基于TL494恒流源的设计.docx

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基于TL494恒流源的设计

基于TL494的恒流源设计

电气工程及其自动化***0990641**指导老师：

***

摘要

现代电子设备中使用的直流稳流电源有两大类：

线性电源和开关电源。

开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。

开关恒流源是指通过对电流的采样以反映负载变化的情况，并调节变换器的脉宽（或占空比），相应地调整输出电压，保持输出电流不变。

通常恒流源采样电路采集的是输出的电流信号，但实际上采集的是经过I／V转换后反应电流大小的电压信号。

本文以TL494芯片作为PWM控制器，设计了一种采用半桥拓扑结构的恒流源。

其相关参数为交流220V输入电压，5A输出电流，24V开路电压。

重点介绍了该电源的设计思想，工作原理及特点。

在此基础上，对主电路和控制电路的参数进行了计算和选取，并根据既有实验条件，设计了一块电源板，同时给出了实验波形。

关键词：

TL494；半桥变换器；恒流源

Abstract

DCCurrentStabilizedPowerSupplyusedinthemodernelectronicequipmentisdividedintotwocategories:

linearpowersupplyandswitchpowersupply.Comparedwiththelinearpowersupply,switchingpowersupplyhaveadvantagesofefficiency,volume,weightandsoon,especiallyhighfrequencyswitchingpowersupplyisbecominglighter,smaller,moreefficientandreliable,whichmakesthehighfrequencyswitchingpowersupplybecomethemostwidelyusedpowersupply.Switchingconstant-currentsourcecanadjustpulsewidthandtheoutputvoltagebymeansofacurrentsamplingofreflectingthechangeofloadtokeeptheoutputcurrentconstant.Usuallytheconstant-currentsourcesamplingcircuitcollectstheoutputcurrentsignal.ButinfacttheacquisitionisthevoltagesignalwhichcanrespectthecurrentsizethroughtheI/Vconversion.Adesignoftheconstantcurrentsourceusingahalf-bridgetopologywithTL494chipasPWMcontrollerisintroducedinthispaper,ofwhichtheinputvoltageofAC220V,outputcurrentof5A,opencircuitvoltagevoltageof24V.Itmainlyintroducesthedesigningideaofthepowersupply,theworkingprincipleandcharacteristics.Parametersofthemaincircuitandcontrolcircuitwerecalculatedandselectedonthisbasis.Accordingtotheexistingexperimentcondition,apowerboardisdesignedwhiletheexperimentalwaveformsaregiven.

Keywords:

TL494;half-bridgeconverter;constantcurrentsource

第1章绪言

1.1课题研究背景和意义

21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。

其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠的工作。

电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。

电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。

现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：

线性稳压电源和开关稳压电源。

所谓线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。

由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。

另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要。

开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是随着脉宽调制技术和谐振变换技术的不断发展与成熟，高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。

正因为开关电源有着明显的优点,所以对它的研究有着重要的意义,这不仅是对自己所学知识的总结，培养自己各方面的能力，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。

1.2开关电源的现状和发展趋势

21世纪，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转化频率可达几百千赫。

为提高开关频率，必须采用高速开关器件。

对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。

它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式，目前这种谐振开关方式已经实用化。

目前在开关电源设计中要解决的问题有:

（1）器件问题：

电源控制集成度不高；

（2）材料问题：

开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管等都很笨重，也是耗能的主要根源；

（3）能源变换问题：

变换有几种形式：

AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换。

实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产；

（4）软件问题：

开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化；

（5）生产工艺问题。

由于元器件技术性能和焊接等生产工艺上的问题，往往会导致在生产上难以达到在实验室中难以达到的相关的相关技术指标。

开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面:

（1）小型化、模块化、高频化。

开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化，实质上就是尽可能地减小其中储能元件的体积。

在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及电压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此，高频化是开关电源的主要发展方向。

高频化是小型化和模块化的基础，模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电源的可靠性，简化生产与使用。

模块电源的并联串联和级联既便于用户使用，也便于生产。

（2）低噪声。

开关电源的缺点之一是噪声大。

单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。

采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

（3）高可靠性。

开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。

（4）智能化。

智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。

采用计算机辅助和控制设计以设计出最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。

在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时监测、记录并自动报警等。

1.3开关电源的分类

开关电源可按不同的标准来分类：

1.按输入输出是否隔离划分：

隔离式和非隔离式开关变换器。

隔离式是高频变压器将变换器的一次侧与二次侧隔离，主要结构有单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽变换器、半桥式变换器、全桥式变换器非隔离式开关变换器。

非隔离式在电气上输入与输出不隔离的，输入与输出共用一个公共端，主要有BUCK变换器、BOOST变换器、CUK变换器等。

2.按激励方式，开关电源可分为自激式和他激式。

在自激式开关电源中，由开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，类似于间歇振荡器；而他激式开关电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止，使开关电路工作并有直流电压输出。

3.按调制方式，开关电源可分为脉宽调制（PWM）方式、脉频调制（PFM）方式和混合型调制开关电源。

PWM是通过改变开关脉冲宽度来控制输出电压稳定的方式，而PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，将误差值放大后去控制开关脉冲周期使输出电压稳定。

混合型调制开关电源电路通过调节脉冲宽度和频率实现对输出电压和电流进行调节。

4.开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。

5.按软开关方式分，开关电源有电流谐振型、电压谐振型、E类与准E类谐振型和部分谐振型等。

从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：

功率级和控制级。

功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。

1.4恒流源的设计思想

开关电源设计总是先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来就是设计总体和辅助功能，最后进行测试和设计优化的。

开关电源是由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。

输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。

高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。

而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。

反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。

控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。

而功率开关管是由控制器PWM控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。

恒流和恒压的关系十分密切，两者相辅相成并可互相转化。

恒流源和恒压源在电路上的差别反应在两者的采样电路采集的对象不一样。

恒压源为了保持输出电压的恒定，需要实时对输出电压跟踪、控制，在负载变化的情况下使输出电压不随负载的变化而变化，而恒流源是指在负载变化的情况下，控制器能根据负载的变化相应调整输出电压．保持输出电流不变，恒流源采样电路采集的是输出的电流信号，但实际上采集的是经过I／V转换后反应电流大小的电压信号。

简单地说，开关恒流源的工作原理是：

1.交流电源输入经整流滤波成直流；

2.通过高频PWM信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；

3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载；

4.输出部分通过电流采样电路反馈给控制电路，可以通过采样电阻RS将电流的变化转化为电压的变化，通过PWM控制芯片调节占空比,以调节其输出电压，从而达到恒流的目的。

RS可以用康铜丝。

由于电流采样电阻是在驱动回路之中，防止由噪声引起的误动作，在电流信号输入端可以采用适当的RC滤波器。

图1.1开关电源模块功能图

1.5本文研究的主要内容

本课题研究基于TL494恒流源的实现方法，采用了AC／DC／AC／DC变换方案，并按照设计指标要求进行电路的设计与仿真。

具体要求如下：

1学习并了解恒流源的相关概念和原理；

2熟悉Protel软件的使用方法；

3构建基于TL494的恒流源系统；

4收集在完成课题过程中遇到的问题和对问题的解决方法以及新的心得体会。

主要技术指标

设计要求：

输入：

交流电压220V，50Hz；

输出：

电流5A，开路电压24V；

效率：

η>80%

1.6本章小结

本章主要介绍了本课题的研究背景,以及开关电源的现状和发展趋势和，并介绍了恒流源的基本原理，从整体上了解恒流源的设计思路和一般方法。

第2章单元电路的设计

2.1主电路设计

开关电源的功率主电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率

变换电路、输出整流滤波电路组成。

主电路的设计首先要进行电路拓扑结构的选择，并结合电路参数的计算，设计出合理的方案。

2.1.1硬开关DC/DC变换器的设计

开关电源的高频变换电路形式很多，一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。

单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60％降额使用，则使开关管不易选型。

在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。

双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60％降额使用，选用开关管也比较容易。

一般在小功率场合可选用反激式。

稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态相同。

大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。

正激有等效占空比小、副边二极管电压应力高、输出电流脉动大等缺点。

半桥结构波形对称电流纹波小，但是效率低。

其次半桥电路克服了推挽式电路的缺点，所使用的功率晶体管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小。

对输入滤波电容使用电压要求也较低。

由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

本文输入为交流220V电压，由于容性负载，经全波整流后，直流电压

约为300V，加上变压器的漏感尖峰及线电压的扰动，会导致MOS管电压应力过高。

图2.1各种隔离拓扑应用的电压范围

对于本文恒流源设计的标准，选择半桥结构作为主电路直流变换器的拓扑。

在半桥式功率变换电路中的功率开关管MOSFET输入阻抗很高且是电压控制器件，所需驱动电流小，其开关时间以纳秒计且不受温度变化的影响。

导通电阻R的温度系数为正，当Ｒ随温度升高而增大时电流自动减小，这使其本身就具有自动均流能力。

电路中的

分压电容起着较强的不平衡作用。

半桥型开关电路由于两管开关导通时间不对称而造成变压器一次侧的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁现象。

由于TL494中存在死区时间，也不存在由于两个MOS管共同导通而损坏功率管的情况。

图2.2半桥电路结构电路图

电路的工作过程大致如下：

（1）输入电源Ui首先对电容器C1、C2进行充电，当控制开关V1开通V2关断时，电容器C1两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的两端，电容器C1将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电。

此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。

（2）V1关断，V2关断，此时变压器副边两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态，原边绕组也相当于短路状态。

（3）V1关断，V2开通。

电容器C2两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组两端，电容器C2也将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电。

此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。

副边两个二极管完成换流。

由于输入电源Ui直接与串联电容器C1和C2连接在一起，因此在任一时刻，当一个电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。

电容器C2放电电流的方向正好与电容器C2放电电流的方向相反，因此，在变压器初级级线圈绕组的两端电压是一个脉冲宽度与控制开关V1（或V2）接通时间对应的方波。

半桥电路工作波形图如图2.3所示

图2.3半桥电路工作波形图

由于两个电容连接点的电位是随V1、V2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值。

在变压器原边线圈中加一个串联电容C3，则当浮动不满足要求时，与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉，这样在晶体管导通期间，就会平衡电压的伏秒值，达到消除偏磁的目的。

从半桥电路结构上看，选用桥臂上的两个电容C1、C2时，需要考虑电容的均压问题，尽量选用C1=C2的电容。

一般情况下，还要在两个电容两端各并联一个电阻（原理图中的R1和R2）并且R1=R2进一步满足要求。

电阻上流过的电流应比电容器的漏电流大5倍以上来选择电阻，以避免漏电流偏差影响均压，此时在选择阻值和功率时需要注意降额。

2.1.2整流电路

主电路中有两处用到整流电路，交流侧一般采用单相桥式整流电路，阀侧输出整流电路可选用全波整流电路。

1.交流侧单相桥式整流电路

整流电路中采用四个快恢复二极管组成桥式整流，将输入220V交流电压经桥式整流滤波后获得+300V左右的直流电压。

滤波电容两端的波形，与电源内阻，电阻，电容，负载大小都有关系。

220V交流输入时市电整流后直接接滤波电容，以得到波形较为平直的直流电压。

图2.4输入整流滤波电路工作原理图

2.副边整流电路

选择副边整流电路主要是考虑以下几点：

（1）根据输出电压的高低，考虑管子的安全问题；

（2）功率损耗的问题，主要是开关管和副边绕组的损耗问题；

图2.5单相全波整流电路

在整流电路的设计时，采用全波整流方式。

全波整流电路的优点是变压器输出功率的利用率为100％，整流电路使用的器件数少，结构简单，通态损耗小，输出直流电压中的纹波电压较低。

缺点是高频开关变压器必须加工有中心抽头。

在整流二极管的两端并联有一电阻和电容串联的电路，其作用是滤除高频杂波信号。

C21的作用是滤除交流信号。

电感L对直流电无电压降，对交流电能够储藏能量。

利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，从而得到比较平滑的直流。

电容C22为二次滤波电容，用来再次滤除交流信号。

2.1.3EMI滤波器的设计

EMI滤波电路主要是为了滤除来自市电电网的突发脉冲和高频干扰，同时将自身产生的电磁辐射降到最低。

电源噪声是电磁干扰的一种，它属于射频干扰，其传导噪声的频谱大致是为10KHz~30MHz，最高可达150MHz。

根据传播方向的不同，电源噪声可以分为两大类：

一类是从电源进线引入的外界干扰；另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。

这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰对象，又是一个噪声源。

若从形式特点看，噪声干扰分差模干扰与共模干扰两种。

差模干扰是两条电源线之间的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地的噪声。

因此，EMI滤波器应符合电磁兼容性的要求，也必须是双向频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引出的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

在一般情况下，差模模幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。

解决这个问题最有效的方法是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。

它的作用就是抑制干扰信号的通过。

为此设计了下图所示的滤波器。

如图2.6所示。

图2.6主电路滤波设计

其中L1、L2为共模扼流圈，由于它的两个线圈匝数相等，这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用；而对于共模干扰信号，能够得到一个大的电感量呈现高阻抗，以获得最大的滤波效果，因此对其有良好的抑制作用。

它的线圈绕在低损耗、高磁导率的铁养体磁环上。

为确保两个线圈的绝缘，需分别绕在磁环的两侧。

C1和C2主要用来滤除差模干扰。

C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接通大地，能有效地抑制共模干扰。

在这里选择L1、L2为20mH。

C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01μF～0.47μF,主要用来滤除差模干扰。

C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。

C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1μF。

为减小漏电流，电容量不得超过0.1μF，并且电容器中点应和大地接通。

C1～C4的耐压值均为DC630V或AC250V。

在选择滤波元件时,一定要保证输入滤波器谐振频率低于开关电源的工作频率。

由于随着电源工作频率的升高,滤波器对运行噪声将更容易抑制,所以设计中要注意滤波器在工作频率低时的抑制效果。

此次参数选取均在要求范围内，可以有效的滤波。

2.1.4输出滤波电路

本文采用LC滤波电路。

与RC滤波电路相比，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。

其电路图见图2.7

图2.7LC滤波电路

2.2控制电路的设计

本系统脉宽控制芯片选用TLL494芯片。

TL494是美国德克萨斯仪器公司开发的一款高性能固定频率的电压驱动型PWM脉宽调制控制电路，具有功能完善、工作性能稳定、驱动能力强等优点。

它包含了控制开关电源所需的全部功能，可作为单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源的控制器。

TL494广泛于1000W以下的大功率开关电源中，它既可以驱动150W以下的单端式开关电源，也可以驱动300~1000W的桥式和半桥式电路。

现结合电路的工作特点，通过对电路要点的剖析，来阐述基于TL494芯片PWM控制电路检测的方法和技巧。

2.2.1关于PWM控制芯片TL494的介绍

1.TL494的电路结构

TL494是有16引脚双列直插式塑料封装集成芯片，集成了全部的脉宽调制电路，内置+5V参考基准电压源、欠压保护电路、线性锯齿波振荡器，外置振荡元件一个电阻RT和一个电容CT、脉宽调制比较器、死区时间比较器、触发器、两个误差放大器以及输出控制器等电路组成。

具有其工作频率可在1~300kHz之间任选且输出电压高达40V，输出电流为250mA。

输出方式有推拉或单端两种。

图2.8TL494各脚功能与典型简化方框图

2.TL494各引脚功能及有关参数

（1）1与2脚分别为误差放大器1#的同相输入端和反相输入端，耐压值41V。

（2）3脚为脚为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输出控制特性，也就是就在两个放大器中，输出幅度大者起作用。

当3脚的电平变高时，TL494送出的驱动脉冲宽度变窄；当3脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽。

同时在2、15脚间接入RC频率校正电路和直流负反馈电路，稳定误差放大器