基于TL494開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì) - 全文

　　開關(guān)電源主回路將輸入的15VAC電壓整流濾波所得的直流電壓通過升壓斬波電路，變換為25～30VDC輸出。主控制器為PIC16F877A單片機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)由整流濾波電路、DC-DC變換器、控制電路、按鍵顯示等模塊組成。主控制器和TL494以閉環(huán)形式控制DC-DC變換電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)。該電源還具有過流保護(hù)、自恢復(fù)、軟啟動(dòng)和短路報(bào)警功能。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1DC-DC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　將降壓后的交流電壓進(jìn)行升壓變換，這里選擇了升壓斬波電路，其電路原理圖如圖1所示。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由開關(guān)管、二極管、電感、電解電容等元件組成，只要控制合適的占空比，就能夠以較高的效率進(jìn)行升壓，而且此電路穩(wěn)壓性能優(yōu)、轉(zhuǎn)換效率高。因此，選擇升壓軌波電路作為DC-DC變換的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　1.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。設(shè)計(jì)中以升壓斬波電路為主回路，該電路實(shí)現(xiàn)將整流濾波后的輸入電壓變?yōu)?5V～30V的輸出電壓。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)PIC16F73和PWM調(diào)制芯片TL494構(gòu)成控制系統(tǒng)。TL494產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制DC-DC變換器，同時(shí)還通過外圍電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、過流保護(hù)、自恢復(fù)、軟啟動(dòng)和短路報(bào)警等功能。單片機(jī)與電壓反饋模塊配合，通過控制數(shù)字電位器MCP41010的輸出值，實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的設(shè)定和步進(jìn)的調(diào)整，單片機(jī)還通過A/D模塊，實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流值的數(shù)顯。在DC-DC變換電路中，采用了導(dǎo)通電阻非常小的MOSFET作為開關(guān)管，快恢復(fù)二極管作為續(xù)流管，通過以上方法有效的提高了電路的效率。

　　2理論分析與計(jì)算

　　2.1PWM脈寬調(diào)制電路

　　PWM控制電路主要由集成PWM控制芯片TL494、單片機(jī)PIC16F877A和電壓電流反饋電路組成。電路原理圖如圖3所示。單片機(jī)通過控制數(shù)字電位器MCP41010的輸出值，數(shù)字電位器作為D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電壓的步進(jìn)調(diào)整，TL494根據(jù)電壓反饋的輸入值調(diào)整輸出脈沖的寬度，最終實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。除此之外，TL494的外圍電路還可實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。

　　主干路上輸出的電壓經(jīng)過圖4所示電路后再經(jīng)過TTL494內(nèi)部的誤差放大器1構(gòu)成反饋回路。其在A點(diǎn)的電壓值為

　　若因某種原因?qū)е螺敵鲭妷哼^高，則電壓反饋端輸入的值增大，使得誤差放大器1同相端電位升高，反饋/PWM端電位上升，TTL494內(nèi)部三極管Q2導(dǎo)通時(shí)間減少，輸出信號(hào)占空比減小，結(jié)果使輸出電壓減少，最終使輸出電壓保持穩(wěn)定。

　　圖3PWM脈定調(diào)制電路原理圖

　　2.2過流保護(hù)與閾值參數(shù)計(jì)算

　　本設(shè)計(jì)路具有雙重的過流保護(hù)功能，當(dāng)輸出電流大于1.5A小于2A時(shí)，流過采樣電阻R的電流從右至左，如圖3所紅色箭頭所示。R的右端電位為0則左端為為負(fù)，當(dāng)電流I大于1.5A時(shí)，TTL494內(nèi)部的誤差放大器2的反相端電位為負(fù)，正向端與反向端通過比較后，誤差放大器2的輸出（即反饋/PWM端）為正，Q2管不導(dǎo)通，則開關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓降低。當(dāng)輸出電流大于2A時(shí)，單片機(jī)根據(jù)采樣進(jìn)來的電流信號(hào)，通過軟件設(shè)計(jì)，將主干路上的繼電器J1置為常閉狀態(tài)，使主干路斷開，起到保護(hù)作用。

　　過流保護(hù)電路原理圖如圖3所示，取樣電阻值R=0.05歐，其兩端的電壓為IR，誤差放大2的輸入端電壓U1為：

　　取R8=10K，R9=91歐，Rw1=60歐，帶入計(jì)算得I=1.5A。當(dāng)電流大于1.5A時(shí)，R兩端電壓值增大，U1《0，則電路起到保護(hù)作用，所以閾值電流為1.5A。

　　2.3軟啟動(dòng)

　　軟啟動(dòng)的設(shè)計(jì)分為兩部分：主干路上設(shè)有一個(gè)單刀繼電器J1、一個(gè)雙刀繼電器J2和一個(gè)電阻R1，上電后通過按鍵使單片機(jī)輸出信號(hào)，J1、J2工作常開狀態(tài)，電路通過R1對(duì)穩(wěn)壓電容C3和濾波電容C5充電，充電時(shí)間T1設(shè)為1S，輸出電壓可從0V升到18V;1S后使J2工作在常閉狀態(tài)，R1被短路同時(shí)TL494得到工作電壓開始工作。TL494的第5腳接電容C15，TL494上電后C15充電需要一定時(shí)間，死區(qū)電壓由高逐漸變低，Q2管的導(dǎo)通時(shí)間逐漸增大，輸出電壓逐漸升高至30V，充電時(shí)間為T2=10K×4.7uF=47ms。

　　圖4電壓取樣電路原理圖

　　2.4升壓斬波電路

　　2.4.1工作原理

　　升壓軌波電路原理圖如圖1所示。當(dāng)控制器輸出脈沖高電平時(shí)，開關(guān)管VT導(dǎo)通，電感L儲(chǔ)存能量，在ton時(shí)間內(nèi)電感電流增量為ΔLon=Ui/L*ton。當(dāng)控制器輸出低電平時(shí)，開關(guān)管VT截止，電感L向電容C充電并向負(fù)載提供能量，在toff時(shí)間內(nèi)電感減少的電流量為ΔLoff=（UO-Ui）toff/L，當(dāng)電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有ΔLoff=ΔIon，可得UO=Ui/（1-a）（a=ton/T為占空比），因?yàn)閍《=1，所以輸出電壓高于輸入電壓，電路實(shí)現(xiàn)升壓，設(shè)計(jì)中只要調(diào)節(jié)占空比的大小就可以改變輸出電壓的大小。

　　2.4.2電感參數(shù)計(jì)算

　　電感電流包括直流平均值及紋波分量?jī)刹糠?，忽略電路的?nèi)部損耗;在臨界狀態(tài)下，電感儲(chǔ)存的能量剛好等于釋放的能量，有Ii=Io*Vo/Vi=Io*T/toff，其中Ii是流入電感的平均電流。穩(wěn)態(tài)下電感的電流變化量應(yīng)為0，故在ton期間與在toff期間，電流的變化量應(yīng)相等，為ΔI=Viton/L，選擇ΔI=Viton/L=1.4Ii，故電感為L(zhǎng)=Viton/1.4Ii，將ton=（Vo-Vi）/fVo及Ii=VoIo/Vi代入上式并化簡(jiǎn)得L=Vi*Vi（Vo-Vi）/（1.4fVo*Vo*Io），取VO=25V，V=15V，f=45KHz，Io=1.5A，計(jì)算得53.6uH

　　2.5功率器件選擇

　　2.5.1開關(guān)管的選擇

　　該開關(guān)管選用N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF3205。IRF3205的UDS=55V，RDS=8.0m歐，I0=110A。MOSFET上承受的最大電壓為Um，考慮輸出電壓10%的波動(dòng)，電感的反峰尖刺為穩(wěn)態(tài)值的20%，且留有余量，MOSFET承受的最大電壓為20V，流經(jīng)的最大電流為6A，而且由于其電阻值很小，故其功耗也很小。根據(jù)上分析，IRF3205完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.5.2續(xù)流二極管的選擇

　　續(xù)流二極管應(yīng)采用快恢復(fù)二極管，其具有開關(guān)特性好、耐壓高、正向電流大等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的BY299是超快恢復(fù)二極管，其耐壓值為800V，正向電流為3.0A，最大恢復(fù)時(shí)間為100ns，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.5.3穩(wěn)壓電容量的選擇

　　電容的選取利用公式C=（Ipk）max（ton）/V·（V·為紋波值，Ipk為峰值電流，設(shè)計(jì)中要求紋波值（150Vp-p）計(jì)算得最小為450uF，電路實(shí)際選取的過程電容值應(yīng)足夠大，留有足夠的余量才可穩(wěn)住負(fù)載端的電壓以及減小紋波，設(shè)計(jì)中采用2200uF/50V。

　　2.6按鍵顯示電路

　　按鍵顯示電路采用最小系統(tǒng)板上的3×4矩陣式按鍵和8個(gè)數(shù)碼管。單片機(jī)PIC16F877A共有33個(gè)I/O口，RDORD7作為按鍵矩陣電路和數(shù)碼管顯示電路的共用I/O口，通過分時(shí)復(fù)用的方式進(jìn)行工作。數(shù)碼管的顯示由ULN2803來驅(qū)動(dòng)，RB1RB5、RE0RE2為ULN2803的片選信號(hào)。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件實(shí)現(xiàn)功能

　　通過編程軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：輸出電壓可按0.1V的步進(jìn)值調(diào)整;顯示輸出電壓和輸出電流;可以控制主電路的開通與關(guān)斷。

　　3.2軟件流程圖

　　軟件流程圖如圖5所示。K2鍵控制主電路的開通與關(guān)斷，K4鍵和K0鍵分別為步進(jìn)的加鍵和減鍵。數(shù)碼管0～3分時(shí)顯示輸出電壓和輸出電流，指示燈0亮表示當(dāng)前顯示的是輸出電壓值，指示燈1亮表示當(dāng)前顯示的是輸出電流值，指示燈5亮表示當(dāng)前主電路處于關(guān)斷狀態(tài)，數(shù)碼管5～7顯示設(shè)定的輸出電壓值。

　　4系統(tǒng)測(cè)試

　　4.1輸出電壓步進(jìn)值

　　測(cè)試方法：在額定輸入電壓和空載的條件下，測(cè)量電路輸出端的電壓值，并對(duì)設(shè)定值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果完全符合。

　　4.2電壓調(diào)整率

　　測(cè)試方法：在滿載的條件下，輸出設(shè)定在25.0V，分別測(cè)量變壓器的一次側(cè)輸入電壓為180V、220V和240V時(shí)的輸出電壓，并計(jì)算其調(diào)整率。測(cè)試數(shù)據(jù)：輸入180ACV，輸出U01=25.0V;輸入：220ACV，輸出U02=25.0V;輸出：240ACV，輸出U03=25.0V。電壓調(diào)整率：SU=（U0-U02）/U0=0%（U0為U01、U03中的較大者）

　　4.3負(fù)載調(diào)整率

　　測(cè)試方法：在額定輸入電壓的條件下，分別測(cè)量空載、半載和滿載時(shí)的輸出電壓，并計(jì)算調(diào)整率。測(cè)試數(shù)據(jù)：空載輸出電壓U空=25.0V;半載輸出電壓U半=25.0V;滿載輸出電壓U滿=25.0V;

　　4.4紋波值測(cè)量

　　測(cè)試方法：在額定輸入電壓時(shí)，測(cè)量滿載情況下的紋波。經(jīng)測(cè)量，紋波的峰峰值為224mV。

　　4.5效率測(cè)量

　　測(cè)試方法：在額定輸入電壓和滿載的條件下，測(cè)量輸入電壓、電流和輸出電壓、電流，并計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的效率。測(cè)量所得數(shù)據(jù)如表1所示。

　　表1效率測(cè)試

　　5結(jié)果分析

　　經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)可以輸出25～30V的直流電壓，最大輸出電流可達(dá)1.5A，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均為0%紋波《250mV，效率高于80%，具有步進(jìn)調(diào)整、過流保護(hù)功能及短路保護(hù)等功能。本設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的工程參考價(jià)值。