電力電子課程設計報告---基于tl494電壓型控制的buck變換器

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　名稱 基于TL494電壓型控制的Buck變換器 </p><p>　　2010年12月27日至 2010年12月31日共1周</p><p>　　院 　系 電子信息工程系</p><p>　　班 級

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　系　主　任 </p><p>　　教研室主任 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　目錄</b><

3、/p><p>　　一、TL494控制Buck變化器工作原理·········3</p><p>　　1.1 TL494工作原理</p><p>　　1.2 Buck電路的工作原理</p><p><b>　?。?）主電路 </b>&l

4、t;/p><p><b>　?。?）檢測電路</b></p><p>　　1.3整個電路的工作原理</p><p>　　二、元件測試及篩選·················

5、3;·············11 三、布局和布線···················&#

6、183;···············13</p><p>　　3.1布局考慮的因素</p><p>　　3.2布局的方法及走線方案</p><p>　　四、焊接····

7、3;····································13

8、</p><p>　　4.1 焊接前預處理</p><p>　　4.2焊接要求及要領</p><p>　　五、測試·····················&

9、#183;···················15</p><p><b>　　5.1測試方案</b></p><p>　?。?）儀器設備的準備</p><p

10、><b>　?。?）測試目的</b></p><p>　　（3）測試內(nèi)容：靜態(tài)測試，動態(tài)測試。</p><p>　?。?）測試步驟及測試數(shù)據(jù)</p><p>　　總結(jié)與體會··············

11、·····················20</p><p>　　TL494控制Buck變化器工作原理</p><p>　　1.1 TL494工作原理</p><

12、;p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。其主要特性如下：</p><p><b>　　TL494主要特征</b></p><p>　　集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元

13、件僅兩個（一個電阻和一個電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)止5V參考基準電壓源?？烧{(diào)整死區(qū)時間。內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力。推或拉兩種輸出方式。</p><p><b>　　TL494外形圖</b></p><p><b>　　TL494引腳圖</b></p><p>　　TL494工作原理簡述</

14、p><p>　　TL494是專用雙端脈沖調(diào)制器件，TL494為固定頻率的PWM控制電路，它結(jié)合了全部方塊圖所需之功能，在切換式電源供給器里可單端式或雙坡道式的輸出控制。如圖1所示為TL494控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與方塊圖其內(nèi)部的線性鋸齒波振蕩器乃為頻率可規(guī)劃式(frequency programmable)，在腳5與腳6連接兩個外部元件RT與CT，既可獲得所需之頻率其頻率可由下式計算得知</p><p&

15、gt;　　圖1 TL494控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與方塊圖片</p><p>　　輸出脈波寬度調(diào)變之達成可借著在電容器CT端的正鋸齒波形與兩個控制信號中的任一個做比較而得之。電路中的NOR閘可用來驅(qū)動輸出三極管Q1與Q2，而且僅當正反器的時鐘輸入信號是在低準位時，此閘才會在有效狀態(tài)，此種情況的發(fā)生也是僅當鋸齒波電壓大于控制信號電壓的期間里。當控制信號的振幅增加時，此時也會一致引起輸出脈波寬度的線性減少。如圖2所示的波形圖

16、。 </p><p>　　圖2 TL494控制器時序波形圖</p><p>　　外部輸入端的控制信號可輸入至腳4的截止時間控制端，與腳1、2、15、16誤差放大器的輸入端，其輸入端點的抵補電壓為120mV，其可限制輸出截止時間至最小值，大約為最初鋸齒波周期時間的4%。當13腳的輸出模控制端接地時，可獲得96%最大工作周期，而當13腳接制參考電壓時，可獲得48%最大工作周期。如果我們在第4腳

17、截止時間控制輸入端設定一個固定電壓，其范圍由0V至3.3V之間，則附加的截止時間一定出現(xiàn)在輸出上。</p><p>　　PWM比較器提供一個方法給誤差放大器，乃由最大百分比的導通時間來做輸出脈波寬度的調(diào)整，此乃借著設定截止時間控制輸入端降至零電位，而此時再回授輸入腳的電壓變化可由0.5V至3.5V之間，此二個誤差放大器有其模態(tài)(common-mode)輸入范圍由-0.3V至(Vcc-2)V，而且可用來檢知電源供給

18、器的輸出電壓與電流。</p><p>　　誤差放大器的輸出會處于高主動狀態(tài)，而且在PWM比較器的非反相輸入端與其誤差放大器輸出乃為或閘(OR)運算結(jié)合，依此電路結(jié)構(gòu)，放大器需要最小輸出導通時間，此乃抑制回路的控制，通常第一個誤差放大器都使用參考電壓和穩(wěn)壓輸出的電壓做比較，其環(huán)路增益可依靠回授來控制。而第3腳通常用做頻率的補償，它主要目的是為了整個環(huán)路的穩(wěn)定度，特別注意的是運用回授時必須避免第3腳輸入過載電流大于6

19、00µA，否則最大脈波寬度將會被不正常的限制，此兩種誤差放大器，都可利用不管是正相或反相放大都可用來穩(wěn)壓。</p><p>　　第二個誤差放大器可用來做過電流檢知回路，可使用檢知電阻來與參考電壓元作比較，這回路的工作電壓接近地端，而此誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率(slew rate)在7V之Vcc時為2V/µs。但無論如何在高頻運用中。由于脈波寬度比較器和控制邏輯的傳播延遲使得他不能用為動態(tài)電流限制器

20、。它可運用于恒流限制電路或者外加元件作成電流回疊(current feed-back)的限流裝置，而動態(tài)電流限制最好能使用截止時間控制輸入端的第4腳。</p><p>　　當電容器CT放電時，在截止時間比較器輸出端會有正脈波信號輸出，此時鐘脈波可控制操作正反器，且會抑制輸出三極管Q1與Q2，若將輸出?？刂频牡?3腳連接至參考電壓準位線，此時在推挽式操作下，則兩個輸出三極管在脈波信號調(diào)變下會交替地導通，這時每一個輸

21、出的轉(zhuǎn)換頻率是振蕩器頻率的一半。</p><p>　　當以單端方式(single-ended)操作時，最大工作周期須少于50%，此時輸出驅(qū)動可出三極管Q1或Q2取得，若在單端方式操作下需要較高的輸出電流，可以將Q1與Q2三極管以并聯(lián)方式連接，而且輸出?？刂频牡?3腳必須接地，則使得正反器在失效(disable)狀態(tài)，此時輸出的轉(zhuǎn)換頻率乃相當于震蕩器之頻率。</p><p>　　因此TL49

22、4約兩個輸出級可以用單端方式或是推挽式來輸出，兩個輸出關系是不被拘束的，兩個集極和射極都有輸出端可以利用，在共射極狀態(tài)下，集極和射極電流在200ｍＡ時，集極和射極飽和電壓大約在1.1V，而在共集極結(jié)構(gòu)下的電壓是15V，在輸出過載之下兩個輸出都有保護作用，一般這兩個輸出在共射極的轉(zhuǎn)換時間為，所以我們可以知道其轉(zhuǎn)換速度非常地快，操作頻率可達300KHZ，在25℃時輸出漏電流一般都小于1µＡ。</p><p>

23、;　　TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.2 Buck電路的工作原理</p><p>　　圖（1）是最基本的開關直流變換器原理圖，圖（1）(b)是負載R上的電壓波形圖。</p><p>　　圖（1）：(a) 最基本的開關直流變換器 (b) 負載電壓波形</p><p>　　Fig. （1）: (a) Fundamental S

24、witch model Dc/DC converter (b) Waveform of the load</p><p><b>　　定義： 為占空比。</b></p><p>　　根據(jù)波形圖可以得到，Uo的平均值為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　負載得到的平均

25、功率為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　從（1）、（2）式可以看出，調(diào)節(jié)D的大小可以達到調(diào)節(jié)輸出電壓、輸出功率的目的。調(diào)D的方法有兩種，分別是：</p><p>　?。?）保持ton不變，改變Ts。這種方法稱為脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation/PFM）。因為脈沖的頻率要改變，給

26、濾波器的設計帶來一定的困難，所以PFM方式在實際工作中一般不用。</p><p>　?。?）保持Ts不變，改變ton。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation/PWM）。這種工作方式下，輸出電壓的頻率是固定的，改變的是脈沖的寬度。所以實際工作常用PWM方式。</p><p>　　Buck 直流變換器是一種降壓型的直流變換器，即輸出電壓只能比輸入電壓低。<

27、/p><p>　　圖（2），(a)是Buck 直流變換器的電路圖, 各元件的名稱和作用分別是：</p><p><b>　　Ud輸入直流電源。</b></p><p>　　T半導體開關，可以是GTR、MOSFET或IGBT中的任何一種。</p><p>　　L濾波電感，也是能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出的儲能器件。</p>

28、<p><b>　　C濾波電容。</b></p><p><b>　　D續(xù)流二極管。</b></p><p>　　R負載，負載上得到的是輸出電壓。</p><p>　　圖（2），(b)、(c)分別是T處于開通和關斷時的等效電路。圖(d)是各主要參數(shù)的理論波形圖。下面結(jié)合電路圖和波形圖對Buck 直流變換器進行

29、工作原理分析。</p><p>　?。?）輸出電壓平均值</p><p><b>　?。?）輸出功率</b></p><p>　　根據(jù)電感電流的連續(xù)與否，Buck 直流變換器的工作方式可以分為兩種，一種是電感電流連續(xù)工作方式，另一種是電感電流斷流工作方式，主要分析電感電流連續(xù)工作方式是電路各主要參數(shù)的關系。</p><p&g

30、t;　　圖（2）：Buck DC/DC變換器及其工作原理</p><p>　　Fig.（2）: Buck DC/DC converter and its principle </p><p>　?。?）電感電流連續(xù)工作方式下的參數(shù)分析</p><p><b>　　在開關導通期間：</b></p><p><b>

31、;　　在開關關段期間：</b></p><p>　　1.3整個電路的工作原理</p><p>　　TL494電壓型控制的Buck變換器是基于TL494芯片控制Buck DC/DC進行降壓變換的。它是通過采樣輸出的電壓與14腳輸出的5V的基準電壓做比較。輸入到誤差放大器1內(nèi)，進行誤差放大。經(jīng)過TL494內(nèi)部電路。把誤差電壓轉(zhuǎn)換成脈沖信號從8腳和11腳輸出。由于8腳和11連接在一起

32、。所以輸出脈沖電壓得到了提高。經(jīng)過150歐電阻加到TIP32的基極。但由于11腳輸出脈沖無法驅(qū)動TIP32正常工作。所以在TIP的基極接一個上拉電阻。使TIP正常工作。</p><p><b>　　震蕩的實現(xiàn)：</b></p><p>　　它是通過5腳對地接一個0.001uF的電容。6腳對地接一個47K的電阻。構(gòu)成的一個震蕩環(huán)節(jié)。產(chǎn)生一個鋸齒波電壓。</p>

33、;<p><b>　　降壓的實現(xiàn)：</b></p><p>　　它是通過控制TIP32的導通和關斷來改變輸出電壓的大小。在經(jīng)過濾波穩(wěn)壓后輸出。</p><p><b>　　保護電路的實現(xiàn)：</b></p><p>　　它是通過0.1歐電阻上的電壓來控制TL494的工作。0.1歐上的電壓如果過大。會使誤差放大器

34、2工作。放大0.1歐電阻上的電壓。使電路不工作，進入保護狀態(tài)。</p><p><b>　　元件測試及篩選</b></p><p>　　（1）電子元器件檢測方法</p><p>　　電阻器的檢測方法與經(jīng)驗：</p><p><b>　　固定電阻器的檢測。</b></p><p&g

35、t;　　將兩表筆(不分正負)分別與電阻的兩端引腳相接即可測出實際電阻值。為了提高測量精度，應根據(jù)被測電阻標稱值的大小來選擇量程。由于歐姆擋刻度的非線性關系，它的中間一段分度較為精細，因此應使指針指示值盡可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20％～80％弧度范圍內(nèi)，以使測量更準確。根據(jù)電阻誤差等級不同。讀數(shù)與標稱阻值之間分別允許有±5％、±10％或±20％的誤差。如不相符，超出誤差范圍，則說明該電阻值變值了

36、。</p><p>　　水泥電阻的檢測。檢測水泥電阻的方法及注意事項與檢測普通固定電阻完全相同。</p><p>　　電位器的檢測。 檢測電位器的活動臂與電阻片的接觸是否良好。用萬用表的歐姆檔測“1”、“2”(或“2”、“3”)兩端，將電位器的轉(zhuǎn)軸按逆時針方向旋至接近“關”的位置，這時電阻值越小越好。再順時針慢慢旋轉(zhuǎn)軸柄，電阻值應逐漸增大，表頭中的指針應平穩(wěn)移動。當軸柄旋至極端位置“3”時

37、，阻值應接近電位器的標稱值。如萬用表的指針在電位器的軸柄轉(zhuǎn)動過程中有跳動現(xiàn)象，說明活動觸點有接觸不良的故障。</p><p>　　電容器的檢測方法與經(jīng)驗</p><p><b>　　固定電容器的檢測</b></p><p>　　使用萬用表電阻擋，采用給電解電容進行正、反向充電的方法，根據(jù)指針向右擺動幅度的大小，可估測出電解電容的容量。</

38、p><p><b>　　二、元件表</b></p><p><b>　　布局和布線。</b></p><p>　　3.1布局考慮的因素</p><p>　　、元器件均勻分布在電路板上。排放整齊合理。</p><p>　　、不出現(xiàn)跳線，飛線等錯線解法。</p><

39、;p>　　3.2布局的方法及走線方案</p><p><b>　　布局走線如圖所示</b></p><p>　　芯片盡量放在電路板的中央。輸入端盡量放在電路板的一側(cè)?？吭诎遄拥倪吘墶?lt;/p><p>　　輸出也盡量放在電路板的一側(cè)?？吭诎遄拥倪吘?。三極管TIP32因為功率比較大。所以要加散熱片。所以三極管TIP32盡量放在邊上。這樣容易加

40、散熱片。也容易散熱。不會干擾電路中其他電路元件的正常工作。</p><p><b>　　四、焊接</b></p><p>　　4.1 焊接前預處理</p><p>　　焊接工具準備齊全。電烙鐵的烙鐵頭清理干凈。元件管腳折好。</p><p>　　4.2焊接要求及要領</p><p>　　1．焊接表

41、面必須保持清潔 即使是可焊性好的焊件，由于長期存儲和污染等原因，焊件的表面可能產(chǎn)生有害的氧化膜、油污等。所以，在實施焊接前必須清潔表面，否則難以保證質(zhì)量。 2．焊接時溫度、時間要適當，加熱均勻 焊接時，將焊料和被焊金屬加熱到焊接溫度，使熔化的焊料在被焊金屬表面浸濕擴散并形成金屬化合物。因此，要保證焊點牢固，一定要有適當焊接溫度 在足夠高的溫度下，焊料才能充分浸濕，并充分擴散形成合金層。過高的溫度是不利于焊

42、接的。焊接時間對焊錫、焊接元件的浸濕性、結(jié)合層形成都有很大的影響。準確掌握焊接時間是優(yōu)質(zhì)焊接的關鍵。 3．焊點要有足夠的機械強度 為了保證被焊件在受到振動或沖擊時不至于脫落、松動，因此，要求焊點要有足夠的機械強度。為使焊點有足夠的機械強度，一般可采用把被焊元器件的引線端子打彎后再焊接的方法，但不能用過多的焊料堆積，這樣容易造成虛焊和焊點與焊點之間的短路。 4．焊接必須可靠，保證導電性能 為使焊點有良好的導

43、電性能，必須防止虛焊。虛焊是指焊料與被焊物表面沒有形成合金結(jié)構(gòu)，只是簡單地依附在被焊金屬的表面。在焊接時，如果</p><p><b>　　五、 測試方案</b></p><p>　?。?）儀器設備的準備</p><p>　　直流電壓源 示波器 計頻器 萬用表 交流毫伏表</p><p><b

44、>　　（2）測試目的</b></p><p>　　檢測電路的性能-----能否穩(wěn)定地輸出5V電壓。</p><p>　　實現(xiàn)各元件作用，檢測電路工作性能的好壞。</p><p>　　測試電路正常工作的范圍。</p><p><b>　?。?）測試內(nèi)容。</b></p><p>&

45、lt;b>　　靜態(tài)測試；</b></p><p>　　輸入為15V電壓，測空載輸出時電路各點參數(shù)。</p><p><b>　　備注：</b></p><p>　　1腳：電壓反饋輸入端 </p><p>　　2腳：接5.1K電阻接到Uref端</p><p>　　3腳：由0

46、.1UF電容 47K電阻 1M電阻構(gòu)成斜率補償電路，增強電路穩(wěn)定性</p><p>　　5腳：震蕩環(huán)節(jié)的輸出</p><p><b>　　14腳：基準電壓</b></p><p>　　4 7 9 10 13 16 腳均接地（13腳接地為單端輸出）</p><p>　　還需測8腳電壓 Vce電壓，確定Vce+Vo是否等于V

47、i 以及5腳震蕩時的頻率F</p><p><b>　　動態(tài)測試</b></p><p><b>　?。?）空載</b></p><p>　　輸入不同的Vi，測其輸出的電壓值。比較不同輸入下輸出電壓的變化。畫出輸出電壓變化曲線。測出該電路的紋波電壓Vo</p><p>　　（2）有載（阻性R=38歐

48、）</p><p>　　輸入不同的Vi，測其輸出的電壓值，輸出電流值及輸入電流值。計算出該電路的工作效率、電壓調(diào)整率以及電流調(diào)整率。觀測三極管TIP32基極電壓的波形。</p><p>　?。?）不同負載時的輸出（阻性）</p><p>　　輸入電壓Vi=15V，改變負載的阻值。測出輸入電流、輸出電壓輸出電流并計算電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率。</p>&l

49、t;p><b>　　備注：</b></p><p><b>　　電壓調(diào)整率Sv：</b></p><p>　　電壓調(diào)整率定義為：當輸入電壓不變，負載電流從零變化到額定值時，輸出電壓的相對變化，通常用百分數(shù)表示。 　　dU=(Uo-U)/Uo 　　Uo: 空載時輸出電壓 　　U: 設計電壓。</p><p><b

50、>　　電流調(diào)整率Si： </b></p><p>　　電流調(diào)整率是反映直流穩(wěn)壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。它表征當輸入電壓不變時，直流穩(wěn)壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規(guī)定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流調(diào)整率。</p><p>　　比較空載和有載時輸

51、出電壓的不同</p><p>　　備注：由于電路中三極管TIP32在接通電源后，工作在放大狀態(tài)。而不是工作在開關狀態(tài)。所以電路無法正常工作。因為三極管TIP的基極電壓過低無法使三極管TIP工作在開關狀態(tài)。所以改變積極的上拉電阻，提高基極的電壓。經(jīng)調(diào)試，上拉電阻的阻值為25歐。可使三極管工作在開關狀態(tài)。并且電路能正常工作。</p><p><b>　　參考文獻:</b>

52、</p><p>　　《現(xiàn)代高頻開關電源實用技術(shù)》----劉勝利</p><p>　　《開關電源應用、設計與維修》 等 </p><p>　　（4）測試步驟及測試數(shù)據(jù)</p><p>　　一、靜態(tài)：輸入Vi=15V。</p><p><b>　　二、動態(tài)。</b></p><

53、;p>　　在同一負載下不同的輸入電壓對應的輸出電壓。</p><p>　　Vi=15V恒定不變，不同負載的情況下的各參數(shù)</p><p><b>　　測試使用的試驗臺</b></p><p><b>　　總結(jié)與體會</b></p><p>　　經(jīng)過一周的電力電子課程設計，我對Buck變換器又有