基于TL494逆变电源设计.docx
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基于TL494逆变电源设计
基于TL494逆变电源设计
摘要
本设计主要应用开关电源电路技术有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片TL494的固定频率脉冲宽度调制电路及场效应管（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。
该逆变电源的主要组成部分为：
DC/DC电路、输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、DC/AC变换电路、振荡电路、全桥电路。
在工作时的持续输出功率为150W，具有工作正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。
该电源的制造成本较为低廉，实用性强，可作为多种便携式电器通用的电源。
关键词：
过热保护，过压保护，集成电路，振荡频率，脉宽调制
InverterPowersupplyDesignBasedonTL494
ABSTRACT
Thedesignapplyingtheswitchingpowersourcecircuittechnologyinconnected.Relatingwithknowledgeaboutwhatimitateintegratedcircuit、powersourceintegratedcircuit、poweramplificationintegratedcircuitandswitchingregulatedvoltagecircuitonprinciple.SufficientapplychipTL494fixed-frequencypulsewidthmodulationcircuitandfieldeffecttransistor（NchannelstrengthenMOSFET）whoseswitchspeedquick,nothingsecondaryBreakdownandhotstabilitygoodmerittodesigncircuit.OwetheinvertermainpartingredientbyDC/DCcircuit、importingtheover-voltagecrowbarcircuit、exportinganover-voltagecrowbarprotectacircuit、overheatprotectivecircuit、DC/ACshiftscircuit、oscillatingcircuitandentirebridgecircuit.Continuingforduringtheperiodofthejobexportspowerfunctionssuchasbeing150W,havingtheregularguidinglightsworking,exportinganover-voltagecrowbar,importingtheover-voltagecrowbarandoverheatprotective.Thecostofmanufacturebeingapowersourceofturniscomparativelycheap,thepragmatismisstrong,andithasafunctionannextothevariousportablytype.
KEYWORDS:
overheatprotective,over-voltageintegratedcircuit（IC）,oscillatingfrequency,pulsewidthmodulation（PWM）.
目 录
前 言
开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流—直流或直流—直流电能变换，通常称其为开关电源（SwitchedModePowerSupply-SMPS）。
其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。
彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。
开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。
开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有效率高和体积小、重量轻两个明显的优点。
因为具有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。
值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于5~10mV）的情况下，仍需要线性电源，由于大功率全功率非常大（1MW以上）时，仍需采用相控电源。
但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。
开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态，所以称为开关电源，其原理是用整流电路先把交流变成直流，再用开关管把直流电变成高频的直流电，这个高频直流在通过开关变压器时，在次级感应出交流电流，再通过整流滤波后，变成平稳的直流电，同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的比例（占空比）。
由于开关变压器的频率很高，同样的功率，体积可以做的很小，所以整个电源可以做到体积小重量轻。
开关电源能输出多种可控的直流电压供不同的电路使用。
目前逆变电源应用广泛，但是电路复杂，价格比较昂贵，为此设计一款逆变电源。
该电源主要应用开关电源电路技术的有关知识，涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片TL494的固定频率脉冲宽度调制电路[1]和场效应管[2]（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点与三极管一起构成的组合设计电路。
该逆变电源可将电瓶的12V直流电转换为220V/50Hz的交流电，供数码相机、CD机、MD唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品使用。
因此具有相当强的通用性。
该逆变电源在工作时的持续输出功率为150W，并且具有输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。
该电源的制造成本较为低廉，千台以上数量的批产成本仅在40元/台左右，并且当印制板的尺寸不受限制时，可以将输出功率做到200W以上，因此该逆变电源几乎可以替代目前市场上所售的各种逆变器或者逆变电源产品，其应用前景十分广阔。
第1章简介
1.1概述
逆变电源是将直流点逆变成交流电，本设计逆变电源工作是的持续输出功率为150W，并且具有输出过压保护以及过热保护等功能。
该电源的制作成本低，批量生产成本更低，并且当印制板尺寸不受限制时，可以将输出功率做到200W以上，因此该逆变电源的市场前景十分广阔。
本逆变电源可将电瓶的12V直流电转换为220V/50Hz的交流电，供数码相机、CD机、MD唱机、笔记本电脑、小型录像机、电动剃须刀、手机等便携式产品使用。
因此具有相当强的通用性。
第2章逆变电源原理与构成
2.1逆变电源的基本构成和原理
2.1.1逆变电源的基本构成和原理
以图2-1的单向桥式逆变电源为例说明其最基本的工作原理。
图中S1-S4是桥式电路的4个臂，他们由电力电子器件及其辅助电路组成。
当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正；带开关S1、S4断开，S2、S3闭合时u0为负，其波形如图2-2所示，这样就把直流点变成交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
这就是逆变电路的最基本得工作原理。
当负载为电阻时，负载电流i0和电压u0的波形形状相同，相位也相同，当负载为阻感时，i0相位滞后于u0，两者波形的形状也不同，图2-2给出的就是阻感负载时的i0波形。
设t1时刻以前S1、S4导通，u0和i0均为正。
在t1时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则u0的极性立刻变为负，但是，因为负载中有电感，其电流方向不能立刻改变而仍维持原方向，这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零，之后i0才反向并逐渐增大。
S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。
上面是S1S4均为理想开关时的分析，实际电路的工作过程要复杂一些。
图2-1逆变电路
图2-2逆变电路波形
1.本设计的基本构成及其原理
该设计电路的方框图如图2-3。
该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路I、220V/50KHz整流滤波、逆变电路II、输出过压保护电路等组成。
逆变电路I、逆变电路II的框图分别见图3、图4。
逆变电路又包括频率产生电路（50KHz和50HzPWM脉冲宽度调制电路）、直流变换电路（DC/DC）将12V直流转换成220V直流、交流变换电路（DC/AC）将12V直流变换为220V交流。
图2-3整机原理方框图
逆变电路I原理如图2-4所示。
此电路的主要功能是将12V直流电转换为220V/50KHz的交流电。
图2-4逆变I电路原理方框图
逆变电路II如图2-5所示。
此电路的主要功能是将220V直流电转换为220V/50Hz的交流电。
全桥电路以50Hz的频率交替导通，产生50Hz交流电。
图2-5逆变II电路原理方框图
2.电路工作原理
输入12V直流电源电压，经过逆变电路I得到220V/50KHz的交流电，此交流电再经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变II得到220V/50Hz交流电。
其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。
一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路立即启动，然后停止逆变电路I的工作。
过热保护电路是当电路工作温度过高时，启动保护使逆变电路I停止工作。
输出过压保护电路与逆变电路II构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变电路II的工作。
在逆变电路I中是用一块TL494芯片产生50KHz的脉冲频率，经过变压器推挽电路将12V直流转换成220V/50KHz的交流电。
在逆变电路II中再用一块TL494芯片产生50Hz的脉冲波，全桥电路以50Hz的频率交替导通，从而将220V直流和50Hz脉冲电路整合，然后输出220V/50Hz的交流电。
在该电路中都是利用TL494的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。
2.1.2逆变电源的技术性能指标及主要特点
1.输入：
12V直流（汽车蓄电池）。
2.输出：
220V交流（非正弦波）。
3.输出功率：
大于100W。
4.具有输入过压保护和输出过压保护。
5.有过热保护功能。
6.可作为多种电器的通用电源。
7.含有工作正常指示灯。
2.2逆变电源的主要元器件及其特性
2.2.1TL494电流模式PWM控制器
TL494是一种固定频率脉冲宽度调制电路[1]，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛用于单端正激双管式、半桥式以及全桥式开关电源。
TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。
1.主要特征
集成了全部的脉冲宽度调制电路。
TL494内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。
TL494内置误差放大器。
TL494内置5V参考基准电压源。
可调整死区时间。
TL494内置功率晶体管，可提供500mA的驱动能力。
有推或拉两种输出方式。
2.引脚设置及其功能
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡器、死区时间比较器、误差放大器（两个）、PWM比较器以及输出电路等组成，各引脚功能见表2-1。
表2-1TL494引脚功能表
引脚
符号
功能
典型电压
1
V1（+）
误差放大器1误差信号输入端（同相信号端）
2.6
2
V1（-）
误差放大器1误差信号输入端（反相信号端）
2.6
3
VOUTC
误差放大器1和2输出信号补偿元件连接段
4
4
CONT
死区控制信号输入端，所加控制电压可调输出脉冲宽度
0.3
5
CT
振荡器外接振荡电容连接端，与6脚外接的电阻一起可产生频率f=1.1/Rc的锯齿信号
0.4-4v
6
RT
振荡器外接振荡电阻连接端，见5脚说明
3.7
7
GND
基准电源电源电路接地线端
0
8
CA
推挽电路输出信号端A,输出电压可达40V,电流为200mA（反相输出）
0-15v
9
EA
推挽电路输出信号端A,属同相信号输出端
0
10
EB
推挽电路输出信号端B,属同相信号输出端
0
11
CB
推挽电路输出信号端B，输出电压可达40V，电流为200mA（反相输出）
与8脚等相位差180度的脉冲波
12
VccIN
工作电源电压输入端
25
13
OUTCON
输出方式设定信号输入端。
当该脚接基准电压是，输出呈推挽型，输出方波最大占空比为48％；当该脚接地是内部二个输出晶体管并联工作输出电流可达400mA，最大占空比为96％
5
14
+5
+5V基准电源输出端，可输出5V的基准参考电压
5
15
V2（-）
误差放大器2误差信号输入端（反相信号端）
5.4
16
V2（+）
误差放大器2误差信号输入端（同相信号端）
0
3.工作原理
TL494是一个固定频率PWM控制电路，其内部结构如图2-6所示。
TL494适用于设计所有的单端或双端开关电源电路，其主要性能如下：
图2-6TL494内部结构图
1.输入电源电压为7~40V，可用稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简化。
TL494末级的两只三极管在7~40V范围工作时，最大输出电流可达250mA。
因此，其带负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。
2.内部有5V参考电压，使用方便，当参考电压短路时，有保护功能，控制很方便。
3.内部有一对误差放大器，可做反馈放大及保护功能，控制非常方便。
4.在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中又需要方波人为不对称，即需控制方波的占空比。
通过对TL494的4脚控制，即可调节占空比，还可作输出软启动保护用。
5.可以选择单端、并联及交替三种输出方式。
TL494的1脚及2脚为误差放大器的输入端。
由TL494芯片构成电压反馈电路时，1、2脚上通过电阻从内部5V基准电压上取分压，作为1脚比较的基准。
3脚用于补偿校正，为PWM比较器的输入端，接入电阻和电容后可以抑制振荡，4脚为死区时间控制端，加在4脚上的电压越高，死区宽度越大。
当4脚接地时，死区宽度为零，即全输出；当其接5V电压时；死区宽度最大，无输出脉冲。
利用此特点，在4脚和14脚之间接一个电容，可达到输出软启动的目的，还可以供短路保护用。
5脚及6脚接振荡器的接地电容、电阻。
TL494内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如式2-1：
（2-1）
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而实现的。
三极管VT1和VT2受控于或非门。
当双稳态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时才会被选通。
当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入，其中一条送至死区时间比较器，另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%。
当输出端接地时，最大输出占空比为96%，当输出端接参考电平时，占空比为48%。
在死区时间控制端上接固定电压（在0-3.3V之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
PWM比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变为3.5V时，输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。
两个误差放大器具有从-0.3V到Ucc-2.0V的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流中察觉到。
误差放大器的输出端常处于高电平，它与PWM比较器反相输入端进行“或”运算。
正是由于这种电路结构，误差放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
当Ct放电时，一个正脉冲将出现在死区时间比较器的输出端，受脉冲约束的双稳态触发器进行计时，同时停止VT1和VT2的工作。
若输出控制端连接到参考电压上，那么调制脉冲交替送至两个三极管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。
如果工作于单端状态，且占空比小于50%时，则输出驱动信号可分别从VT1和VT2中取得。
输出变压器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下，当需要更大的驱动电流输出时，可将VT1和VT2并联使用，这时需将输出模式控制端接地，以关闭双稳态触发器。
在这种状态下，输出脉冲的频率将等于振荡器的频率。
TL494内置一个5V的基准电压产生电路，使用外置偏置电压时，可提供高达10mA的负载电流。
在典型的0℃~70℃温度范围和50mV电压的温漂条件下，该基准电压产生电路能提供±5%的精度。
表2-2TL494的极限参数
TL494的极限参数
名称
代号
极限值
单位
工作电压
Vcc
42
V
集电极输出电压
Vc1,Vc2
42
V
集电极输出电流
Ic1,Ic2
500
mA
放大器输入电压范围
Vir
-0.3v-+0.4V
V
功耗
Pd
1000
mW
热阻
Rbja
80
℃
工作结温
Tj
125
℃
工作环境温度
TL494B
TL494C
TL494I
NCV494B
Ta
-40-+125
0-+70
-40-+85
-40-+125
℃
额定环境温度
Ta
40
℃
2.2.2场效应管
场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件[3]，并以此命名。
由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单机型晶体管，场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达107-1012Ω，噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比后者耗电省，这些优点使之从20世纪60年代诞生起就广泛地应用于各种电子电路之中。
它分为结型和绝缘栅型两种不同的结构
场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。
它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件[3]。
其代表符号如图2-7。
这种器件不仅兼有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因此大大的扩展了它的应用范围，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。
MOSFET开关较快而无存储时间，故在较高工作频率下开关损耗较小，另外所需的开关驱动功率小，降低了电路的复杂性。
本设计采用的是N沟道增强型MOSFET。
只有在正的漏极电源的作用下，在栅源之间加上正向电压（栅极接正，源极接负），才能使该场效应管导通。
当
>0时才有可能有电流即漏极电流产生。
即当
时MOS管才导通。
图2-7MOSFET代表符号图
2.2.3三极管
本设计选用两种三极管，电路中有50KHz和50Hz两个频率，用于50KHz电路三极管选择为8550型[4]，8550型三极管是一种常用的普通三极管，它是低电压、大电流、小信号的PNP型硅三极管，集电极-基极电压Vcbo：
-40V，工作温度：
-55℃—+150℃主要用途：
开关应用和射频放大。
用于50Hz低频三极管选择KSP44型，它是NPN型三极管。
三极管工作状态有截止、放大、饱和。
此设计电路中运用三极管导通截止开关特性。
第3章各部分支路电路设计及其参数计算
3.1各部分支路电路设计及其参数计算
3.1.1DC/DC变换电路
由DC/AC和整流滤波电路组成[5]。
电路结构如图3-1，VT1和VT2的基极分别接TL494的两个内置晶体管的发射极。
中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。
此脉冲电压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。
变压器T1的工作频率选为50KHz左右[4]，因此T1可选用EI33型的高频铁氧体磁心变压器，变压器的匝数比为12／220≈0.05，变压器选择为E型，可自制。
经过实践调制选择初级匝数为10×2，次级匝数为190。
10/190≈0.05即满足变压器匝数比约为0.05。
电路正常时，TL494的两个内置晶体管交替道统，导致图中晶体管VT1、VT2的基极也因此而交替导通，VT3和VT4交替导通。
因为变压器选择为E型，这样使变压器工作在推挽状态，VT3和VT4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。
当VT1导通时，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。
当VT1导通时，VT2截止，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。
且交替导通时其峰值电压为12V，即产生了12V/50KHz的交流电。
当电路工作不正常时，TL494输出控制端为低电平时，TL494的两个内置晶体管的集电极（8脚和9脚）有12V正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。
VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管VT3、VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆变电源停止工作，LED指示灯熄灭。
极性电容C1滤去12V直流中的交流成分，降低输入干扰。
滤波电容C1可取为2200
。
R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7
。
整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。
四只整流二极管D1~D4接成电桥的形式，称单相桥式整流电路[2]。
在桥式整流电路中，电容C2滤去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路[2]知：
Td=RC≧（3
5）T/2（3-1）
当f=50KHz时，
，R=116
时，R为后继负载电阻，则C≥4.3
10-10F。
根据电容标称值选择C2为10
。
输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。
图3-1直流变换电路图
3.1.2输入过压保护电路
电路结构如图3-2，由DZ1、电阻R1和电阻R2、电容C1、二极管VD1组成。
输出端口接TL494芯片I的同相输入端（第1脚），通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制[6]，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。
因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。
VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电压过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿C1和R1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。
当C1和R1充电完成，C1和R2支路开始处于放电状态，当C1放电完成时，TL494芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致TL494芯片I的3脚即反馈输入端为高电平状态，进而导致TL494芯片内部的PWM比较器、或门、或非门的输出均发生翻转，TL494芯片内置功率输出级三极管VT1和VT2均转为截止状态。
此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。
同时TL494的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区
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