TL494的微机开关电源设计上海交大.docx

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TL494的微机开关电源设计上海交大

论文

基于TL494的微机开关电源设计

摘要

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。

开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低,又笨又重的线性电源。

电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT[1]和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。

开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。

微机的电源通常采用脉宽调制式开关稳压电源，这种电源具有功耗小、转换效率高、工作可靠、保护完善和稳压范围宽等特点，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。

本课题介绍了一种基于PWM[2]技术的半桥式微机开关稳压电源，它是通过用双端驱动集成电路——TL494输的PWM脉冲控制主开关的导通来控制直流输出的。

本文给出了微机开关稳压电源的交流输入整流滤波电路、辅助电源电路、PWM控制及驱动电路,多路直流输出电路、自动稳压控制电路的详细设计方法及设计思路，并附有详细的电路图。

关键词：

IGBT，PWM，开关电源，驱动电路，整流

DESIGNOFAMICRO-COMPUTERSWITCHING

POWERSUPPLYBASEDONTL494

ABSTRACT

Withthedevelopmentofswitchingpowersupplyinthefieldofcomputer,correspond,aviationandastronautics,instrumentappearanceandelectricalproductionetc,thedemandoftheproductionareincreasingaspeopleneed,andpeoplehavebroughtforwardhigherrequesttoaspectsuchasthepowerefficiency,bulkfactor,andreliability.Theswitchpowernotonlyvolumeissmallbutalsoefficiencyisheight,weightmakeslight,whicharesubstitutingtheinefficient,bothstupidandseriouslinearitypowerinmanyaspectsstepbystep.

Withtheelectricpowerelectronictechnologydevelopment,especiallyhighefficiencydeviceofIGBTandtheMOSFETrapiddevelopment,theswitchingpower’sperformancedevelopvariousanditscostisbecomingcheaperandcheaper,peoplecouldacceptthenewswitchingpower.Theinformationtechnologydevelopmentalsosetahigherrequesttothepowersourcetechnology,thuspromotedtheswitchingpowertechnologydevelopment.

Themicrocomputerpowerusuallyadoptspulsewidthmodulationswitchingpowersupply.ThissubjectintroducesakindofPWMtechnologybasedonhalfbridgetypemicrocomputerswitchingpowersupply.ItisthroughtheuseofdriveICTL494controlofthepulseofPWMswitchconductiontocontroldcoutput.Inthispaperthemicrocomputerswitchingpowersupplyfiltercircuits,auxiliarypower,PWMcontrolanddrivecircuit,multi-channelDCvoltageoutputcircuit,automaticcontrolcircuitofdetaileddesignmethodanddesignideas,anddetailedcircuit.

KEYWORDS:

IGBT，PWM，switchingpower,drivecircuit，rectify

前言

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。

1994年我国原邮电部作出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。

开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。

目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。

国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。

国外的一些大公司，像美国IR公司对开关电源研究从70年代就开始了，现在他们的技术已经相当的成熟了，如在开关管这方面，IR公司开发的一种新型IGBT开关管，其沟槽（Trench）原胞密度已达每平方英寸1.12亿个的世界最高水平，通态电阻R可达3毫欧。

我们国内的开关电源和国外还有相当的一段差距。

电源是电脑系统的动力基础，是电脑主机配件的动力源泉。

电源输出的电流好坏，直接影响电脑主机各配件性能的发挥和使用寿命，随着近年各种硬件设备频率、速度和功耗的提高，电源对于整个系统稳定性的影响也越来越大。

微机开关电源[3]的核心部件是高频开关和主变压器，而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。

本文介绍了一种基于PWM技术的半桥式微机开关稳压电源，它是通过用双端驱动集成电路——TL494输的PWM脉冲控制主开关的导通来控制直流输出的。

本文给出了微机开关稳压电源的详细电路图，并且每部分都附有详细的分析，说明了各部分的工作原理。

第1章开关电源的发展

1.1开关电源概述

1.1.1开关电源的工作原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。

图1-1开关电源的工作原理

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：

（1-1）

式中，T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。

开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：

　　　　　　　　　　　　Uo=Ui*D　（1-2）

由式（1-1）和式（1-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。

T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM）。

由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。

若保持TON不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制（PFM）。

由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。

既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。

在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。

1.1.2开关电源的组成

开关电源的基本组成如图1-2所示。

其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。

图1-2开关电源的基本组成

AC/DC变换器也有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

　　开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标[4]也能得到改善。

开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。

1.1.3开关电源的特点

开关电源具有如下特点：

（1）效率高。

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可达90%以上。

（2）重量轻。

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了。

　　（3）稳压范围宽。

开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。

（4）安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。

　　（5）功耗小。

由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

1.2开关电源的分类

开关电源的分类方法有很多，下面介绍几种常见的分类方法。

按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制（PWM）式、脉冲频率调制（PFM）式和脉冲调频调宽式三种。

按开关电源的触发方式分类,可分为自激式开关电源，自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。

在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。

　　它激式开关电源，它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

按电路的输出取样方式分类，可分为直接输出取样开关电源，间接输出取样开关电源；开关电源按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源。

1.3开关器件的分析

1.3.1开关器件的特征

同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：

（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。

（2）开关器件一般都工作在开关状态，导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。

　　（3）开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。

作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。

（4）电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。

（5）为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。

导通时，器件上一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗[5]时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。

对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。

1.3.2电力二极管

电力二极管可分为普通二极管,快恢复二极管,肖特基二极管三种。

　普通二极管又称为整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高的整流电路中。

其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。

其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。

快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。

快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PNP结型结构，有的采用改进的PIN结构。

采用外延型PIN结构的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes，FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。

快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，有的甚至达到20~30ns。

　　以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管。

肖特基二极管的优点很多，主要是：

反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

肖特基二极管的不足之处是：

当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

1.3.3电力场效应晶体管MOSFET

　　电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。

其特点是：

用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电源电子装置。

电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，如图1-27所示。

其中G为栅极，S为源极，D为漏极。

　　电力MOSFET的工作原理是：

在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过；在导电状态，在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。

图1-3电力MOSFET的结构和电气图形符号

第2章主要开关变换电路

2.1推挽开关变换电路

图2-1为推挽开关变换电路的示意图。

脉冲变压器初、次级都有两组对称的绕组，其相位关系如图所示，开关管用开关S表示。

如果在S1、S2基极加入时序不同的正向驱动脉冲，加到S1基极的驱动脉冲t1使S1导通，待t1过后，驱动电路输出t2，再使S2导通。

两者交替导通，通过变压器将能量传到次级电路，使V1、V2轮流导通，向负载提供能量。

由于S1、S2导通电流方向不同，形成的磁通方向相反，因此推挽开关变换电路与前述开关电源电路相比，提高了磁心的利用率。

磁心在四个象限内的磁化曲线都被利用，在一定输出功率时，磁心的有效截面积可以小于同功率的单端开关电路。

此外，当驱动脉冲频率恒定时，纹波率也相对较小。

图2-1推挽开关变换电路

在推挽开关变换电路中，能量转换由两管交替控制，当输出相同功率时，电流仅是单端开关电源管的一半，因此开关损耗随之减小，效率提高。

如果选用同规格的开关管组成单端变换电路，输出最大功率为150W。

若使用2只同规格开关管组成推挽电路，输出功率可以达到400～500W。

所以输出功率200W以上的开关电源均宜采用推挽开关变换电路。

　　当滤波电感L电流连续时，输出电压表达式为

（2-1）

图2-1所示的对称推挽开关变换电路有不足之处。

一是开关管承受反压较高。

当开关管截止时，电源电压和脉冲变压器初级绕组二分之一的感应电压相串联，加到开关管集电极和发射极，因而要求开关管UECO＞2UCC。

二是推挽开关变换电路相当于单端开关电路的对称组合，只有当开关管特性以及脉冲变压器初、次级绕组均完全对称时，脉冲变压器磁心的磁化曲线在直角坐标第Ⅰ、Ⅱ象限内所包括的面积才和第Ⅲ、Ⅳ象限曲线内面积相等，正负磁通相抵消。

否则，磁感应强度+B和-B的差值形成剩余磁通量，使一个开关管磁化电流增大，同时次级V1、V2加到负载上的输出电压也不相等，从而增大纹波，推挽开关变换电路的优势尽失。

因此，这种推挽开关变换电路目前仅用于自激或它激式低压输入的稳压变换器中。

因为该电路采用低压供电，N1、N2匝数少，且两绕组间电压差也小，所以一般采用双线并绕的方式来保证其对称性。

2.2半桥开关变换电路

2.2.1半桥开关变换电路工作原理

顾名思义,半桥开关变换电路就是取掉全桥开关变换电路中的两只开关管，如图2-4所示。

图2-2半桥开关变换电路原理图

该电路的工作过程如下。

VT1与VT2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。

改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压的平均值，也就改变了输出电压Uo。

当VT1导通时，二极管V1处于通态；当VT2导通时，二极管V2处于通态；当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零；当V1和V2都处于通态时，各分担一半的电流。

当VT1或VT2导通时，电感L的电流逐渐上升；当VT1和VT2都关断时，电感L的电流逐渐下降。

VT1和VT2断态时承受的最高电压为Ui。

由于电容的隔离作用，半桥开关变换电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压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和直流磁饱和。

当滤波电感L的电流连续时，输出电压的计算公式为

（2-2）

半桥开关变换电路省去了两只开关管，采用连接电容分压方式，使开关管C-E极电压与桥式电路相同，同时驱动电路也大为简化，只需两组在时间轴上不重合的驱动脉冲，两组驱动电路的参考点为各自开关管的发射极。

根据上述原理，当采用相同规格的开关管时，半桥开关变换电路负载端电压为1/2Ui，输出功率为全桥开关变换电路的1/4。

半桥开关变换电路具有全桥开关变换电路的所有优势，因此其应用比全桥开关变换电路更普遍。

2.2.2半桥变换器的应用

实用的全桥开关变换[6]电路必须有4组相互独立的驱动脉冲，其中每组开关管VT1、VT4和VT2、VT3的各自驱动脉冲极性都相同，但是驱动信号的参考点不同。

如果组成自激振荡电路，4组开关要得到相同幅度、不同时序的正反馈脉冲是相当困难的，加上4只开关管的性能对称要求也难以达到，因此全桥开关变换电路极少被用于自激变换器中。

　　半桥变换器具有全桥开关变换电路的所有优势，在目前的MOSFET开关管、IGBT等高压大电流开关器件中均可采用，其应用远比全桥开关变换电路更广泛。

自激式半桥变换器的开关管耐压要求较低，目前输出功率200W以下的变换器广泛采用半桥开关变换电路。

图2-3为无工频变压器的半桥开关降压电路。

图中TC1、TC2和VT1、VT2组成半桥开关变换电路，将输入整流后约310V直流高压由开关电路变成双向矩形波，通过降压比的方式输出，经整流滤波获得与输入隔离的低压直流电。

该电路代替工频变压器和整流滤波电路组成的低压直流电源，故称其为电子变压器[7]。

C1、C2串联接在输出电压两端，正常情况下，其中点电压为输入电压的1/2。

该电压经输出变压器T2的初级绕组N1接于两只开关管的串联连接点上。

当VT1导通时，+310V电压经VT1的C-E极加到TC2绕组N1上端，N1下端接C1、C2的中点，因此N1初级电压为310V-150V=155V。

当VT2导通时，C1、C2分压值+155V经VT2的C-E极到输入电压负极，电压也为155V。

在T2初级绕组中，两管导通电流方向相反，T2次级输出对称的矩形波。

图2-3半桥开关降压电路

脉冲变压器TC1为反馈变压器，其初级绕组N1通过C5、C6将TC2的次级输出脉冲电压分压得到反馈脉冲，T1次级绕组N2、N3形成相位相反的两组驱动脉冲。

根据图示的TC1、TC2相位关系，当VT1导通时，TC1绕组N2输出与TC2初次级相同的脉冲，构成VT1的正反馈，而TC1绕组N3则输出与TC2初次级相位相反的脉冲。

因为VT2导通时，TC2初级电流方向反向，故TC1绕组N3构成VT2的正反馈电路。

该变换器的反馈脉冲取自TC2次级绕组，利用TC2的降压比获得较低的反馈电压，以免另设低阻抗反馈绕组。

半桥式推挽电路输出的是双向矩形波，反馈脉冲也应是双向的，才能使VT1、VT2维持正反馈作用。

电路中通过C5、C6分压取得相对于TC2次级中点相位不同的脉冲，无论VT1还是VT2导通，都有正反馈作用。

反馈电路中串联有电阻，目的是自动调整反馈量，避免反馈量过大而使开关管的存储效应增大。

第3章TL494在微机开关电源中的应用

3.1TL494概述

3.1.1TL494主要特性

TL494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。

其外形图如图3-1。

图3-1TL494外形图

TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。

TL494能产生PWM，能调整频率和脉宽，还有一路基准电压，这些都满足DC-DC的条件，采用不同拓扑，得到升压和降压，如采用推挽（push-pull）方式升压，可以改变反馈电阻，得到其他电压；采用BUCK拓扑降压，可以改变反馈电阻，得到其他电压。

3.1.2TL494工作原理简述

TL494内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。

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，