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1、电力电子技术课程设计报告设计课题：基于TL494的脉宽调制电路应用专业班级： 08电气(2)班 学生学号： 学生姓名： 指导老师： 漳州师范学院物理与电子信息工程系目录一、设计任务要求3二、设计方案分析32.1、DC-DC升压变换器的工作原理42.2、DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系52.3、DC-DC变换器稳压原理62.4、集成脉宽调制控制器TL494介绍6三、主要单元电路设计83.1、DC-DC升压变换器主回路设计83.2、DC-DC变换器控制电路设计10四、系统安装与调试12五、总结12六、附录13基于TL494的DC-DC升压稳压变换器设计一、设计任务要求基于TL494设计一个
2、将12V升高到24V的DC-DC变换器。在电阻负载下，要求如下：1、输出电压U0=24V。2、最大输出电流I0max=1A。3、当输入UI=1113V变化时，电压调整率SV2%（在I0=1A时）。4、当I0从0变化到1A时，负载调整率SI5%（在UI=12V时）。5、要求该变换器的在满载时的效率70%。6、输出噪声纹波电压峰-峰值U0PP1V（在UI=12V，U0=24V，I0=1A条件下）。7、要求该变换器具有过流保护功能，动作电流设定在1.2A。二、设计方案分析2.1、DC-DC升压变换器的工作原理 DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大
3、类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。图1（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由功率开关管VT、储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD组成。电路的工作原理是，当控制信号Vi为高电平时，开关管VT导通，能量从输入电源流入，储存于电感L中，由于VT导通时其饱和压降很小，所以二极管D反偏而截止，此时存储在滤波电容C中的能量释放给负载。当控制信号Vi为低电平时，开关管VT截止，由于电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势将
4、阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D导通，此时存储在电感L中的能量经二极管D对滤波电容C充电，同时提供给负载。电路各点的工作波形如图1（b）。 图1 DC-DC升压式变换器电路及工作波形2.2、DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系假定储能电感L充电回路的电阻很小，即时间常数很大，当开关管VT导通时，忽略管子的导通压降，通过电感L的电流近似是线性增加的。即：，其中ILV是流过储能电感电流的最小值。在开关管VT导通结束时，流过电感L的电流为：，iL的增量为。在开关管VT关断时，续流二极管D导通，储能电感L两端的电压为，所以流过储能电感L的电流为：，当开关管VT截止结束时，流过电
5、感L的电流为 ，iL的减少量为。在电路进入稳态后，储能电感L中的电流在开关管导通期间的增量应等于在开关管截止期间的减量，即，所以：，其中。可见改变占空比大小，就可以获得所需要的电压值，由于占空比总是小于1，所以输出电压总是大于输入电压。2.3、DC-DC变换器稳压原理通过输出电压的关系式可以看出，在输入电压或负载变化，要保证输出电压保持稳定时，可以采用两种方案。第一可以维持开关管的截止时间TOFF不变，通过改变脉冲的频率f来维持输出电压U0的稳定，这便是脉冲频率调制（PFM）控制方式DC-DC变换器；第二可以保持脉冲的周期T不变，通过改变开关管的导通时间TON，即脉冲的占空比q，以实现输出电压
6、的稳定，这就是脉宽调制（PWM）控制方式DC-DC变换器。由于目前已经有各种型号的集成PWM控制器，所以DC-DC变换器普遍采用PWM控制方式。图2是DC-DC升压稳压变换器的原理图，它主要有取样电路、比较放大、PWM控制器和DC-DC升压变换器组成。其稳压原理是，假如输入电压UI增大，则通过取样电阻将输出电压的变化（增大）采样，和基准电压相比较通过比较放大器输出信号去控制PWM控制器输出脉冲占空比q的变化（减小），结果可使输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM控制器输出脉冲占空比q也自动变化（增大），输出电压仍能稳定。图2 DC-DC升压稳压电路的组成2.4、集成脉宽调制控制器TL
7、494介绍 TL494集成电路内部电路如图3所示，它由振荡器、D触发器、死区时间比较器、PWM比较器、两个误差放大器、5V基准电压源和两个驱动三极管等组成。当TL494正常工作时，输出脉冲的频率取决于5脚和6脚所接的电容和电阻，表达式为 ，在电容CT两端形成的是锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器，死区时间控制比较器根据4脚所设置的电压大小输出脉冲的死区宽度，利用该脚可以设计电源的软启动电路、欠压或过压电路等。输出调制脉冲宽度是由电容CT端的正向锯齿波和3、4脚输入的两个控制信号综合比较后确定的。当外接控制信号电压大于5脚电压时，9、10脚输出脉冲为低电平（设9、10脚为跟
8、随器输出接法），所以随着输入控制信号幅值的增加，TL494输出脉冲占空比减小。13脚为输出脉冲模式控制端，当该端为高电平时，两路脉冲输出分别有触发器的和端控制，两路信号输出互补，即推挽输出，此时PWM脉冲输出频率为振荡器频率的一半，最大占空比为48%。若13脚接地，触发器控制不起作用，两路输出脉冲相同，其频率与振荡器频率相同，最大占空比为96%，为了增大驱动电流的能力，一般使用时可将两路并联输出。TL494内部包含两个误差放大器，若两个误差放大器的反相输入端2、15脚的参考电位一定，当它们的同相输入端电位升高时，输出脉冲的宽度变窄；反之脉冲宽度变宽。所以一般将两个误差放大器的同相和反相输入端分
9、别接到基准信号和反馈信号，使系统完成闭环控制，实现控制对象的稳定。在实际使用中，常利用TL494内部基准电源向外提供+5V基准参考电压，再通过电阻分压网络给误差放大器提供基准电位。 图3 TL494集成脉宽控制器内部电路图TL494的推荐工作条件见表1。 表1 TL494推荐工作条件项 目 名 称最小值典型值最大值单位电源电压7.01540V集电极输出电压3040V集电极输出电流（每只晶体管）200mA放大器输入电压-0.3UCC-2.0V进入反馈断电流0.3mA基准源输出电流10mA定时电阻1.830500k定时电容0.000470.00110F振荡频率1.040300kHz三、主要单元电路
10、设计1、DC-DC升压变换器主回路设计该升压电路结构选择图1所示的电路。该变换电路设计主要是确定关键元件：输出滤波电容C、电感L、开关管VT和二极管D。输出滤波电容的选择 假如输出滤波电容C必须在VT导通的TON期间供给全部负载电流，设在TON期间C上的电压降U0，U0为要求的纹波电压。则 ，又因为，所以 ，选择开关频率等于50KHz，在本设计给定的条件及要求下，计算输出滤波电容的值为：10F，实际选择100F/50V的电容。储能电感的选择根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部分。假若忽略电路的内部损耗，则变换器的输出能量和变换器的输入能量相等，即，所以，即从电源取出的平均电
11、流也就是流入电感的平均电流。 电感电流的纹波分量是三角波，在TON期间，电流的增量为；在TOFF期间，电流将下降，其减少量为；在稳态下，。在选择I时，一般要求电感的峰值电流不大于其最大平均电流的20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或等于零。实际设计时，选择电感电流的增量，所以，在开关频率选择50kHz和给定的条件及要求下，计算电感量为42H，实际选择100H/2A的电感。电感可以买成品也可自己绕制。开关管的选择开关管VT在电路中承受的最大电压是U0，考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电压的影响，所以开关管的最大电压应满足1.11.2U0。实际在选定开关管时，管子的最大允许
12、工作电压值还应留有充分的余地，一般选择（23）1.11.2U0。开关管的最大允许工作电流，一般选择（23）II。开关管的选择，主要考虑开关管驱动电路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。本设计选择N沟道功率场效应管IRF3205，该器件的VDSM=55V，导通电阻仅为8m，IDM=110A，完全满足设计要求。续流二极管的选择在电路中二极管最大反向电压为U0，流过的电流是输入电流II，所以在选择二极管时，管子的额定电压和额定电流都要留有充分大的余地。另外选择续流二极管时还要求导通电阻要小，开关频率要高，一般要选用肖特基二极管和快恢复二极管。本设计选用MBR10100CT，其最大方向工作电压为10
13、0V，最大正向工作电流为10A，完全满足设计要求。2、DC-DC变换器控制电路设计DC-DC变换器控制电路选用集成PWM控制器TL494构成，调制脉冲的频率选择50kHz，选择振荡电容CT为1000pF，电阻RT为22k即可满足要求。脉冲采用单端输出方式，将13脚接地，为了提高驱动能力，从内部三极管的集电极输出，并将两路并联，即将8、11脚并联接电源（即输入电压UI），9、10脚并联，该端即为脉冲输出端。为了保证输出电压U0稳定，要引入负反馈，即通过取样电阻R1、R2、RP1将输出电压反馈到TL494内部误差放大器的同相输入端（1脚），误差放大器的反相输入端（2脚）接一参考电压，图中由电阻R3
14、、R4、RP2组成；当输出电压增高时，反馈信号和参考电压比较后，误差放大器的输出增大，结果使输出脉冲的宽度变窄，开关管的导通时间变短，输出电压将保持稳定。图中连接在误差放大器2脚和3脚之间的电阻和电容是构成PID调节器，目的是改善系统的动态特性。在给定参数下，调节RP2使15脚电位等于2.2V，然后调节RP1即可调节输出电压值。过流保护电路可以利用TL494内部另一误差放大器实现。图中电流取样电阻选择1/2W的精密电阻，两端并联一高频滤波电容，误差放大器的反相端（15脚）接电压等于2.2V的基准电压，电流取样电阻上的电压输入误差放大器的同相输入端（16脚），当电流大于1.2A时，16脚电压大于
15、15脚电压，误差放大器输出增大，TL494输出脉冲宽度变窄，输出电压减小，则起到限流作用。图4 DC-DC升压稳压电路四、系统安装与调试(只调试控制电路部分)1、首先将由TL494组成的控制电路按图4在面包板上插接调试，调试成功后用protel电路画图软件画出控制电路的原理图（1脚通过电位器RP1接14脚），再画出PCB图并作出电路板。2、检查无误后，12脚加+12V电源。16脚通过接地，用示波器观察9、10脚连接点的输出脉冲的波形，调节电位器RP2，使15脚电位等于2.2V。同时调节RP1来调节脉宽。由于各种条件的限制，本次课程设计只做出控制电路部分，不引入过压及过流保护。脉宽可调即为设计成功。五、总结本次课程设计总的来说是成功的，控制电路基本满足要求。不足的是在评板时由于在创业楼楼下不小心板摔掉地上而导致TL494芯片被弹出未压紧，所以洪老师第一次测试时波形未出来，只得了一个D的成绩。后来波形出来了，让老师重新评，但只能给我改成C，虽然改了成绩，但还是感觉挺遗憾的。还有一个不足是因为各种条件的限制没有引入主电路，没有最终验证设计的可行性。通过这次的课程设计，我学到了很多东西，懂得了如何是看芯片的PDF文件，如何去网上找相关资料并从中筛选自己想要的内容，了解芯片内部结构，引脚功能，应用电路接法。画PCB图和做电路板也比以前熟练，快很多。附录：PCB图：波形：
