TL494开关电源设计

设计案例分析单端正激式开关稳压电源或降压型开关稳压电源设计一．技术指标1.电源容量输入：交流15~24Vac。输出：电源电压+12V(不可调)，纹波小于150mVP-P，最大输出电流0.5A(限流型保护)。2.工作频率开关电源的工作频率为30~40kHz。3.控制电路采用脉冲宽度调制控制集成电路。二．课题的意义1.具有实用性：几乎所有的电子设备都涉及电源设计，容量较大时多采用开关电源。2.掌握一种共性技术：脉冲宽度调制技术－PWM是一项共性技术，应用面广，如硅整流弧焊电源控制、逆变电源设计、恒温控制、直流电机调速等。3.学习集成电路应用方法：TL494、SG3525A是常用的、典型的固定频率的脉冲宽度调制控制电路，应用方法有一定代表性。4.易于建立工程设计概念：课题涉及多个典型的工程要素，如：功率器件的最大电流、耐压、开关速度，磁性材料的选择、功率电感的设计与绕制等。5.较典型的设计验证方法和负载实验。三、单端正激式开关电源的工作原理1.导通状态2.截止状态3.输入输出关系ε称为占空比11tLUUtLUIOILON22tLUtLUIOLOFFOFFONIIIOUU211ttt四、TL494的内部结构与功能1.结构CTRT3.5V4.9V0.7V0.12V0.7mAQ1Q213891110127141615321456DCKQQ振荡器死区时间比较器PWM比较器死区时间控制误差放大器1反馈/PWM比较器输入误差放大器2基准调整器Ref输出欠压锁定VCCVCC触发器输出控制图一：TL494内部框图四、TL494的内部结构与功能1.结构2.TL494的时序当锯齿波电平＜死区时间控制电平时，死区时间比较器输出高电平。当锯齿波电平＜反馈/PWM输入电平时，PWM比较器输出高电平。死区时间控制电压和反馈/PWM输入电压，二者中较高的电平控制触发器时钟宽度。CT反馈/PWM比较器输入死区时间控制触发器时钟QQQ1射极Q2射极输出控制图二：TL494时序图2.TL494的时序(续)当输出控制电压=H时，Q和时钟信号均为0时，Q1基极获高电平导通，/Q和时钟信号均为0时，Q2基极获高电平导通，两管轮流导通，称为推挽工作方式。当输出控制电压=L时，时钟信号为0时，Q1和Q2基极获高电平导通，两管同时导通，称为单端工作方式。CT反馈/PWM比较器输入死区时间控制触发器时钟QQQ1射极Q2射极输出控制图二：TL494时序图3.功能描述含有控制开关式电源所需的主要功能块。线性锯齿波振荡器(3V)，频率用两个外部元件RT和CT设置，近似Ｆosc=1.1/(RT*CT)输出脉冲宽度由“死区时间控制”和“反馈/PWM比较器输入”两个信号中电平较高的一个控制，控制信号电平与电容器CT上的锯齿波进行比较，实现脉冲宽度的调整。控制信号电平线性增加输出晶体管Q1和Q2的导通时间线性减少。“输出控制”=5V为推挽输出，最小死区时间为48%；=0为单端输出，最小死区时间为96%。五、TL494的工作条件1.工作条件条件符号最小典型最大单位电源电压VCC7.01540V集电极电压VC1,VC2--3040V集电极输出电流(每个三极管)IC1,IC2----200mA误差放大器输入共模电压Vin-0.3--VCC－2V反馈/PWM比较器输入端电流Ifb----0.3mA基准输出电流Iref----10mA计时电阻RT1.830500kΩ计时电容CT0.00470.0110μF振荡器频率Fosc1.040200kHz六、原理图稳压原理－－输出电压负反馈。若某种原因导致输出电压过高，则误差放大器1同向端电位升高，反馈/PWM端电位上升，Q1管导通时间减少，占空比减少，结果输出电压减少。最终使输出电压保持稳定，R17和R16中点电压为5V。R12/R10为误差放大器1的静态放大倍数，影响控制精度。C6和R13影响误差放大器1的动态放大倍数，抑制瞬变。L110mH/0.5AR510KR34K7T2TIP127R163K6R175K1C10104C8470u/25VD4FR107C6104R134K7R12100KR1410KC710u/16VR152KR114K7R104K7R90.1R847R74K7R610KC5332IN1+1IN1-2PWM3DEAD4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12CONT13+5V14IN2-15IN2+16IC2494R247C4103/250VC11000u/35V1A/400V+12图三：由TL494组成降压型开关稳压电源(100V/5A/Darl-L)C8100u/25V六、原理图过载保护－－过载时，降低输出电压使负载电流保持在保护值。不论开关管T2是否导通，流过负载的电流都经过R9(由上向下)，R9的下端电位为负，当负载电流达一定值时，误差放大器2的反相端电位为负，误差放大器2的输出（即反馈/PWM端）为正，Q1管不导通，输出电压降低。L110mH/0.5AR510KR34K7T2TIP127R163K6R175K1C10104C8470u/25VD4FR107C6104R134K7R12100KR1410KC710u/16VR152KR114K7R104K7R90.1R847R74K7R610KC5332IN1+1IN1-2PWM3DEAD4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12CONT13+5V14IN2-15IN2+16IC2494R247C4103/250VC11000u/35V1A/400V+12图三：由TL494组成降压型开关稳压电源(100V/5A/Darl-L)C8100u/25V六、原理图软启动－－上电时输出电压由低到高建立，需要一定时间。上电时，C7充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，Q1管的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高。L110mH/0.5AR510KR34K7T2TIP127R163K6R175K1C10104C8470u/25VD4FR107C6104R134K7R12100KR1410KC710u/16VR152KR114K7R104K7R90.1R847R74K7R610KC5332IN1+1IN1-2PWM3DEAD4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12CONT13+5V14IN2-15IN2+16IC2494R247C4103/250VC11000u/35V1A/400V+12图三：由TL494组成降压型开关稳压电源(100V/5A/Darl-L)C8100u/25V七、参数选择1.整流管：桥式整流，整流管工作电流=0.5负载电流，大反向电压=输入交流电压峰值，IN4007(1A/1kV)可以满足要求。2.滤波电容：RLC=(3~5)T，整流滤波后电压VIN=18~28.8V,RL~18V/0.5A=36Ω，T＝10mS，1000uF/35V电解电容可满足要求。最常用电解电容：1.0、2.2、3.3、4.7、6.8及相应十百千uF，耐压有6、16、25、35、50、63、100、120、250、400V。3.工作频率：音频上限~20kHz，Fosc~33kHz，TOSC=30uS，tON=TOSCVO/(VIN-Vsta)=13.0~21.4uS。七、参数选择4.开关管：开关速度1uS，耐压2(VIN)max，电流2(IO)maxTIP127(100V/5A,Darl-L,hFE1000,tr和td1uS)满足要求，内带保护二极管可不带RC吸收回路，需带散热器。ICVECPTtONtOFFtVIN+VFVSTAIECO图四：开关管开关速度与功耗分析七、参数选择5.输出电压：VO=5V*(1+R17/R16)~12.1V6.保护电流：Imax=(Vref/R7)*R8/R9~0.5A7.电感量：L~100μH。8.续流二极管：快恢复二极管，反向偏压＝(VIN)max-VSTA-VO，峰值电流2(IO)max，FR103~1A/300V或FR107~1A/1kV满足要求。OFFOOtIVL2~(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpkt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max储能充分(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpk=2(IO)maxt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max临界储能(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max储能不足VO图五：最大输入/满负荷时的续流波形七、参数选择8.输出电容：一个工作周期共向输出电容充电荷⊿Q~0.5(IO)max(0.5TOSC)纹波0.5⊿VP-P=⊿Q/CO，CO=(3~5)(IO)maxTOSC/2⊿VP-PCO=C8=220uF能满足要求注产生纹波的两个因素：1.输出电容容量有限；2.开关过程产生的过冲，这部分较难滤除。10.软启时间：~100mS。(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpkt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max储能充分(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxIpk=2(IO)maxt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max临界储能(VIN)max-VSTA-VF(IO)maxt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max储能不足VO图五：最大输入/满负荷时的续流波形八、电感的绕制1.铁氧体磁芯或磁罐(高频磁性材料、居里温度~230Ｃ）。2.漆包线线径：考虑趋肤效应和机械强度，趋肤效应：调频电流只分布在导体表面，30kHz时，穿透浓度~0.2mm，电流密度可按5A/mm2计算。漆包线直径：0.4mm以上可满足要求。3.磁线截面：L~S*S，截面小必匝数多，匝数过多引起饱和，饱和导致功率管、电感线圈与磁芯发热，应避免。4.匝数：L~N2，设计时先用柒包线绕若干匝，用电感表测量电感量，按平方正比关系计算，确定匝数，再绕。线端刮柒、引至线架、搪锡，用电感表验证电感量。5.国产MnZn铁氧体（低、中频）磁性材料，磁导率:5000~7000，饱和磁通密度BS:400~530mTtILTllINBrr42.0103500005.05.025.131014.34~)(2~570max00九、设计步骤与设计验证1.根据技术指标进行理论设计绘制原理图器件参数选择设计PCB元件检查、焊装2.设计验证通电前外观检查空载通电试验观察有否异常温升观测输出电压、锯齿波观测续流管阴极波形，脉冲过冲是否＜稳态值改变输入电压，看波形占空比变化加载实验半满负载，观察温升情况中等输入电压/满载，观测温升和续流情况最高输入电压/满载，观测温升和续流情况，判断电感量是否充足；观测开关管EC极电压，判断其是否工作在饱和与截止两状态，开关速度是否满足要求；输出电压纹波是否满足要求最小输入电压/满载，观测温升和续流情况过载实验输入电压分别为最小、中等、最大三种情况，超负载~10%，观测过载保护是否工作，保护时的工作波形工作稳定性长时间工作情况（30min）十、设计报告（A4纸打印）设计题目（2＃黑/居中）设计人姓名（4＃宋/居中）指导老师姓名（5＃宋/居中）设计内容摘要（5＃宋/缩进2字符）关键词（5＃宋/缩进2字符）报告正文（标题4＃黑/左对齐，正文5＃宋/单倍行距）设计指标设计方案、方案论证工作原理分析参数选择（结合设计指标选择）设计验证样品测试波形、数据分析设计评价设计总结参考文献或资料（标题4＃黑/居中，文献列表5＃宋/单倍行距）[序号].作者姓名，书名[M]，出版社，出版时间，页面。[序号].作者姓