TL494降压电路课程设计.docx
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TL494降压电路课程设计
电子技术课程设计报告
设计课题：
基于TL494的非隔离开关电源设计
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
设计时间：
物理与电子工程学院
基于TL494的非隔离开关电源设计
一、设计任务与要求
1．掌握PCB制板技术、焊接技术、电路检测以及集成电路的使用方法。
2．掌握TL494的非隔离开关电源的设计、组装与调试方法。
3．研究开关电源的实现方法，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分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出自己的见解。
2掌握开关电源的工作原理。
3设计硬件系统并进行仿真，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。
主要技术指标
设计要求：
直流输入电压：
10~40V；
输出电压：
5V；
输出电流：
1A；
效率：
≥72%。
二、集成稳压电源和开关电源的区别
（1）、集成稳压器的组成
图1集成稳压器的组成
电路内部包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分,另外加上保护电路和启动电路。
1.调整管
在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为由两个三极管组成的复合管。
这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。
2.放大电路
在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。
3.基准电源
在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。
4.采样电路
在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。
5.启动电路
启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。
当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。
6.保护电路
在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。
（2）、开关电源的组成
图2开关电源的组成
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。
三、开关电源的分类
1、按开关管的连接方式，开关电源可分为串联型开关电源和并联型开关电源。
串联型开关电源的开关管是串联在输入电压和输出负载之间，属于降压式稳压电路；而并联型开关电源的开关管是在输入电压和输出负载之间并联的，属于升压式稳压电路。
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）方式和脉频调制（PFM）方式。
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（即频率），使输出电压稳定。
4、按输出直流值的大小，开关电源可分为升压式开关电源和降压式开关电源，也可分为高压开关电源和低压开关电源。
5、按输出波形，开关电源可分为矩形波和正弦波电路。
6、按输出性能，开关电源可分为恒压恒频和变压变频电路。
7、按开关管的个数及连接方式又可将开关电源分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。
单端式仅用一只开关管，推挽式和半桥式采用两只开关管，全桥式则采用四只开关管。
8、开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。
9、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。
4、常见开关电源的介绍
1.基本电路
开关式稳压电源的基本电路框图如下图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3基本电路
2．单端反激式开关电源
单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。
电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。
当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。
唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。
单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。
图4单端反激式开关电源
3．单端正激式开关电源
单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。
这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。
当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。
为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。
由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率。
电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。
图5单端正激式开关电源
４．自激式开关稳压电源
自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。
这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。
当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。
与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。
在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。
这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。
自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。
电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。
这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。
图6自激式开关电源
５．推挽式开关电源
推挽式开关电源的典型电路如图六所示。
它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。
电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。
这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。
电路的输出功率较大，一般在100~5000Ｗ范围内。
图7推挽式开关电源
６．降压式开关电源
降压式开关电源的典型电路如图七所示。
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，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。
图8降压式开关电源
７．升压式开关电源
升压式开关电源的稳压电路如图八所示。
当开关管VT1导通时，电感Ｌ储存能量。
当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。
图9升压式开关电源
８．反转式开关电源
反转式开关电源的典型电路如图九所示。
这种电路又称为升降压式开关电源。
无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。
当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。
当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。
以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。
图10反转式开关电源
五、buck变换器
1.buck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11.1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。
图11.1Buck变换器电路
工作过程：
当主开关Tr导通，如图11.2所示，is=
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is>i。
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11.3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
不变。
负载两端电压仍是上正下负。
在
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11.2和图11.3所示。
图11.2Tr导通图11.3Tr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11.4BUCK在连续模式下的工作波形图
2.buck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11.4中的
波形图可知，在开关管Tr导通期间（
一
），电感电流上升量为
（3.1）
在开关管关断期间，电感电流的下降量为
（3.2）
由于稳态时这两个电流变化量相等，即
所以由上述两式可得:
（3.3）
由上式整理得
（3.4）
注意：
D为占空比
（l）电感L的确定
在连续和不连续之间有个临界状态，此时
（3.5）
将3.2式代入3.5可得：
（3.6）
将3.6式整理得：
（3.7）
要保证电路工作在连续工作模式必须使L≧Lc，一般取1.2倍的裕量。
（2）电容C的确定
流经电容的电流
是（
），由于
对电容的充放电产生的纹波电压
，如图3.4中
和
波形。
（3.8）
将3.2式代入3.8式得
（3.9）
开关管的峰值电流为：
开关管的耐压值为：
根据拟定技术指标：
输入电压：
Vs=10~40V；输出电压：
Vo=5V；输出电流Io=1.0A。
有上述公式推到可得：
Lc取1.0mH
C取500uF/10V
根据耐压值和余量：
开关管取：
Tip127
电流参数：
IC=5A/ICM=8A/IB=0.1A
电压参数：
UCEO=UCBO=100V/UEBO=5V
功率：
Ptot=65W
二极管取：
IN5819
电压参数：
40V
电流参数：
1.0A
六、TL494脉宽调制电路
1.TL494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
2.TL494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阻和一个电容进行调节，其振荡频率计算公式为：
图12TL494芯片内部电路
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.标准BUCK（降压）电路图
图12BUCK电路图
电压反馈控制（稳压调节）：
1脚为电压反馈输入端，该脚通过一个5.1K电阻直接接到输出端。
2脚也是通过5.1k电阻接到VREF端（5v）
输出电压=参考电压=5V
电流反馈控制（限流保护）：
输出负段到地之间接了一个0.1欧姆的电流采样电阻，该电阻电压被接入到16脚
15脚电压=5V*150/（150+5100）=0.143V
限流电流=0.143/0.1=1.43A。
当负载电流>=1.43A时，输出保护。
3脚所接的0.1u电容及45K、1.0M电阻是斜率补偿（为了增加电路的稳定性）。
输出控制
13脚为输出（方式）控制端。
该脚接地时为单端连接输出方式。
所以图中将8脚和11脚并联输出。
参数
表1
七、性能测试结果分析
本次设计的结果基本能够达到预期的要求：
图13TL494降压原理图
如图13所示：
空载时：
能比较准确的把10到40V的电源稳定在4.95V左右，纹波电压在6mV左右。
带负载时：
当负载在零到某一值的范围内时，输出电压稳定在4.95V，输出电流达到0.9A，此时测得输入电压为12.7V，输入电流为0.47A，则效率为：
φ=4.95*0.9/（12.7*0.47）*100%=74.65%；如果在增大负载的话，输出电压会被拉低，输出不稳定。
八、结论与心得
事实证明，可靠性是开关电源设计最重要的因素，而TL494是一种功能非常完善的PWM驱动电路的芯片,适用于多数电路，性能稳定，可靠性高，具有很大现实意义。
通过这次课程设计，使我对一个电子产品的开发研究有了初步的认识，体会到了开发研究一个电子产品的艰辛，也对我的精神品质得到了一次锻炼，明白了做什么事情都不可能急功近利，只有踏踏实实去做才能较好地完成。
另外，我非常感谢我的指导老师和同学给我的帮助，让我能够顺利完成这项实验。
我相信，本次课程设计对我今后的实习和毕业后的工作，肯定有很大的帮助。
九、参考文献
[1]谢自美.电子线路设计[M].武汉：
华中科技大学出版社,2002
[2]张占松.开关电源的原理与设计（修订版），电子工业出版社，2004
[3]王水平.开关稳压电源—原理设计及实用电路，西安电子科技大学出版社
[4]孙余凯，吴鸣山.电路识图与应用快捷入门丛书，电子工业出版社，2010
附录
附录一：
PCB图
附录二：
实物图
器件类别
元件序号
型号参数
数量
备注
电阻
R1
47Ω
1
R2、R9
150Ω
2
R3、R8
47KΩ
2
R4
1.0KΩ
1
R5、R6、R7
5K1
3
R10
0.1Ω
1
STC8051
U1
DIP40
1
TIP127
Q1
PNP
1
电解电容
C1
100uF/50V
1
C2
0.1uF
1
C3
0.001uF
1
C4
470uF/25V
1
C5
100uF/10V
1
电感
Q2
1.0mH
1
插座
J1、J2
CON2
2
IN5819
Q3
1
附录三：
元器件清单
升级会员 