基于TL494开关电源设计.docx
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基于TL494开关电源设计
基于TL494的DC-DC开关电源设计
摘要
随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
近年来,随着功率电子器件（如IGBT、MOSFET）、PWM技术及开关电源理论的发展,新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。
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，PWM，推挽电路，半桥电路，单端正激
BASEDONTHEDC-DCTL494SWITCHINGPOWERSUPPLY
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,electronicsystems,moreandmoreextensiveapplications,thetypesofelectronicequipment,moreandmoreelectronicequipmentandpeopleworkandlivecloserandcloser.Inrecentyears,withthepowerelectronicdevices（suchasIGBT,MOSFET）,PWMswitchingpowersupplytechnologyanddevelopmentofthetheory,anewgenerationofpowerbegantograduallyreplacethetraditionalpowersupplycircuits.Thecircuitissmall,flexibletocontroltheoutputcharacteristicsofagood,ripple,loadadjustmentrateandsoon.
Switchingpowersupplyinthepoweradjustmentcontrolworkintheoffstate,withlowpowerconsumption,highefficiency,widevoltagerange,lowtemperaturerise,andotheroutstandingadvantagesofsmallsize,thecommunicationequipment,CNCequipment,Instrumentation,videoaudio,homeappliancessowidelyusedinelectroniccircuits.Highfrequencyconverterswitchingpowersupplysomanyformsofcommonlyusedwithpush-pullconverter,fullbridge,halfbridge,single-endedforwardandtheformofsingle-endedflyback.Inthisthesis,two-sidedriverIC-TL494PWMpulseoutputofthecontrollerdesigncaraudiopowersupplyinuseasaswitchMOSFET,canimprovetheefficiencyofthepowertransformer,isconducivetoimpulsenoisesuppression,butalsocanreducethesizeofthepowertransformer.
KEYWORDS:
IGBT，MOSFET，Push-pullcircuit，Halfbridgecircuit,Single-endedforward
目 录
前 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。
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就可得到稳定的直流输出电压U0。
图1-1开关电源的工作原理
（a）为原理性电路图，（b）为波形图
为方便分析开关电路，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[1]。
开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui之间有如下关系：
（1-2）
由（1-2）式可以看出，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，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，所以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U0稳压的方法，称做脉冲频率调制（PFM）方式开关电源。
由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。
既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的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方式均有应用。
1.1.2开关电源的组成
开关电源由以下四个基本环节组成，见图1-2所示。
其中DC/DC变换器用以进行功率变换，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放大，整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其它信号；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，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，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。
DC/DC变换器有多种电路形式，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，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，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。
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的方法改善瞬态响应特性[2]。
图1-2电源基本组成框图
1.1.3开关电源的特点
（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，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。
（3）稳压范围宽：
开关电源的交流输入电压在90~270V范围变化时，输出电压的变化在±2%以下。
合理设计电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。
（4）可靠安全：
在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。
（5）功耗小：
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，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性[3]。
1.2开关电源的分类
1.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。
2.按开关电源的触发方式分类
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。
1.3电源电路组成
电源电路一般由主开关电源、副电源、辅助电路等组成。
1.主开关电源
主开关电源的输出功率较副电源、行输出级二次电源的输出功率要大。
它将输入220V交流输入直接整流、滤波为300V左右的直流电压，再经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC-DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。
主开关电源主要为主负载电路提供110～145V的直流电压。
遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去了直流供电。
2.副电源
副电源的主要作用是为微处理器控制电路提供＋5V的供电电压，副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源也可以采用传统的线性稳压电路，无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都必须正常工作。
3.辅助电路
将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流与滤波，就可以得到各种所需的直流电压。
由于它是由行输出级经直流-交流-直流的两次变换，所以又称为二次电源。
行输出级产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描，图像和伴音通道供电。
1.4开关电源典型结构
1.4.1串联开关电源结构
串联开关电源工作原理的方框图如图1-3所示。
功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间。
正常工作时，功率开关晶体管VT在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通、截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性的闭合与断开。
输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后，就可得到平滑直流输出电压U0。
U0和功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式（1－2）。
图1-3串联开关电源原理图
输入交流电压或负载电流的变化，会引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电压通过误差放大器放大，控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，达到稳定直流输出电压U0的目的。
1.4.2并联开关电源结构
并联开关电源工作原理方框图如图1-4所示，功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为：
（1-3）
图1-4为一种输出升压型开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。
图1-4并联开关电源原理图
变压器耦合并联开关电源工作框图如图1-5所示。
功率开关晶体管VT与开关变压器初级线圈相串联接在电源供电输入端，功率开关晶体管VT在开关脉冲信号的控制下，周期性地导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压U0。
同样经过取样电路将取样电压与基准电压UE进行比较被误差放大器放大，由误差放大器输出至功率开关晶体管VT，通过控制功率开关晶体管VT的导通、截止达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。
由于采用变压器耦合，所以变压器的初、次级侧可以相互隔离，从而使初级侧电路地与次级侧电路地分开，做到次级侧电路地不带电，使用安全。
同时由于变压器耦合，可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。
图1-5变压器耦合并联开关电源原理图
1.5电力场效应晶体管MOSFET
随着信息电子技术与电力电子技术在发展的基础上相结合，形成了高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，其典型代表就是。
1.电力场效应晶体管特点
电力场效应晶体管简称电力PowerMOSFET。
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。
但是电流容量小，耐压低，一般适用于功率不超过10kW的电源电子装置。
2.MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，图1-6所示为N沟道结构。
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，即当UGS大于开启电压或阈值电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。
（a）内部结构断面示意图（b）电气图形符号
图1-6电力MOSFET的结构和电气图形符号
MOSFET开关时间在10～100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。
由于是场控器件，静态时几乎不需输入电流。
但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。
开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
1.6开关电源的技术指标
1.输出电压调整率
当设计制作开关电源时，第一个测试步骤为将输出电压调整至规格范围内。
此步骤完成后才能确保后续的规格能够符合要求。
通常当调整输出电压时，将输入交流电压设定为正常值，并且将输出电流设定为正常值或满载电流，然后以数字电压表测量电源供应器的输出电压值并调整其电位器直到电压读值位于要求的范围内。
2.电源调整率
电源调整率的定义为电源供应器于输入电压变化时提供其稳定输出电压的能力。
此项测试系用来验证电源供应器在最恶劣之电源电压环境下，如高温条件下，当用电需求量最大时，其电源电压最低；又如低温条件下，用电需求量最小，其电源电压最高。
在前述之两个极端下验证电源供应器之输出电源的稳定度是否合乎需求的规格。
3.测量电压调整率
能提供可变电压能力的电源，至少能提供待测电源供应器的最低到最高之输入电压范围。
均方根值交流电压表来测量输入电源电压，众多的数字功率计能精确计量V、A、W、PF。
测试步骤如下：
将待测电源设备以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，分别在低输入电压Vomin，正常输入电压Vonormal，及高输入电压Vomax下测量并记录其输出电压值。
电源调整率ξ通常以一额定负载下，由输入电压变化所造成其输出电压偏差率的百分比，如下列公式所示：
（1-4）
电压调整率也可用表示为，在输入电压变化下，其输出电压偏差量须在规定之上下限范围内，即输出电压上下限绝对值以内。
4.负载调整率
负载调整率的定义为开关电源的输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。
此项测试系用来验证电源在最恶劣负载环境下，如在负载断开，用电需求量最小，其负载电流最低的条件下，以及在负载最多，用电需求量最大，其负载电流最高的两个极端下验证电源的输出电源稳定度是否合乎需求的规格。
所需的设备和连接与电源调整率相似，唯一不同的是需要精密的电流表与待测电源供应器的输出串联。
测试步骤如下：
将待测电源供应器以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，测量正常负载下之输出电压值，再分别在轻载、重载负载下，测量并记录其输出电压值，负载调整率通常以正常之固定输入电压下，由负载电流变化所造成其输出电压偏差率的百分比表示。
当输出负载电流变化时，其输出电压之偏差量须在规定之上下限电压范围内，即输出电压之上下限绝对值以内。
5.综合调整率
综合调整率的定义为电源供应器在输入电压与输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。
这是电源调整率与负载调整率的综合，此项测试是上述电源调整率与负载调整率的综合，可提供对电源供应器於改变输入电压与负载状况下更正确的性能验证。
综合调整率用下列方式表示：
当输入电压与输出负载电流变化时，其输出电压的偏差量须在规定之上下限电压范围内（即输出电压之上下限绝对值以内）或某一百分比界限内。
6.输出噪声
输出噪声（PARD）是指在输入电压与输出负载电流均不变的情况下，其平均直流输出电压上的周期性与随机性偏差量的电压值。
输出噪声是表示在经过稳压及滤波后的直流输出电压含有不需要的交流和噪声部份，包含低频50/60Hz电源倍频信号、高于20KHz高频切换信号及其谐波，再与其他随机性信号所组成等，通常以mVp-p峰对峰值电压为单位来表示。
一般的开关电源的指标以输出直流电压的1%以内为输出噪声规格，其频宽为20Hz到20MHz，或其它更高的频率如100MHz等。
开关电源实际工作时最恶劣的状况如输出负载电流最大、输入电源电压最低等，要求电源设备在恶劣环境状况下，其输出直流电压加上干扰信号后的输出瞬时电压，仍能够维持稳定的输出电压不超过输出高低电压界限。
否则将可能会导致电源电压超过或低于逻辑电路如TTL电路所承受电源电压而误动作，进一步造成死机现象。
例如5V输出电源，其输出噪声要求为50mV以内。
此时包含电源调整率、负载调整率、动态负载等其他所有变动，其输出瞬时电压应介于4.75V至5.25V之间，才不致引起TTL逻辑电路之误动作。
在测量输出噪声时，电子负载的PARD必须比待测的电源供应器的PARD值为低，才不会影响输出噪声测量。
同时测量电路必须有良好的隔离处理及阻抗匹配，为避免导线上产生不必要的干扰、振铃和驻波，一般都采用在双同轴电缆的端点并以50Ω电阻，并使用差动式量测方法以避免地回路噪声电流
第2章开关变换电路
由开关电源结构可知，开关稳压器无论何种形式，自激或它激实际上都是由开关电路和稳压控制电路两大系统组成。
常见的电源变换电路可以分为单端和双端电路两大类。
单端电路包括正激和反激两类；双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。
每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。
单端开关电路受开关器件最大动作电流的限制以及变换效率的影响，其输出功率一般在200W左右。
若需要大功率电源，必须采用新的电路结构。
推挽式、半桥式、桥式开关电路可以输出较大功率，成为开关电源的主要电路形式。
2.1推挽开关变换电路
2.1.1推挽开关变换基本电路
图2-1为推挽式开关电路的示意图。
脉冲变压器TC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代替。
如果使S1、S2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导通时脉冲变压器TC电流方向不同，形成的磁通方向相反，因此推挽电路与前述电路相比，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推挽式开关电路
推挽式开关电路中，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所示的对称推挽电路有其缺憾之处。
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VECO＞2VCC。
二是推挽电路相当于单端开关电路的对称组合，只有当开关管特性、脉冲变压器初、次级绕组均完全对称，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，推挽电路的优势尽失。
因此，这种推挽电路目前仅用于自激或它激式低压输入的稳压变换器中。
因为低压供电，N1、N2匝数少，且两绕组间电压差也小，一般采用双线并绕的方式来保证其对称性[5]。
2.1.2自激推挽式变换器
1.饱和式推挽变换器
自激推挽式直流脉冲变换器分有两类，即饱和式推挽变换器和非饱和式变换器。
图2-2为饱和式推挽自激变换器的基本电路。
所谓饱和式，是指脉冲变压器工作在磁化曲线的饱和状态。
电路通电以后，电流经电阻R1到正反馈绕组N3～N4的中点，同时向VT1、VT2基极提供启动偏置。
由于VT2的基极电路附加了R2，因此IB2、IC2小于IC1、IB1。
启动状态，IC1>IC2的结果，使脉冲变压器中形成的磁通φN1>φN2，合成总磁通量为φN1-φN2，使VT1的导通电流起主导作用。
因此，φN1在各绕组中产生感应电势，正反馈绕组N3的感应电势形成对VT1的正反馈，使VT1集电极电流迅速增大。
IC1的增大使N1激磁电流增大，磁场强度（H）的增加，使磁感应强度（B）磁化曲线增大，当到达磁心饱和点时，即使磁化电流再增大，也无法再使磁感应强度增大，即磁通量的变化为零。
磁通量饱和的结果，使其无变量，各绕组感应电压为零，VT1的正反馈消失，集电极电流IC1＞IB1*β，并迅速减小。
此过程中，正反馈绕组感应电压反向，使VT2导通，且IC2迅速增大，VT1截止。
此过程中，由于磁心的饱和周而复始地进行，VT1、VT2轮流导通，初始电流
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