开关直流降压电源..

开关直流降压电源（BUCK）摘要:本次电力电子装置设计与制作，利用BUCK型转换器来实现16V-8V的开关直流降压电源的设计。使用TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了推挽式放大电路。另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。关键词：DC/DC；开关电源；Buck电路；TL494目录1.概述及其方案选择1.1基本要求1.2方案设计2.系统功能及原理2.1系统总体框图及电路原理图2.2基本电路2.3主电路2.4控制电路3.各模块原理及器件选择3.1电源管理芯片TL4943.1.1TL494芯片主要特征3.1.2TL494工作原理简述3.1.3TL494脉冲控制3.2Buck变换器3.2.1Buck变换器工作原理3.2.2Buck变换器的参数计算3.2.3TL494脉冲控制3.3MOSFET的选择3.4输出电路4．实验结果及其分析4.1实验调试4.1.1整体电路检查4.1.2输出电压反馈回路的检测4.1.3驱动电路的检测4.2实验结果5.小结参考文献1概述及其方案选择开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件（MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换效率高，体积小，重量轻，控制精度高等优点。开关电源与传统线性电源相比有以下区别：1)开关电源是直流电转变为高频脉冲电流，将电能储存到电感、电容元件中，利用电感、电容的特性将电能按预定的要求释放出来来改变输出电压或电流的；线性电源没有高频脉冲和储存元件，它利用元器件线性特性在负载变化时瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流的。2)开关电源可以降压，也可以升压；线性电源只能降压。3)开关电源效率高；线性电源效率低。4)线性电源控制速度快，波纹小；开关电源波纹大。1.1基本要求输入直流10～12V，输出6V；开关振荡频率23.4KHz。1.2方案设计采用MOSFET作为功率转换元件，MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。控制方案采用TL494CJ脉冲宽度调制芯片，极大地简化电路设计，而且该芯片是一种功能非常完善的PWM驱动电路芯片，适用于多数电路，性能稳定，可靠性高，具有很大的现实意义。2系统功能及原理2.1系统总体框图及电路原理图图2-1开关直流降压电源总体框图2.2基本电路开关式稳压电源的基本电路框图如下图2-3所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。图2-3开关电源的组成开关电源中调整管工作在开关方式，只有导通和截止两个状态。当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。此脉冲信号作为开关管的输入信号，使调整管导通和截图2-2开关直流降压电源电路图图止时间的比例也发生变化，从而使滤波后输出电压的平均值基本保持不变。2.3主电路本次课程设计中采用降压式开关电源（BUCK）。降压式开关电源的典型电路如图2-4所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。图2-4降压式开关电源2.4控制电路图2-5控制电路图芯片14脚输出基准电压通过电阻分压进入15号脚作来与16号反馈信号进行比较的基值。从主电路输出端引出的反馈信号即16号脚，与15号脚的基值进行比较，从面调节8号脚和11号脚输出的脉冲信号的占空比，从而达到调节MOS管的开通与关断的频率与时间，最终实现输出端输出理想的稳定的电压值。本次设计选择输入12V，输出6V。3各模块原理及器件选择3.1电源管理芯片TL494TL494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，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。3.1.1TL494芯片主要特征·集成了全部的脉宽调制电路·内置主从振荡器·内置误差放大器·内置5.0V参考基准电压源·可调整死区时间·内置功率晶体管可提供最大500mA的驱动能力·输出可控制推拉电路或单端电路·欠压保护3.1.2TL494工作原理简述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和一个电容进行调节，其振荡频率计算公式为：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。3.1.3TL494脉冲控制图3-1TL494芯片内部电路控制信号由集成电路外部输入，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（0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。3.2Buck变换器3.2.1Buck变换器工作原理BUCK变换器又称降压变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换直流斩波器，即输出电压低于输入电压。其基本结构如图2-4所示。假定:(l)开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截止”，而且导通压降为零，截止时漏电流为零;(2)电感、电容是理想元件，电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零;(3)输出电压中纹波电压与输出电压比值小到允许忽略。当主开关Tr导通，如图3-2所示，流过电感线圈L，电流线性增加在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当isi。时，电容在充电状态。这时二极管D承受反向电压而截止。经时间D1TS后，如图3-3所示主开关Tr截止，由于电感L中的磁场将改变L两端的电压极性，以保持其电流Li不变。负载两端电压仍是上正下负。在LiIo时，电容处在放电状态，以维持Io、Vo不变。这时二极管D，承受正向偏压为电流红构成通路，故称D为续流二极管。由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变换器。其工作图如下图3-2和图3-3所示图3-2Tr导通图3-3Tr关断在一般的电路中是期望BUCK电路工作在连续导通模式下的，在一个完整的开关周期中，BUCK变换器的工作分为两段，其工作波形图为:图3-4BUCK电路在连续模式下的工作波形图SLii3.2.2Buck变换器的参数计算在BUCK变换器电路中给定输入电压Vs的范围、输出电压Vo、功率P输出电流I。、纹波电压的范围△Vo，开关频率fs，就可以推出电路中L、C的参数值和所需要开关管和二极管的耐压和耐流值，从而选定各自的型号。从图3-4中的iL波形图可知，在开关管Tr导通期间(t0—t1)，电感电流上升量为在开关管关断期间，电感电流的下降量为由于稳态时这两个电流变化量相等，即错误!未找到引用源。所以由上述两式可得:错误!未找到引用源。由上式整理得注意：D为占空比(l)储能电感L的确定由于产生脉冲的芯片相应R＝4.7K欧姆，C＝103.则芯片产生的脉冲频率为f=1.1/(RC).计算得f=23.4KHZ.在电感充放电一个周期内：得iIL2开通时LtUUioi/)(且对于BUCK电路，开通时，t=DsT所以故计算得出LH57(2)滤波电容C的确定流经电容的电流是（错误!未找到引用源。），由于错误!未找到引用源。对电容的充放电产生的纹波电压错误!未找到引用源。，代入数值得，所以电容选取103的瓷片电容。oiUUdtdiLSLSTITi21LsoiIDTUUL2/)(ioUUDFC06.00.023578)5.01(6)1034(2.2输出电容C2并非理想电容，可等效于串联电阻（ESR）、串联电感（ESL）与纯电容C的串联。对于低频电路，ESL可以忽略。输出纹波主要由ESR来决定。一般常用铝电解电容的RC值近似为一个常数，为F61080~50。利用典型ESR-容值关系，根据公式得：FC220002.0/105062选择25V，2200uF的普通铝电解电容。(3)续流二极管的确定根据Buck变换器的工作原理，开关截止时，续流二极管导通，电感储能转化为电能，二极管起到续流作用，二极管正向额定电流需大于负载电流，耐压值大于输入电压，同时为了使截止到导通时间尽量短，选择超快恢复二极管，根据本设计的要求，选择正向电流不小于1A的超快恢复二极管。此处选择FR107，最大恢复时间为500ns。3.3MOSFET的选择实物图引脚图参数切换时间电路测试切换时间波形开关管的峰值电流为：开关管的耐压值为：根据要求。AIVVVVddsgs1,15,10在本次设计中选择IRF9Z34N型MOSFET。3.4输出电路输出电路采用LC电路。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关管截止时，由于电感上的电流不能突变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时续流二极管导通，构成闭合回路。电容起到滤波平滑输出的作用。根据设计要求，输出电压为6V,输出电压纹波小于2%，则输出纹波电压小于120mV。4实验结果及其分析4.1实验调试在输入端加12V的直流电压，同时给TL494提供12V的直流电压，输入端与TL494共地，用示波器观察TL494五号脚输出波形，同时用示波器观察电流采样回路电压。4.1.1整体电路检查在上述基础上，用示波器观察输入端与TL494的5号引脚波形分别如下图所示：输入端波形TL4945号引脚波形图3-5输出滤波电路整体调试过程需反复多次尝试，尤其是反馈电阻的调整，需要多调试几次，这样才能满足设计要求，。4.1.2输出电压反馈回路的检测检测方法：用两个独立电源，一个电