开关电源课程设计报告

摘要

本次电力电子装置设计与制作，利用BUCK型转换器来实现16V-8V的开关直流降压电源的设计。使用TL494作为控制芯片输出脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。为了将MOS管G极和S极隔离，本设计采用了推挽式放大电路。另外本设计还加入了反馈环节，利用芯片自身的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。

关键词：DC/DC；开关电源；Buck电路；TL494

Abstract

This Power electronic equipment design is used by BUCK to catch the goal of 16V-8VSwitch dc step-down power supply design. Use TL494 as control chip output pulse signal to control the opening of MOS tube and shut off. In order to make the MOS tube G pole and S pole separate, this design uses a push-pull amplifier circuit. In addition, the design also joined the feedback link to make the circuit more accurate and stable .

Key word: BUCK type converter, Step-down power, TL494

目录

一方案论证与选择 (1)

1.1基本要求 (1)

1.2方案设计 (1)

二BUCK电路总原理图和工作原理 (2)

2.1 系统总体框图及电路原理图 (2)

2.2 BUCK 主电路原理图及工作原理 (3)

2.3控制电路图与工作原理 (3)

三主要器件的原理和电路参数的设计 (4)

3.1 电源管理芯片TL494 (4)

3.1.1 TL494 芯片主要特征 (4)

3.1.2 TL494 工作原理简述 (4)

3.1.3 TL494脉冲控制 (4)

3.2 BUCK电路电感电容值的计算和选择 (5)

3.2.1 电感L的确定 (6)

3.2.2 电容C的确定 (6)

3.3.3 MOSFET的选择 (6)

3.4输出电路 (7)

四实验结果图及分析 (7)

4.1实验结果图如下： (7)

4.2实验结果分析 (8)

设计小结 (9)

参考文献 (9)

一方案论证与选择

开关电源是利用现代电子电力技术控制功率器件（MOSFET、三极管等）的导通和关断时间来稳定输出电压的一种稳压电源，具有转换效率高，体积小，重量轻，控制精度高等优点。开关电源与传统线性电源相比有以下区别：

1)开关电源是直流电转变为高频脉冲电流，将电能储存到电感、电容元件中，

利用电感、电容的特性将电能按预定的要求释放出来来改变输出电压或电流的；线性电源没有高频脉冲和储存元件，它利用元器件线性特性在负载变化时瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流的。

2)开关电源可以降压，也可以升压；线性电源只能降压。

3)开关电源效率高；线性电源效率低。

4)线性电源控制速度快，波纹小；开关电源波纹大。

1.1基本要求

输入直流15V，输出10V；开关振荡频率23.4KHz。

1.2方案设计

采用MOSFET作为功率转换元件，MOSFET具有压降小，输入电阻高，动态特性好等特点。控制方案采用TL494CJ脉冲宽度调制芯片，极大地简化电路设计，而且该芯片是一种功能非常完善的PWM驱动电路芯片，适用于多数电路，性能稳定，可靠性高，具有很大的现实意义。

二 BUCK电路总原理图和工作原理

2.1 系统总体框图及电路原理图

2-1BUCK电路总结构框图及电路原理图

2.2 BUCK 主电路原理图及工作原理

2-2 BUCK主电路图

本次课程设计中采用降压式开关电源（BUCK）。降压式开关电源的典型电路如图2-2所示。当开关管S 导通时，二极管D 截止，输人的整流电压经S和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。当开关管S截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管D释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在S基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少，只需要利用电感、电容和二极管即可实现

2.3控制电路图与工作原理

2-3 BUCK控制原理图

芯片14脚输出基准电压通过电阻分压进入15号脚作来与16号反馈信号进行比较的基值。从主电路输出端引出的反馈信号即16号脚，与15号脚的基值进行比较，从面调节8号脚和11号脚输出的脉冲信号的占空比，从而达到调节MOS管的开通与关断的频率与时间，最终实现输出端输出理想的稳定的电压值。本次设计选择输入15V，输出10V。

三主要器件的原理和电路参数的设计

3.1 电源管理芯片TL494

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。

3.1.1 TL494 芯片主要特征

·集成了全部的脉宽调制电路

·内置主从振荡器

·内置误差放大器

·内置5.0V参考基准电压源Array·可调整死区时间

·内置功率晶体管可提供最大500mA的驱动能力

·输出可控制推拉电路或单端电路

·欠压保护

3.1.2 TL494 工作原理简述

TL494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿

波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电和一个电容进行调节，其振荡频率计算公式为：

输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

3.1.3 TL494脉冲控制

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出

死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输

出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。

3.2 BUCK电路电感电容值的计算和选择

在BUCK变换器电路中给定输入电压Vs的范围、输出电压Vo、功率P输出电流I。、纹波电压的范围△Vo，开关频率fs，就可以推出电路中L、C的参数值和所需要开关管和二极管的耐压和耐流值，从而选定各自的型号。

从图3-4中的i L波形图可知，在开关管Tr导通期间(t0—t1)，电感电流上升量为：

在开关管关断期间，电感电流的下降量为

由于稳态时这两个电流变化量相等，即错误！未找到引用源。所以由上述两式可得:

由上式整理得 3.2.1 电感L 的确定

由于产生脉冲的芯片相应R ＝4.7K 欧姆，C ＝103.则芯片产生的脉冲频率为f=1.1/(RC).计算得f=23.4KHZ.在电感充放电一个周期内：

得i I L ?=2 开通时 L t U U i o i /)(-=? 且

对于BUCK 电路，开通时， t=D s T 所以

故计算得出L ≥H μ57 3.2.2 电容C 的确定

流经电容的电流是（错误！未找到引用源。），由于错误！未找到引用源。对电容的充放电产生的纹波电压错误！未找到引用源。

代入数值得 所以电容选取103的瓷片电容。

3.3.3 MOSFET 的选择

S L S T

I T i ?=??21o i U U dt

di

L

-=i o U U D =L

s o i I DT U U L 2/)(-

≥F

C μ06.00.02

3578)

5.01(6)1034(2.2

=???-?=

?

开关管的峰值电流为：

开关管的耐压值为：

根据要求。A I V V V V d ds gs 1,15,10<<> 在本次设计中选择IRF9Z34N 型MOSFET 。

3.4输出电路

输出电路采用LC 电路

3-4 LC 输出电路

原理：当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关管

截止时，由于电感上的电流不能突变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时续流二极管导通，构成闭合回路。电容起到滤波平滑输出的作用。

根据设计要求，输出电压为6V,输出电压纹波小于2%，则输出纹波电压小

于120mV 。

四 实验结果图及分析

4.1实验结果图如下：

4.2实验结果分析

设计小结

参考文献

[1]董国增, 《电气CAD技术》北京:机械工业出版社, 2006

[2]王兆安,黄俊, 《电力电子技术》北京:机械工业出版社, 2000

[3]高频开关电源实用新技术, 刘胜利，机械工业出版社, 2006

[4]开关稳压电源的设计和应用，裴云庆，机械工业出版社, 2011

电力电子装置设计与制作成绩评定表

指导教师签字：

电气与电子信息工程学院

《控制系统课程设计》

课程设计报告

名称：电力电子装置设计与制造

专业名称：电气工程及其自动化

班级： 2012级专升本班

学号： 201220210111

姓名：宋小飞

指导教师：胡国珍南光群

设计时间：2013/11/19～2013/11/30 设计地点： K2电力电子实验室

《电力电子装置设计与制作》课程设计任务

书

2012～2013学年第一学期

学生姓名：宋小飞专业班级： 2012级电气自动化（专升本）

指导教师：胡国珍南光群工作部门：电气与电子信息工程学院

一、课程设计题目：电力电子装置设计与制作

二、课程设计内容

根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。

设计题目选：

题目一：开关直流降压电源（BUCK）设计

主要技术指标：

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。

2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压5-16V，输出电压纹波小于2%。

4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

题目二：开关直流升压电源(BOOST)设计

主要技术指标：

1）输入交流电压220V（可省略此环节）。

2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。

4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

三、进度安排

四、基本要求

1、独立设计原理图各部分电路的设计；

2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。

3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。

4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。

○1封面、课程设计任务书

○2摘要，关键词（中英文）

○3方案选择，方案论证

○4系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）

○5各模块的功能，原理，器件选择

○6实验结果以及分析

○7设计小结

○8附录---参考文献