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[经验] 【设计技巧】开关电源设计及调试

2019-8-8 08:00:00  596 开关电源 电源
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线性稳压电路具有结构简单,调整方便,输出电压脉动小的优点,但缺点是效率低,一般只有20%~40%,并且比较笨重。开关型稳压电路能克服线性稳 压电源的缺点,具有效率高,一般能达到65%~90%,并且体积小,重量轻,对电网电压要求不高,因而在实际生活中得到广泛应用。也正因为其应用的广泛 性,相应专业的学生就更应该深刻和熟练地掌握它,在此以设计脉冲宽度调制型开关电路(PWM)为基础,详细解说该系统的调试过程。
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1 系统设计原理
PWM 型的开关电源整体框图如图1所示。变压、整流、滤波模块处理起来比较简单,只要采用相应的变压器、单相全波整流、电容式滤波即可实现,这里不用更多的篇幅 介绍。此系统的核心模块是方框图中的闭合(负反馈)模块。如果直接采用Boost型DC-DC升压器,实现起来简单,但输出/输入电压比太大,占空比也 大,而将使输出电压范围变小,难以达到较高的指标,且为开环控制。对此采用 专用开关芯片TL494芯片,它采用开关脉宽调制(PWM),效率高,外围电路也较简单,可以方便实现闭环控制。
1.1 TL494工作原理

TL494 内部结构如图2所示,它是一种固定频率可自行设置,并应用脉空调制的控制电路,其中,振荡频率fosc=1.1/(RTCT)。具体来讲,由于误差放大器 输入口1,2(或3,4)的值不等,产生偏差,偏差送入PWM比较器与锯齿波(锯齿波的频率由振荡频率确定,幅值是定值)比较,在偏差大于锯齿波范围内 时,9口(或10口)输出低电平,在偏差小于锯齿波范围内时,9口(或10口)输出高电平。若偏差值越大,TL494输出高电平的区间越小。由此可见,通 过调整误差放大器输入口的偏差可改变占空比。
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1.2 升压变换器的工作原理
如 图3所示,通过控制开关管Q1的导通比,可控制升压变换器的输出电压。它的工作原理是:设开关管Q1由信号VG控制,当VG为高电平时,Q1导通,反 之,Q1关断。当Q1导通时,电感两端电压VL=Vi,电感储能增加,同时负载由电容供电。当Q1断开时,因电感L上的电流不能突变,故电感电流iL向电 容和负载供电,电感上储存的能量传递到电容、负载侧。此时,iL减小,L上的感应电动势VL<0,所以Vo>Vi。由此,当Q1导通的时间越 长(即占空比越大),电感上储存的能量越多,Vo也越大。
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2 系统总体设计
基于前面的分析,设计的系统接线图如图3所示。
误 差放大器的反相端2口输入给定值(可用单片机实现,限于篇幅,不做介绍),用来控制输出电压;同相端1口输入/输出电压的反馈电压,形成闭环控制。当输出 电压高于期望值时,反馈输入1口的电压升高,误差放大器的输出增加,占空比减小;当输出电压减小时,基本可以做到与期望值相等,从而维持输出电压的稳定。若想增大输出,可升高2口的电压。控制过程如下:原系统稳定,当升高2口电压,1口电压瞬时不变,误差放大器输出减小,占空比变大,电压升高。若想减小输 出,可降低2口的电压。

3 系统调试
在确定上述总体设计后,采用分模块的调试方法进行电路调试。

3.1 TL494性能测试
图 4接线,测试2口的输入电压(误差放大器反相端2口采用基准电压输入),改变1口的输入电压,观察9,3口的输出波形。由实验可以得到:TL494的基准 电压是3.5 V;输出波形为PWM波;误差放大器工作在非线性区,只有当输入(1,2)口的偏差在零到几十个毫伏之间时,PWM才是可调的;改变1口的电压,可改变 PWM的占空比。
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3.2 升压变换器的工作性能测试
按图5接线,给1口加入使开关管达到饱和的方波信号:
(1)改变方波信号的占空比和方波信号的频率;
(2)给输出端加上负载。
由实验可以得到,改变占空比,可以改变输出电压的大小;加上负载,电压降低,但通过调节占空比,可使电压升高;方波信号的频率越大,改变占空比,调节输出电压的范围越小。

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3.3 联调
在上述两步都能得到准确信息之后,将两模块进行联调,见图4。若无误,即可实现输出端稳定的电压输出,且可通过改变2口的给定值实现在一定范围内(升压)改变输出电压。具体范围与所选择电感、电容和系统工作的频率有关,限于篇幅,这里不做介绍。

3.4 加入MOSFET(IRF640)驱动
完成上述电路后,接下来要考虑系统的性能指标,除上述电容、电感、工作频率的参数外,性能指标的优越还与MOSFET有关。为此,在TL494的9口和IRF9540开关管之间加入驱动电路IR2111,如图6所示。

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4 结语
按 上述步骤进行系统设计,不仅电路简单,可以比较深刻地掌握TL494的工作原理、开关电源的工作原理、负反馈的工作原理等,而且查找电路错误也比较方便。对于该电路的性能指标测试,由于元器件的参数不同,指标略有不同,但基本上各参数的指标都较高,如DC-DC变换器的效率可达85%以上。









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Nancyfans 2019-8-30 15:04:30
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