很強的抗電磁干擾能力，如對浪涌、電網(wǎng)電壓波動的適應能力，對靜電干擾、電場、磁場及電磁波等的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對設備供電的穩(wěn)定性11。 一方面，因開關電源內部的功率開關管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器，是在高頻開關的方式下工作，其電壓電流波形多

36、為方波。在高壓大電流的方波切換過程中，將產(chǎn)生嚴重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流一方面通過電源輸入線或開關電源的輸出線傳出，對與電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設備及電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，使設備不能正常工作；另一方面嚴重的諧波電壓電流在開關電源內部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關電源內部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關電源機殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場，一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾，引起其它設備工作異常。 因此，對開關電源，要限制由負載線、電源線產(chǎn)生的傳導干擾及有輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的設

37、備均能夠正常工作，互不干擾11。5.2 抑制電磁干擾的一些措施抑制電磁干擾應該從騷擾源、傳播途徑和受擾設備入手。首先應該抑制騷擾源，直接消除干擾原因；其次是消除騷擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設備的抗擾能力，減低其對噪聲的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。 屏蔽技術采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾，即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。 接地技術所謂接地，就是在兩點間建立傳導通路，以便將電子設備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點上。接地是開關電源設備抑制電磁干擾的重要方法，電源某些部分與大地相連可以起到

38、抑制干擾的作用。在電路系統(tǒng)設計中應遵循“一點接地”的原則，如果形成多點接地，會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當磁力線穿過該環(huán)路時將產(chǎn)生磁感應噪聲。實際上很難實現(xiàn)“一點接地”，因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。 EMI電路)入級電路設計里面已經(jīng)講述12。6 電路板的制作與調試 印刷電路板的設計采用的是Protel99電路輔助設計軟件，該軟件具有界面友

39、好、操作簡單容易上手、軟件功能強大、庫元件種類豐富等優(yōu)點，受到廣大電路設計工作者的喜歡。電路板調試過程要驗證設計的正確性，實現(xiàn)設計的預期結果。6.1 印刷電路板的制作印制電路板的抗干擾設計與具體電路有著密切的關系，根據(jù)所作開關電源電流要求的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。還要交流高壓地和直流低壓地分開。地線應盡量加粗，若接地線用很細的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低，因此應將接地線盡量加粗。在印刷電路板的設計中，布局是一個重要的環(huán)節(jié)。印刷電路板的布局，首要的是注重內在質量，其次兼顧整體的美觀，在

40、一個印刷電路板上，元件的布局要求均衡，疏密有序。合理的布局是印刷電路板設計成功的第一步。至于詳細的印刷電路板設計過程，由于不屬于本文的重點，故在此就不詳細介紹，只在附件中給出最終電路板的成品樣圖。6.2 電路板的調試在硬件調試過程中會出現(xiàn)各種問題，有些是設計不全面造成的，有的是人為和偶然因素造成的。為了盡量減少非設計性原因造成的元器件損失和時間的浪費，系統(tǒng)試驗應有序地逐步進行，現(xiàn)將調試過程分為四步：控制電路調試、輸入電路調試、輸出電路調試、變壓器的調試。 控制電路調試在測試電路板之前，首先要對照電路板和pcb，確保所焊接元件無誤，才能開始測試。首先斷開控制電路與主電路的聯(lián)系，檢查各電源對地之間

41、的絕緣電阻，然后在TL494的12腳輸入15V電壓接通控制電源，用萬用表檢查電源電壓，測量基準電壓電路使其輸出達到5V。首先將示波器夾在用于控制半橋的TL494的8腳和11腳，檢查雙端輸出的波形，測得如圖6.1的波形。圖6.1 測試波形圖 從觀察到的波形可以看出芯片的振蕩頻率為50KHZ，雙端輸出的周期為20uS，與設計一致;單端輸出的脈沖寬度為8uS，相應占空比為0.36，與設計偏差0.5uS，滿足系統(tǒng)要求，誤差可能是死區(qū)調解電位計調節(jié)不夠準確所致;死區(qū)時間為4uS，滿足晶體管開關速度的要求，可以有效防止上下兩管的直通。然后測量其余各引腳對地的電壓，基本均符合輸入電壓150.3V。將控制電源

42、重新上電，用示波器觀察脈沖在上電瞬間的變化，觀察到輸出脈沖由窄到寬逐漸變化，符合系統(tǒng)起動的設計。 輸入電路調試 由于開關電源的輸入端是220V的高壓交流輸入，調試操作起來比較危險，因此可先借助自耦變壓器轉換為較低的交流電壓。比如先從自耦變壓器轉換輸出80V左右的電壓，通過萬用表測得輸入級串聯(lián)電容的兩端輸出電壓為110V，符合整流原理。由于對開關電源的基礎知識儲備不夠，在制作過程中犯了很多錯誤。例如對變壓器在電路中的作用沒有真正的理解，沒有考慮到同名端的連接，導致沒有輸出電壓。 輸出電路調試 輸出端電路較簡單，只需確定電路是否短路，還有本系統(tǒng)輸出電流較大，輸出端過線用較寬的導線，還需敷上一層焊錫

43、。最后上電，用萬用表測試輸入經(jīng)整流濾波后的電壓約為5V左右，通過調節(jié)1K的可變電阻器可微調輸出電壓。輸出紋波電壓主要由低頻紋波、開關頻率紋波及尖峰三個方面組成。低頻紋波是輸入整流紋波經(jīng)過DC-DC變換器傳遞到輸出端的，它的大小取決于整流濾波電路的電容和反饋回路的調節(jié)性能，適當?shù)募哟笳鳛V波電容器的值可以大大降低紋波。增大交流反饋，也可以有效地降低紋波。開關頻率紋波電壓取決于輸出回路的濾波電感和濾波電容的大小，適當?shù)募哟筝敵鰹V波電感和電容的值可以有效地抑制開關頻率紋波。尖峰是紋波的主要部分，它的大小決定了紋波電壓的大小。尖峰電壓主要由變壓器初級漏感尖峰和輸出整流尖峰產(chǎn)生。圖6.2為輸出紋波電壓波形圖：圖6.2 輸出紋波電壓波形圖從圖6.2中可以看出，尖峰電壓是紋波電壓的主要部分，可能的原因如下:1)由于本文設計的高頻開關電源，所以功率開關管會在關斷時產(chǎn)生尖峰電壓，產(chǎn)生尖峰干擾，影響輸出紋波電壓。2)變壓器的漏感尖峰。漏感越小的變壓器，輸出紋波尖峰電壓也越小。3)輸出整流二極管也是產(chǎn)生尖峰干擾的另一重要因素，本文選用的快恢復的肖特基二極管，可以有效地抑制尖峰干擾。在實驗中，如果減小負載（即減小輸出電流），紋波電壓基本不變，但是當負載為空載時，輸出紋波電壓會明顯的減小。 變壓器的調試變壓器的設計是高頻開關電源設計的難點。由于變壓器的參數(shù)和實物之間難于測定，要制作出確定功率以及符合所