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一種適合教學的開關電源設計及調試
摘要: 線性穩壓電路具有結構簡單,調整方便,輸出電壓脈動小的優點,但缺點是效率低,一般只有20%~40%,并且比較笨重。開關型穩壓電路能克服線性穩壓電源的缺點,具有效率高,一般能達到65%~90%,并且體積小,重量輕,對電網電壓要求不高,因而在實際生活中得到廣泛應用。
Abstract:
Key words :

  0 引 言

  線性穩壓電路具有結構簡單,調整方便,輸出電壓脈動小的優點,但缺點是效率低,一般只有20%~40%,并且比較笨重。開關型穩壓電路能克服線性穩壓電源的缺點,具有效率高,一般能達到65%~90%,并且體積小,重量輕,對電網電壓要求不高,因而在實際生活中得到廣泛應用。也正因為其應用的廣泛性,相應專業的學生就更應該深刻和熟練地掌握它,在此以設計脈沖寬度調制型開關電路(PWM)為基礎,詳細解說該系統的調試過程。

  1 系統設計原理

  PWM型的開關電源" title="開關電源">開關電源整體框圖如圖1所示。變壓、整流、濾波模塊處理起來比較簡單,只要采用相應的變壓器、單相全波整流、電容式濾波即可實現,這里不用更多的篇幅介紹。此系統的核心模塊是方框圖中的閉合(負反饋)模塊。如果直接采用Boost型DC-DC升壓器,實現起來簡單,但輸出/輸入電壓比太大,占空比也大,而將使輸出電壓范圍變小,難以達到較高的指標,且為開環控制。對此采用Maxim公司生產的專用開關芯片TL494" title="TL494">TL494芯片,它采用開關脈寬調制(PWM),效率高,外圍電路也較簡單,可以方便實現閉環控制。

PWM型的開關電源整體框圖

  1.1 TL494工作原理

  TL494內部結構如圖2所示,它是一種固定頻率可自行設置,并應用脈空調制的控制電路,其中,振蕩頻率fosc=1.1/(RTCT)。具體來講,由于誤差放大器輸入口1,2(或3,4)的值不等,產生偏差,偏差送入PWM比較器與鋸齒波(鋸齒波的頻率由振蕩頻率確定,幅值是定值)比較,在偏差大于鋸齒波范圍內時,9口(或10口)輸出低電平,在偏差小于鋸齒波范圍內時,9口(或10口)輸出高電平。若偏差值越大,TL494輸出高電平的區間越小。由此可見,通過調整誤差放大器輸入口的偏差可改變占空比。

TL494內部結構

  1.2 升壓變換器的工作原理

  如圖3所示,通過控制開關管Q1的導通比,可控制升壓變換器的輸出電壓。它的工作原理是:設開關管Q1由信號VG控制,當VG為高電平時,Q1導通,反之,Q1關斷。當Q1導通時,電感兩端電壓VL=Vi,電感儲能增加,同時負載由電容供電。當Q1斷開時,因電感L上的電流不能突變,故電感電流iL向電容和負載供電,電感上儲存的能量傳遞到電容、負載側。此時,iL減小,L上的感應電動勢VL<0,所以Vo>Vi。由此,當Q1導通的時間越長(即占空比越大),電感上儲存的能量越多,Vo也越大。

升壓變換器電路

  2 系統總體設計

  基于前面的分析,設計的系統接線圖如圖3所示。

  誤差放大器的反相端2口輸入給定值(可用單片機實現,限于篇幅,不做介紹),用來控制輸出電壓;同相端1口輸入/輸出電壓的反饋電壓,形成閉環控制。當輸出電壓高于期望值時,反饋輸入1口的電壓升高,誤差放大器的輸出增加,占空比減小;當輸出電壓減小時,基本可以做到與期望值相等,從而維持輸出電壓的穩定。若想增大輸出,可升高2口的電壓。控制過程如下:原系統穩定,當升高2口電壓,1口電壓瞬時不變,誤差放大器輸出減小,占空比變大,電壓升高。若想減小輸出,可降低2口的電壓。

  3 系統調試

  在確定上述總體設計后,采用分模塊的調試方法進行電路調試。

  3.1 TL494性能測試

  按圖4接線,測試2口的輸入電壓(誤差放大器反相端2口采用基準電壓輸入),改變1口的輸入電壓,觀察9,3口的輸出波形。由實驗可以得到:TL494的基準電壓是3.5 V;輸出波形為PWM波;誤差放大器工作在非線性區,只有當輸入(1,2)口的偏差在零到幾十個毫伏之間時,PWM才是可調的;改變1口的電壓,可改變PWM的占空比。

TL494性能測試接線圖

  3.2 升壓變換器的工作性能測試

  按圖5接線,給1口加入使開關管達到飽和的方波信號:

  (1)改變方波信號的占空比和方波信號的頻率;

  (2)給輸出端加上負載。

  由實驗可以得到,改變占空比,可以改變輸出電壓的大小;加上負載,電壓降低,但通過調節占空比,可使電壓升高;方波信號的頻率越大,改變占空比,調節輸出電壓的范圍越小。

升壓變換器的工作性能測試接線圖

  3.3 聯調

  在上述兩步都能得到準確信息之后,將兩模塊進行聯調,見圖4。若無誤,即可實現輸出端穩定的電壓輸出,且可通過改變2口的給定值實現在一定范圍內(升壓)改變輸出電壓。具體范圍與所選擇電感、電容和系統工作的頻率有關,限于篇幅,這里不做介紹。

  3.4 加入MOSFET(IRF640" title="IRF640">IRF640)驅動

  完成上述電路后,接下來要考慮系統的性能指標,除上述電容、電感、工作頻率的參數外,性能指標的優越還與MOSFET有關。為此,在TL494的9口和IRF9540開關管之間加入驅動電路IR2111,如圖6所示。

MOSFET

  4 結 語

  按上述步驟進行系統設計,不僅電路簡單,可以比較深刻地掌握TL494的工作原理、開關電源的工作原理、負反饋的工作原理等,而且查找電路錯誤也比較方便。對于該電路的性能指標測試,由于元器件的參數不同,指標略有不同,但基本上各參數的指標都較高,如DC-DC變換器的效率可達85%以上。

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