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该电路具有体积小,控制方便灵活,输出特性好、纹波小、负载调整率高等特点。
开关电源中的功率调整管工作在开关状态,具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点,在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。
开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。
本论文采用双端驱动集成电路——TL494输的PWM脉冲控制器设计小汽车中的音响供电电源,利用MOSFET管作为开关管,可以提高电源变压器的工作效率,有利于抑制脉冲干扰,同时还可以减小电源变压器的体积。
关键词IGBT,推挽电路,半桥电路,单端正激,TL494,PWM
引言……………………………………………………………………………………1
第1章开关电源基础技术……………………………………………………………………Y
1.1开关电源概述…………………………………………………………Y
1.1.1开关电源的工作原理………………………………………………………………Y
1.1.2开关电源基本构成…………………………………………………………………Y
1.1.3开关电源分类………………………………………………………………………Y
1.2开关电源的拓扑结构……………………………………………………………Y
1.2.1降压式变换器…………………………………………………………………Y
1.2.2升压式变换器……………………………………………………………………Y
1.2.3反激式变换器……………………………………………………………………Y
1.2.4正激式变换器……………………………………………………………………Y
1.2.5推挽式变换器……………………………………………………………………Y
1.2.6半桥式变换器……………………………………………………………………Y
1.2.7全桥式变换器……………………………………………………………………Y
1.3功率场效应晶体管MOSFET…………………………………………………Y
1.4开关电源的技术标准………………………………………………………Y
第2章开关电源的控制电路………………………………………………………Y
2.1TL494概述及内部电路…………………………………………………………………Y
2.2TL494的工作原理………………………………………………………………………Y
第3章TL494在汽车音响供电电源中的应用………………………………………………Y
3.1汽车音响电源简述………………………………………………………………………Y
3.2汽车音响供电电源的组成………………………………………………………………Y
3.2.1TL494的辅助电路设计………………………………………………………Y
3.2.2主电路的设计………………………………………………………………Y
结论……………………………………………………………………………………Y
致谢……………………………………………………………………………………Y
参考文献………………………………………………………………………………Y
附录……………………………………………………………………………………………Y
引言
电源是实现电能变换和功率传递的主要设备、在信息时代,农业、能源、交通运输、信息、国防教育等领域的迅猛发展,对电源产业提出了更多、更高的要求,如:
节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。
这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索,寻求各种相关技术,做出最好的电源产品,以满足各行各业的要求。
开关电源是一种新型电源设备,较之于传统的线性电源,其技术含量高,耗能低,使用方便,并取得了较好的经济效益。
随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。
由于小汽车音响受到12V供电的制约,无论输出功率还是音场效果都难以进一步提高。
在此情况下,从上世纪末,欧洲生产的汽车音响中开始采用DC-DC变换器,将12V蓄电池供电变换为±
24V-±
50V,向汽车音响提供电源。
目前,DC-DC变换器与机械变流器相比,已今非昔比,其开关频率可达100KHZ以上,效率接近90%。
第1章开关电源基础技术
1.1开关电源概述
1.1.1开关电源的工作原理
开关稳压电源是通过对输入的直流电进行高频开关变换,来实现输出电压变换和输出直流电压稳压的控制目的,其工作原理如图1所示。
从图1(a)可以看出,未稳压交流输入市电经交流输入市电整流电路(功率因数校正)后输出的直流电压Vi经过高频开关变换后输出高频脉冲波,高频脉冲波的周期为T,脉冲宽度为Ton,这个高频脉冲波经滤波电路滤波后输出如图1(b)所示的直流电压V0,输出的直流电压V0可以用式(1-1)计算,可见当输入直流电压Vi发生变化时,改变Ton/T的比值,使Ton/T与Vi的乘积保持不变,就可以使输出直流电压保持不变,从而实现输出直流电压稳压的控制目的。
V0=(Ton/T)*Vi(1-1)
在一个电子开关周期(T)内,电子开关的接通时间Ton与一个电子开关周期T所占的时间比,称为脉冲占空比(D),D=Ton/T,如图2所示,开关周期是开关频率的倒数。
例如,一个开关电源的工作频率是50kHz,它的开关工作周期T=1/50000=20us。
很明显,脉冲占空比(D)越大,输出的直流电压V0越高。
提高开关工作频率对实现开关电源高频变压器的小型化很有帮助,但是提高开关工作频率,使开关电源中的开关功率管、高频变压器、控制集成电路,以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。
对于不同的变换器形式,可用的脉冲占空比大小是不一样的。
在实用中根据改变脉冲占空比D的实现方式不同,开关电源有PWM(脉宽调制控制)、PFM(脉冲频率调制)和PFM/PWM(脉冲调频、调宽)实现方式。
在PWM实现方式中,利用开关工作频率不变,利用改变开关工作导通时间Ton的方法来改变脉冲占空比D,从而实现输出直流电压稳压的目的。
而在PFM工作方式中,利用保持开关工作导通时间Ton不变,而改变脉冲开关工作频率(周期)的方法来改变脉冲占空比D,从而实现输出直流电压稳压的目的。
而在PFM/PWM实现方式中,利用既改变脉冲开关导通时间Ton,又改变脉冲开关工作频率(周期)的方法来改变脉冲占空比D,从而实现输出直流电压稳压的目的。
以上几种输出直流电压稳压的实现方法在开关电源中都有所应用。
1.1.2开关电源基本构成
开关电源的基本构成如图1所示,其中DC/DC变换器用以进行功率转换,它开关电源的核心部分,此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。
输出采样电路(R1、R2)检测输出电压变化,并与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。
DC/DC变换器有多种电路形式,常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。
对于串联线性稳压电源,输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。
但对于开关型稳压电源,输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。
提高开关频率的同时,由于反馈放大器的频率特性得到改善,开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。
负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定,所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。
1.1.3开关电源分类
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类。
作为二次电源的DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可。
但一次电源AC/AC,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到了较为复杂的技术问题和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源的结构和特性加以阐述。
1.DC/DC类开关电源
DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波器。
斩波器的工作方式有两种:
一是脉宽调制方式T不变,改变频率调制方式t(通用);
二是频率调制方式t不变而改变T(易产生干扰)。
其具体的电路有以下几类:
①Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压UD,极性入出相同;
②Boost电路——升压斩波器,其输出平均电压U0大于输入电压UD,极性入出相同;
③Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压UD,极性入出相反,电感传输;
④Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压UD,极性入出相反,电容传输。
当今软开关技术使得DC/DC变换器发生了质的飞跃。
美国VICOR开关电源公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为6.2W/cm3、10W/cm3、17W/cm3,效率为80%~90%。
日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200~300kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。
2.AC/DC变换器
AC/DC变换器是将交流变换为直流,其功率电流流向可以是双向的。
功率电流流向负载的变换称为“整流”,功率电流由负载传输回电源的称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,必须经整流、滤波,相对来说体积较大的滤波电解电容器是必不可少的。
同时,因遇到安全问题,如UL、CCEE等标准及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入则必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制了AC/DC电源的体积进一步小型化。
另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题的难度加大,也就对内部高密度安装电路的设计提出了很高的要求。
由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程。
因此,必须采用电源系统化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换器按电路的接线方式可分为半波电路和全波电路;
按电路的控制特点可分为不可控、半控和全控三类;
按电源相数可分为单相、三相和多相;
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。
3.电路结构
开关型稳压电源的电路结构有多种:
①按驱动方式分,有自励式和他励式;
②按DC/DC变换器的工作方式分,有单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等;
③按电路组成分,有谐振型和非谐振型;
④按控制方式分,有脉冲宽度调制(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式和PWM与PFM混合式;
⑤按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分,有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。
以上这些方式的组合构成多种方式的开关型稳压电源。
因此设计者需根据各种方式的特征进行有效的组合,制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。
1.2开关电源的拓扑结构
开关电源的拓扑结构是指功率变换电路的结构,也就是DC/DC变换器的结构。
拓扑结构不同,与之配套的PWM控制器类型和输出整流/滤波电路也有差异。
拓扑结构也基本决定了开关电源的工作原理及输出特性。
本节将对开关电源常用的拓扑结构及工作原理进行详细介绍,以便读者在设计、制作开关电源时选用。
1.2.1降压式变换器
降压式变换器亦称Buck变换器,是最常用的DC/DC变换器之一。
降压式DC/DC变换器能将一种直流电压变换成更低的直流电压。
例如它可将+24V电源变换成+15V、+12V或+5V电源,并且在变换过程中的电源损耗小,在分布式电源系统中经常会用到。
1.降压式DC/DC变换器的拓扑结构
降压式DC/DC变换器的拓扑结构如图1-2-1所示。
图中的开关S用来等效功率开关管,Ui为直流输入电压,U0为直流输出电压,VD为续流二极管,L为输出滤波电感(也称储能电感),C为输出滤波电容。
当S闭合时除向负载供电之外,还有一部分电能储存于电感L和电容C中,L上的电压为UL,其极性是左端为正、右端为负,此时续流二极管VD截止。
当S断开时,L上产生极性为左端负、右端正的反向电动势,使得VD导通,L中得电能继续传送给负载和电容C。
降压式DC/DC变换器在功率开关管导通时向负载传输能量,属于正激式DC/DC变换器。
2.降压式DC/DC变换器的工作原理
降压式DC/DC变换器可用一只NPN型功率开关管VT(或N沟道功率场效应管MOSFET)作为开关器件S,在脉宽调制(PWM)信号的控制下,使输入电压交替地接通、断开储能电感L。
降压式的变换器的简化电路图如图1-2-2(a)所示,脉宽调制信号控制功率开关管VT的导通与截止。
图1-2-2(b)、(c)显示出了开关闭合、断开时的电流路径。
当开关闭合时续流二极管VD截止,由于输入电压Ui与储能电感L接通,因此输入-输出压差(Ui-Uo)就加在电感L上,使通过L的电流IL线性的增加。
在此期间除向负载供电以外,还有一部分电能储存在L和C中,流过负载RL的电流Io,如图1-2-2(b)所示。
当开关断开时,L和Ui断开,但由于电感电流不能在瞬间发生突变,因此在L上就产生反向电动势以维持通过电感的电流不变。
此时续流二极管VD导通,储存在L中得电能就经过由VD构成的回路向负载供电,维持输出电压不变,如图1-2-2(c)所示。
开关断开时,C对负载放电,这有利于维持Uo和Io不变。
降压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图1-2-3所示。
PWM表示脉宽调制波形,T为周期,t为功率开关管VT的导通时间,D为占空比,有关系式:
D=t/T.UE为VT的发射极电压。
Ic为VT的集电极电流,IF为续流二极管VD的正向电流,IL为电感电流。
图1-2-3中得Ic和IF是连续模式时的电流波形,不连续模式下得电流波形参见图1-2-3中的Ic和IF。
降压式DC/DC变换器既可工作在连续模式,亦可工作在不连续模式。
不同工作模式下储能电感的电流波形如图1-2-4所示。
由图可见,在开关闭合期间(ton),电感电流IL是沿斜坡上升的;
在开关断开期间(toff),电感电流沿斜坡下降。
如果在开关断开期间电感的电流没有下降到零,下个周期开关闭合时,电流就会重新上升,电感中得电流是连续的,不会中断,称之为连续模式,见图1-2-4(a).如果在开关断开期间电感的电流已经下降到零,下个周期开关闭合时,电流就会从零开始上升,电感中的电流是断续的,称之为不连续模式,见图1-2-4(b)。
DC/DC变换器的输出电流Io为储能电感电流IL的平均值。
电感电流波形中峰值与谷值之间的差值就是电感纹波电流。
为减小输出电流的纹波,L应选得足够大,使DC/DC变换器工作在连续模式。
通常纹波电流应小于额定输出电流的20%~30%。
降压式DC/DC变换器具有以下特点:
(1)输出电压Uo与Ui的关系为Uo=Ui*D。
通过控制占空比D的大小就能改变输出电压。
因为D<
1,因此有Uo<
Ui,故称之为降压式,它具有降低电压的作用。
(2)输出电压与输入电压的极性相同。
(3)功率开关管VT的最大电压Uce=Ui。
(4)最大集电极电流Ic=Io。
(5)续流二极管上的电流IF=(1-D)*Io。
(6)续流二极管的反响电压UR=Ui。
降压式DC/DC变换器只能降低输入电压,若输入电压低于所要求的输出电压,则DC/DC变换器不能工作。
降压式DC/DC变换器可以由分立元件和PWM控制器构成,也可以选择集成电路产品。
典型的集成电路产品有LM2576、MAX639、L4960、L4970A等。
其中,LM2576的外围电路最简单。
1.2.2升压式变换器
1.升压式DC/DC变换器的拓扑结构
升压式DC/DC变换器简称Boost变换器,其拓扑结构如图1-2-2-1所示。
Ui为直流输入电压,Uo为直流输出电压,开关S代表功率开关管,VD为续流二极管,L为储能电感,C为输出滤波电容。
当S闭合时,电感L上有电流通过而储存电能,电压极性是左端为正、右端为负,续流二极管VD施加反向电压而截止,此时C对负载放电。
当S断开时,L上产生的反向电动势极性是左端为负、右端为正,使得VD正向导通。
L上储存得能量经过VD对C进行充电,同时给负载供电。
升压式DC/DC变换器在功率开关管关断时向负载传输能量,属于反激式DC/DC变换器。
2.升压式DC/DC变换器的工作原理
升压式DC/DC变换器的简化电路如图1-2-2-2(a)所示,脉宽调制信号控制功率开关管VT导通与截止。
图1-2-2-2(b)、(c)中用开关S等效功率开关管VT导通与截止,并显示出了开关闭合、断开时的电流路径。
当开关S闭合时,整流二极管VD截止,输入电压经过电感L后直接返回,这导致通过电感电流IL线性地增大。
此时输出滤波电容C向负载放电,负载RL上的电流Io,见图1-2-2-2(b)。
当开关断开时,由于电感电流不能在瞬间发生突变,因此在L上就产生反向电动势UL以维持IL不变。
此时整流二极管VD导通,UL就与Ui串联后,以超过Ui的电压向负载提供电流,并对输出滤波电容C进行充电,见图1-2-2-2(C)。
升压式DC/DC变换器的最大可用总功率等于输入电压乘以最大平均输入电流。
由于升压式DC/DC变换器的输出电压比输入电压高,因此输出电流必然低于输入电流。
升压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图1-2-2-3所示。
PWM表示脉宽调制波形,T为周期,t为功率开关管VT的导通时间,占空比D=t/T。
Uc为功率开关管VT的集电极电压。
Ic为VT的集电极电流。
IF为整流二极管VD的正向电流,IL为电感电流。
升压式DC/DC变换器具有以下特点:
(1)输出电压Uo与Ui的关系为Uo=Ui/(1-D)。
1,因此有Uo>
Ui,故称之为升压式,它具有升高电压的作用。
整流二极管VD的压降通常可忽略不计。
(3)功率开关管VT的最大电压Uce=Uo。
(4)最大集电极电流Ic=Io/(1-D)。
(5)整流二极管的电流IF=Io。
(6)整流二极管的反向电压UR=Uo。
升压式DC/DC变换器的典型产品有MAX770、MAX1771、LM2577等。
1.2.3反激式变换器
反激式DC/DC变换器亦称回扫式变换器(FlybackrdConverter)。
凡是在功率开关管截止期间向负载输出能量的统称为反激式变换器,反激式DC/DC变换器是开关稳压器及开关电源最基本的一种拓扑结构。
其应用领域非常广泛。
许多设计软件将反激式设置为默认的拓扑类型。
1.反激式DC/DC变换器的拓扑结构
反激式DC/DC变换器的拓扑结构如图1-2-3-1所示。
Ui为直流输入电压,Uo为直流输出电压,T为高频变压器,Np为一次绕组,Ns为二次绕组。
V为功率开关管MOSFET,VD为输出整流二极管,C为输出滤波电容。
高频变压器的一次绕组与二次绕组的极性相反,同名端位置如图所示。
当功率开关管V导通时,如图1-2-3-1(a)所示,一次侧有电流Ip产生,以电感的形式将能量储存在一次绕组中。
此时二次绕组的电压极性是上端为负、下端为正,使VD截止,没有输出电流。
当功率开关管V截止时,如图1-2-3-1(b)所示,一次侧绕组电流突然中断,根据电磁感应的原理,此时在一次绕组上会产生感应电压(也称为反射电压)UoR。
同时,二次绕组产生感应电压Us,其极性是上端为正、下端为负,因此VD导通,从而产生二次绕组电流Is,经过VD整流、C滤波后获得输出电压Uo。
2.反激式DC/DC变换器的工作原理
反激式DC/DC变换器的简化电路如图1-2-3-2(a)所示,脉宽调制信号控制功率开关管VT的导通与截止。
图1-2-3-2(b)、(c)中用开关S等效功率开关管VT导通与截止,并显示出了开关闭合、断开时的电流路径。
当S闭合时,输入电压加在一次电感Lp上,一次电流Ip逐渐增大,并在电感中储存能量。
此时由电容C对负载放电,负载电流Io;
当S断开时,二次产生电流Is,Is经过整流二极管VD向输出电容C和负载RL供电。
通过控制功率开关管的导通与关断时间,即可使输出电压(即滤波电容两端的电压)Uo维持恒定。
在反激式DC/DC变换器中,高频变压器一次绕组的同名端与二次绕组的同名端位置相反。
就是说,当功率开关管导通时,将能量储存在高频变压器中,此时二次侧整流二极管VD截止;
当功率开关管截止时再将能量传输给二次侧,此时整流二极管VD才导通。
高频变压器就相当于一个储能电感,在每个开关周期内不断地储存能量和释放能量。
反激式DC/DC变换器的电压及电流波形如图1-2-3-3所示。
Ic为VT的集电极电流,即一次侧绕组电流Ip。
IF为整流二极管VD的正向电流,即二次绕组电流Is。
Us为二次绕组两端的电压。
反激式DC/DC变换器可工作在连续模式(二次绕组电流总大于零)或不连续模式(在每个开关周期中时二次绕组的电流都下降至零)。
图中的Ic和IF是不连续模式的电流波形。
连续模式下得电流波形参见图1-2-3-3中的Ic和IF。
反激式DC/DC变换器主要有以下特点:
(1)输出电压Uo与Ui的关系为
可以看出,反激式DC/DC变换器的输出电压Uo不但与输入电压Ui和占空比D有关,还与脉宽调制周期T、负载电阻RL和一次电感量Lp有关。
因此,反激式变换器要求占空比D要有很大的调整范围,才能保证在负载电流变化时保持输出电压稳定。
通常,这类变换器还需要一个最小负载RL,以避免电路空载运行导致输出电压过高或振荡。
(2)功率开关管VT的最大电压
Uce=Ui+(Np/Ns)Uo
其中