一種適合教學(xué)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

引 言

　　線性穩(wěn)壓電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，輸出電壓脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是效率低，一般只有20％～40％，并且比較笨重。開關(guān)型穩(wěn)壓電路能克服線性穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)，具有效率高，一般能達(dá)到65％～90％，并且體積小，重量輕，對(duì)電網(wǎng)電壓要求不高，因而在實(shí)際生活中得到廣泛應(yīng)用。也正因?yàn)槠鋺?yīng)用的廣泛性，相應(yīng)專業(yè)的學(xué)生就更應(yīng)該深刻和熟練地掌握它，在此以設(shè)計(jì)脈沖寬度調(diào)制型開關(guān)電路(PWM)為基礎(chǔ)，詳細(xì)解說該系統(tǒng)的調(diào)試過程。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　PWM型的開關(guān)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(jiǎn)單，只要采用相應(yīng)的變壓器、單相全波整流、電容式濾波即可實(shí)現(xiàn)，這里不用更多的篇幅介紹。此系統(tǒng)的核心模塊是方框圖中的閉合(負(fù)反饋)模塊。如果直接采用Boost型DC-DC升壓器，實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)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(dá)到較高的指標(biāo)，且為開環(huán)控制。對(duì)此采用Maxim公司生產(chǎn)的專用開關(guān)芯片TL494芯片，它采用開關(guān)脈寬調(diào)制(PWM)，效率高，外圍電路也較簡(jiǎn)單，可以方便實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

　　1．1 TL494工作原理

　　TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是一種固定頻率可自行設(shè)置，并應(yīng)用脈空調(diào)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(chǎn)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(nèi)時(shí)，9口(或10口)輸出低電平，在偏差小于鋸齒波范圍內(nèi)時(shí)，9口(或10口)輸出高電平。若偏差值越大，TL494輸出高電平的區(qū)間越小。由此可見，通過調(diào)整誤差放大器輸入口的偏差可改變占空比。

　　1．2 升壓變換器的工作原理

　　如圖3所示，通過控制開關(guān)管Q1的導(dǎo)通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。它的工作原理是：設(shè)開關(guān)管Q1由信號(hào)VG控制，當(dāng)VG為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，反之，Q1關(guān)斷。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電感兩端電壓VL=Vi，電感儲(chǔ)能增加，同時(shí)負(fù)載由電容供電。當(dāng)Q1斷開時(shí)，因電感L上的電流不能突變，故電感電流iL向電容和負(fù)載供電，電感上儲(chǔ)存的能量傳遞到電容、負(fù)載側(cè)。此時(shí)，iL減小，L上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)VL<0，所以Vo>Vi。由此，當(dāng)Q1導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)(即占空比越大)，電感上儲(chǔ)存的能量越多，Vo也越大。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　基于前面的分析，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(jī)實(shí)現(xiàn)，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(huán)控制。當(dāng)輸出電壓高于期望值時(shí)，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??；當(dāng)輸出電壓減小時(shí)，基本可以做到與期望值相等，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定。若想增大輸出，可升高2口的電壓。控制過程如下：原系統(tǒng)穩(wěn)定，當(dāng)升高2口電壓，1口電壓瞬時(shí)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。