畢業(yè)設(shè)計(jì)----基于tl494的dc-dc開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于TL494的DC-DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,電子設(shè)備的種類也越來越多,電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。近年來 ,隨著功率電子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技術(shù)及開關(guān)電源理論的發(fā)展 ,新一代的電源開始逐步取代傳統(tǒng)的電

2、源電路。該電路具有體積小，控制方便靈活，輸出特性好、紋波小、負(fù)載調(diào)整率高等特點(diǎn)。 </p><p>　　開關(guān)電源中的功率調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，具有功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、溫升低、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，在通信設(shè)備、數(shù)控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電子電路中得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多, 常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本論文采用雙端驅(qū)動(dòng)集成電路——TL494輸?shù)?/p>

3、PWM脈沖控制器設(shè)計(jì)小汽車中的音響供電電源，利用MOSFET管作為開關(guān)管，可以提高電源變壓器的工作效率，有利于抑制脈沖干擾，同時(shí)還可以減小電源變壓器的體積。</p><p>　　關(guān)鍵詞：IGBT，PWM，推挽電路，半橋電路，單端正激</p><p>　　BASED ON THE DC-DC TL494 SWITCHING POWER SUPPLY</p><p>&

4、lt;b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of electronic technology, electronic systems, more and more extensive applications, the types of electronic equipment, more and more electroni

5、c equipment and people work and live closer and closer. In recent years, with the power electronic devices (such as IGBT, MOSFET), PWM switching power supply technology and development of the theory, a new generation of

6、power began to gradually replace the traditional power supply circuits. The circuit is small, flexible to contr</p><p>　　Switching power supply in the power adjustment control work in the off state, with low

7、 power consumption, high efficiency, wide voltage range, low temperature rise, and other outstanding advantages of small size, the communication equipment, CNC equipment, Instrumentation, video audio, home appliances so

8、widely used in electronic circuits. High frequency converter switching power supply so many forms of commonly used with push-pull converter, full bridge, half bridge, single-ended forward and th</p><p>　　KEY

9、 WORDS: IGBT，MOSFET，Push-pull circuit，Half bridge circuit, Single-ended forward</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　前　言1</b></p><p>　　第1章 開關(guān)電源基礎(chǔ)技術(shù)2</p>

10、<p>　　1.1 開關(guān)電源概述2</p><p>　　1.1.1 開關(guān)電源的工作原理2</p><p>　　1.1.2 開關(guān)電源的組成3</p><p>　　1.1.3 開關(guān)電源的特點(diǎn)3</p><p>　　1.2 開關(guān)電源的分類4</p><p>　　1.3 電源電路組成4</p>

11、;<p>　　1.4開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.4.1串聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.4.2并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.5 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET7</p><p>　　1.6 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)9</p><p>　　第2章 開關(guān)變換電路12

12、</p><p>　　2.1 推挽開關(guān)變換電路12</p><p>　　2.1.1 推挽開關(guān)變換基本電路12</p><p>　　2.1.2 自激推挽式變換器13</p><p>　　2.2 半橋變換電路16</p><p>　　2.3 正激變換電路17</p><p>　　2.4 D

13、C/DC升壓模塊設(shè)計(jì)18</p><p>　　第3章 雙端驅(qū)動(dòng)集成電路TL49421</p><p>　　3.1 TL494簡(jiǎn)介21</p><p>　　3.2 TL494的工作原理22</p><p>　　3.3 TL494內(nèi)部電路22</p><p>　　3.31 TL494管腳功能及參數(shù)24</

14、p><p>　　3.4 TL494構(gòu)成的PWM控制器電路25</p><p>　　第4章 TL494 在汽車音響供電電源中的應(yīng)用27</p><p>　　4.1 汽車音響電源簡(jiǎn)述27</p><p>　　4.2 汽車音響供電電源的組成29</p><p>　　4.2.1 TL494的輔助電路設(shè)計(jì)29</p&

15、gt;<p>　　4.2.2 主電路的設(shè)計(jì)31</p><p><b>　　結(jié) 論32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　附 錄35</b

16、></p><p><b>　　外文資料翻譯36</b></p><p><b>　　前　言</b></p><p>　　電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備、在信息時(shí)代，農(nóng)業(yè)、能源、交通運(yùn)輸、信息、國(guó)防教育等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)電源產(chǎn)業(yè)提出了更多、更高的要求，如：節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、環(huán)保、可靠、安全等。

17、這就迫使電源工作者在電源研發(fā)過程中不斷探索，尋求各種相關(guān)技術(shù)，做出最好的電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的要求。開關(guān)電源是一種新型電源設(shè)備，較之于傳統(tǒng)的線性電源，其技術(shù)含量高，耗能低，使用方便，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年

18、代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源

19、，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。</p><p>　　由于小汽車音響受到12V供電的制約，無論輸出功率還是音場(chǎng)效果都難以進(jìn)一步提高。在此情況下，從上世紀(jì)末，歐洲生產(chǎn)的汽車音響中開始采用DC-DC變換器，將12V蓄電池供電變換為±24V-±50V，向汽車音響提供電源。目前，DC-

20、DC變換器與機(jī)械變流器相比，已今非昔比，其開關(guān)頻率可達(dá)100KHZ以上，效率接近90%。</p><p>　　第1章 開關(guān)電源基礎(chǔ)技術(shù)</p><p>　　1.1 開關(guān)電源概述</p><p>　　1.1.1 開關(guān)電源的工作原理</p><p>　　開關(guān)電源的工作原理可以用圖1-1進(jìn)行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關(guān)S加至輸出端，S為

21、受控開關(guān)，是一個(gè)受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管。使開關(guān)S按要求改變導(dǎo)通或斷開時(shí)間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓U0。</p><p>　　圖1-1 開關(guān)電源的工作原理</p><p>　　(a)為原理性電路圖，(b)為波形圖</p><p>　　為方便分析開關(guān)電路，定義脈沖占空比如下：</

22、p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中T表示開關(guān)S的開關(guān)重復(fù)周期；TON表示開關(guān)S在一個(gè)開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間[1]。</p><p>　　開關(guān)電源直流輸出電壓U0與輸入電壓Ui之間有如下關(guān)系：</p><p><b>　　(1-2)</b></p><p

23、>　　由(1-2)式可以看出，若開關(guān)周期T一定，改變開關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間TON，即可改變脈沖占空比D，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變TON來實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的方式叫做脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于PWM式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計(jì)，易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，所以PWM式開關(guān)電源用得較多。若保持TON不變，利用改變開關(guān)頻率f=1/T實(shí)現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓U0穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式開關(guān)電源。由于

24、開關(guān)頻率不固定，所以輸出濾波電路的設(shè)計(jì)不易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。既改變TON，又改變T，實(shí)現(xiàn)脈沖占空比的調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)方式均有應(yīng)用。</p><p>　　1.1.2 開關(guān)電源的組成</p><p>　　開關(guān)電源由以下四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，見圖1-2所示。其中DC/DC變換器用以進(jìn)行功率變換，是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動(dòng)器是開關(guān)信號(hào)的放大部分，對(duì)

25、來自信號(hào)源的開關(guān)信號(hào)放大，整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求；信號(hào)源產(chǎn)生控制信號(hào)，由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是PWM信號(hào)，也可以是PFM信號(hào)或其它信號(hào)；比較放大器對(duì)給定信號(hào)和輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號(hào)的幅值，頻率，波形等，通過驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)器件的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動(dòng)電路、過流過壓保護(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等。</p><p>　　DC/DC變換器

26、有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。</p><p>　　開關(guān)電源與線性電源相比，輸入的瞬態(tài)變換比較多地表現(xiàn)在輸出端，在提高開關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也能得到改善。負(fù)載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器的特性決定。所以可以通過提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC的方法改善瞬態(tài)響應(yīng)特性[2]。</p>

27、<p>　　圖1-2 電源基本組成框圖</p><p>　　1.1.3 開關(guān)電源的特點(diǎn)</p><p>　　(1)效率高：開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可達(dá)90%以上。</p><p>　　(2)重量輕：由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，電源的重量只有同容量線性

28、電源的1/5，體積也大大縮小。</p><p>　　(3)穩(wěn)壓范圍寬：開關(guān)電源的交流輸入電壓在90~270V范圍變化時(shí)，輸出電壓的變化在±2%以下。合理設(shè)計(jì)電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬，并保證開關(guān)電源的高效率。</p><p>　　(4)可靠安全：在開關(guān)電源中，由于可以方便的設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，所以當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保護(hù)功能可靠。</p><

29、;p>　　(5)功耗?。河捎诠β书_關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境而損壞，所以采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。</p><p>　　1.2 開關(guān)電源的分類</p><p>　　1.按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式，開關(guān)電源可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)式、脈沖頻率調(diào)制(PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種。</p&

30、gt;<p>　　2.按開關(guān)電源的觸發(fā)方式分類　 自激式開關(guān)電源，自激式開關(guān)電源利用電源電路中的開關(guān)晶體管和高頻脈沖變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，使開關(guān)電源輸出直流電壓。在顯示設(shè)備的PWM式開關(guān)電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時(shí)，電源電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓?！　∷な介_關(guān)電源，它激式開關(guān)電源必須有一個(gè)振蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。

31、 </p><p>　　3.按其他方式分類　　按電路的輸出取樣方式分類，可分為直接輸出取樣開關(guān)電源，間接輸出取樣開關(guān)電源；開關(guān)電源按功率開關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；按功率開關(guān)管與電源供電、儲(chǔ)能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源。</p><p>　　1.3 電源電路組成</p><p&

32、gt;　　電源電路一般由主開關(guān)電源、副電源、輔助電路等組成。</p><p><b>　　1.主開關(guān)電源</b></p><p>　　主開關(guān)電源的輸出功率較副電源、行輸出級(jí)二次電源的輸出功率要大。它將輸入220V交流輸入直接整流、濾波為300V左右的直流電壓，再經(jīng)過開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整環(huán)節(jié)中的開關(guān)調(diào)整管、開關(guān)變壓器、穩(wěn)壓控制電路、激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路對(duì)300V左右的直流電壓進(jìn)行D

33、C-DC開關(guān)變換，產(chǎn)生各種所需的穩(wěn)定直流電壓輸出。主開關(guān)電源主要為主負(fù)載電路提供110～145V的直流電壓。遙控待機(jī)功能是通過對(duì)主開關(guān)電源的控制實(shí)現(xiàn)的，主開關(guān)電源一旦停止工作，則相應(yīng)的功率放大級(jí)也將停止工作，于是主負(fù)載失去了直流供電。 </p><p><b>　　2.副電源</b></p><p>　　副電源的主要作用是為微處理器控制電路提供＋5V的供電電壓，副電源

34、電路一般較簡(jiǎn)單，既可采用簡(jiǎn)易開關(guān)電源也可以采用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電路，無論負(fù)載處于正常工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，副電源都必須正常工作。</p><p><b>　　3.輔助電路 </b></p><p>　　將行輸出變壓器中產(chǎn)生的行掃描脈沖進(jìn)行整流與濾波，就可以得到各種所需的直流電壓。由于它是由行輸出級(jí)經(jīng)直流-交流-直流的兩次變換，所以又稱為二次電源。行輸出級(jí)產(chǎn)生的各種直

35、流電壓主要給顯像管各電極供電，同時(shí)也可以為視頻輸出板尾板、場(chǎng)掃描，圖像和伴音通道供電。 </p><p>　　4.電源電路主要特點(diǎn)是：</p><p>　　(1)由于負(fù)載均屬高可靠性設(shè)備，對(duì)電源的要求較高，除了提供大的功率，還要求有高的效率。</p><p>　　(2)為擴(kuò)大儀器設(shè)備的使用范圍，要求電源電路能適應(yīng)110V和220V交流供電的需要。一般要求電源對(duì)交流

36、輸入市電電壓的適應(yīng)范圍為90～245V，并對(duì)50Hz及60Hz輸入頻率均能適應(yīng)。</p><p>　　(3)為了使負(fù)載儀器設(shè)備使用安全，要求機(jī)芯為冷底板設(shè)計(jì)．所以輸出穩(wěn)壓取樣反饋回路普遍采用光電耦合器進(jìn)行電源初、次級(jí)側(cè)的隔離，提高設(shè)備的抗干擾性和安全性。</p><p>　　(4)要求電源電路有良好的過壓、過流、輸出短路、X射線保護(hù)及復(fù)位功能。</p><p>　　

37、(5)為了保證遙控待機(jī)功能的正確實(shí)現(xiàn)，一般還加有副電源電路(待機(jī)電源)。副電源電路功率不大，在幾W的范圍，既可以用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)。也可以用線性電源實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　1.4開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.4.1串聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　串聯(lián)開關(guān)電源工作原理的方框圖如圖1-3所示。功率開關(guān)晶體管VT串聯(lián)在輸入與輸出之間。正常工作時(shí)，功率開關(guān)

38、晶體管VT在開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制脈沖的作用下周期性地在導(dǎo)通、截止之間交替轉(zhuǎn)換，使輸入與輸出之間周期性的閉合與斷開。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功率開關(guān)晶體管VT后輸出為周期性脈沖電壓，再經(jīng)濾波后，就可得到平滑直流輸出電壓U0。U0和功率開關(guān)晶體管VT的脈沖占空比D有關(guān)，見式(1－2)。</p><p>　　圖1-3 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖</p><p>　　輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會(huì)引起輸出直流電

39、壓的變化，通過輸出取樣電路將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，誤差電壓通過誤差放大器放大，控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比D，達(dá)到穩(wěn)定直流輸出電壓U0的目的。</p><p>　　1.4.2并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　并聯(lián)開關(guān)電源工作原理方框圖如圖1-4所示，功率開關(guān)晶體管VT與輸入電壓、輸出負(fù)載并聯(lián)，輸出電壓為：</p><p><b>　　(1-3)&l

40、t;/b></p><p>　　圖1-4為一種輸出升壓型開關(guān)電源，電路中有一個(gè)儲(chǔ)能電感，適當(dāng)利用這個(gè)儲(chǔ)能電感，可將并聯(lián)開關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛使用的變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源。</p><p>　　圖1-4 并聯(lián)開關(guān)電源原理圖</p><p>　　變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源工作框圖如圖1-5所示。功率開關(guān)晶體管VT與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開關(guān)晶體管

41、VT在開關(guān)脈沖信號(hào)的控制下，周期性地導(dǎo)通與截止，集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級(jí)得到脈沖電壓，這個(gè)脈沖電壓經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓U0。同樣經(jīng)過取樣電路將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓UE進(jìn)行比較被誤差放大器放大，由誤差放大器輸出至功率開關(guān)晶體管VT，通過控制功率開關(guān)晶體管VT的導(dǎo)通、截止達(dá)到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。由于采用變壓器耦合，所以變壓器的初、次級(jí)側(cè)可以相互隔離，從而使初級(jí)側(cè)電路地與次級(jí)側(cè)電路地分開，做到次級(jí)

42、側(cè)電路地不帶電，使用安全。同時(shí)由于變壓器耦合，可以使用多組次級(jí)線圈，在次級(jí)得到多組直流輸出電壓。</p><p>　　圖1-5 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 </p><p>　　1.5 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET</p><p>　　隨著信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合，形成了高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，其典型代表就是。&l

43、t;/p><p>　　1.電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管特點(diǎn)</p><p>　　電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡(jiǎn)稱電力Power MOSFET。 特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高， 熱穩(wěn)定性好。但是電流容量小，耐壓低，一般適用于功率不超過10kW的電源電子裝置。</p><p>　　2.MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理</p>&l

44、t;p>　　電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，圖1-6所示為N溝道結(jié)構(gòu)。電力MOSFET的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過。在導(dǎo)電狀態(tài)，即當(dāng)UGS大于開啟電壓或閾值電壓UT時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。</p>&

45、lt;p>　　(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (b)電氣圖形符號(hào)</p><p>　　圖1-6 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)</p><p>　　MOSFET開關(guān)時(shí)間在10～100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是電力電子器件中最高的。由于是場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功

46、率越大。</p><p>　　3.MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的選擇</p><p>　　(1)IR21系列 </p><p>　　因?yàn)镸OSFET開關(guān)頻率可達(dá)到100KHz，采用此類專用驅(qū)動(dòng)芯片最為理想。IR2011、IR221×系列均可工作在100KHz以上。同類型的高壓板橋驅(qū)動(dòng)IC有很完善的保護(hù)機(jī)制，可以很好的應(yīng)用于半橋、全橋、三項(xiàng)全橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</

47、p><p>　　(2)應(yīng)用隔離光耦驅(qū)動(dòng) </p><p>　　因?yàn)轭l率的原因，達(dá)不到要求。在開關(guān)頻率較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的延時(shí)，而且需要一組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源。使用高速光耦，其驅(qū)動(dòng)能力不足。</p><p>　　(3)脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器 </p><p>　　隔離效果好，但是輸出驅(qū)動(dòng)波形不易控制，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度不能大范圍調(diào)節(jié)，而且輸出寬脈沖時(shí)脈沖變壓

48、器容易飽和，因此主要應(yīng)用于開關(guān)頻率不高的電路[4]。</p><p>　　1.6 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1.輸出電壓調(diào)整率 </p><p>　　當(dāng)設(shè)計(jì)制作開關(guān)電源時(shí)，第一個(gè)測(cè)試步驟為將輸出電壓調(diào)整至規(guī)格范圍內(nèi)。此步驟完成后才能確保后續(xù)的規(guī)格能夠符合要求。 通常當(dāng)調(diào)整輸出電壓時(shí)，將輸入交流電壓設(shè)定為正常值，并且將輸出電流設(shè)定為正常值或滿載電流，然后

49、以數(shù)字電壓表測(cè)量電源供應(yīng)器的輸出電壓值并調(diào)整其電位器直到電壓讀值位于要求的范圍內(nèi)。 </p><p><b>　　2.電源調(diào)整率</b></p><p>　　電源調(diào)整率的定義為電源供應(yīng)器于輸入電壓變化時(shí)提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。此項(xiàng)測(cè)試系用來驗(yàn)證電源供應(yīng)器在最惡劣之電源電壓環(huán)境下，如高溫條件下，當(dāng)用電需求量最大時(shí)，其電源電壓最低；又如低溫條件下，用電需求量最小，其電源

50、電壓最高。在前述之兩個(gè)極端下驗(yàn)證電源供應(yīng)器之輸出電源的穩(wěn)定度是否合乎需求的規(guī)格。 </p><p>　　3.測(cè)量電壓調(diào)整率 </p><p>　　能提供可變電壓能力的電源，至少能提供待測(cè)電源供應(yīng)器的最低到最高之輸入電壓范圍。均方根值交流電壓表來測(cè)量輸入電源電壓，眾多的數(shù)字功率計(jì)能精確計(jì)量V、A、W、PF。 </p><p>　　測(cè)試步驟如下：將待測(cè)電源設(shè)備以正常輸入

51、電壓及負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定后，分別在低輸入電壓Vomin，正常輸入電壓Vonormal，及高輸入電壓Vomax下測(cè)量并記錄其輸出電壓值。 電源調(diào)整率ξ通常以一額定負(fù)載下，由輸入電壓變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比，如下列公式所示：</p><p><b>　　(1-4)</b></p><p>　　電壓調(diào)整率也可用表示為，在輸入電壓變化下，其輸出電壓偏差量須在規(guī)定之上

52、下限范圍內(nèi)，即輸出電壓上下限絕對(duì)值以內(nèi)。 </p><p><b>　　4.負(fù)載調(diào)整率</b></p><p>　　負(fù)載調(diào)整率的定義為開關(guān)電源的輸出負(fù)載電流變化時(shí)，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。此項(xiàng)測(cè)試系用來驗(yàn)證電源在最惡劣負(fù)載環(huán)境下，如在負(fù)載斷開，用電需求量最小，其負(fù)載電流最低的條件下，以及在負(fù)載最多，用電需求量最大，其負(fù)載電流最高的兩個(gè)極端下驗(yàn)證電源的輸出電源穩(wěn)定度是

53、否合乎需求的規(guī)格。 </p><p>　　所需的設(shè)備和連接與電源調(diào)整率相似，唯一不同的是需要精密的電流表與待測(cè)電源供應(yīng)器的輸出串聯(lián)。測(cè)試步驟如下：將待測(cè)電源供應(yīng)器以正常輸入電壓及負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定后，測(cè)量正常負(fù)載下之輸出電壓值，再分別在輕載、重載負(fù)載下，測(cè)量并記錄其輸出電壓值，負(fù)載調(diào)整率通常以正常之固定輸入電壓下，由負(fù)載電流變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比表示。當(dāng)輸出負(fù)載電流變化時(shí)，其輸出電壓之偏差量須在規(guī)定之

54、上下限電壓范圍內(nèi)，即輸出電壓之上下限絕對(duì)值以內(nèi)。 </p><p><b>　　5.綜合調(diào)整率</b></p><p>　　綜合調(diào)整率的定義為電源供應(yīng)器在輸入電壓與輸出負(fù)載電流變化時(shí)，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。這是電源調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率的綜合，此項(xiàng)測(cè)試是上述電源調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率的綜合，可提供對(duì)電源供應(yīng)器於改變輸入電壓與負(fù)載狀況下更正確的性能驗(yàn)證。 綜合調(diào)整率用下列方

55、式表示：當(dāng)輸入電壓與輸出負(fù)載電流變化時(shí)，其輸出電壓的偏差量須在規(guī)定之上下限電壓范圍內(nèi)(即輸出電壓之上下限絕對(duì)值以內(nèi))或某一百分比界限內(nèi)。 </p><p><b>　　6.輸出噪聲 </b></p><p>　　輸出噪聲(PARD)是指在輸入電壓與輸出負(fù)載電流均不變的情況下，其平均直流輸出電壓上的周期性與隨機(jī)性偏差量的電壓值。輸出噪聲是表示在經(jīng)過穩(wěn)壓及濾波后的直流輸出

56、電壓含有不需要的交流和噪聲部份，包含低頻50/60Hz電源倍頻信號(hào)、高于20 KHz高頻切換信號(hào)及其諧波，再與其他隨機(jī)性信號(hào)所組成等，通常以mVp-p峰對(duì)峰值電壓為單位來表示。一般的開關(guān)電源的指標(biāo)以輸出直流電壓的1%以內(nèi)為輸出噪聲規(guī)格，其頻寬為20Hz到20MHz，或其它更高的頻率如100MHz等。開關(guān)電源實(shí)際工作時(shí)最惡劣的狀況如輸出負(fù)載電流最大、輸入電源電壓最低等，要求電源設(shè)備在惡劣環(huán)境狀況下，其輸出直流電壓加上干擾信號(hào)后的輸出瞬時(shí)電

57、壓，仍能夠維持穩(wěn)定的輸出電壓不超過輸出高低電壓界限。否則將可能會(huì)導(dǎo)致電源電壓超過或低于邏輯電路如TTL電路所承受電源電壓而誤動(dòng)作，進(jìn)一步造成死機(jī)現(xiàn)象。 </p><p>　　例如5V輸出電源，其輸出噪聲要求為50mV以內(nèi)。此時(shí)包含電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、動(dòng)態(tài)負(fù)載等其他所有變動(dòng)，其輸出瞬時(shí)電壓應(yīng)介于4.75V至5.25V之間，才不致引起TTL邏輯電路之誤動(dòng)作。在測(cè)量輸出噪聲時(shí)，電子負(fù)載的PARD必須比待測(cè)的電源供應(yīng)

58、器的PARD值為低，才不會(huì)影響輸出噪聲測(cè)量。同時(shí)測(cè)量電路必須有良好的隔離處理及阻抗匹配，為避免導(dǎo)線上產(chǎn)生不必要的干擾、振鈴和駐波，一般都采用在雙同軸電纜的端點(diǎn)并以50Ω電阻，并使用差動(dòng)式量測(cè)方法以避免地回路噪聲電流，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。 </p><p>　　第2章 開關(guān)變換電路</p><p>　　由開關(guān)電源結(jié)構(gòu)可知，開關(guān)穩(wěn)壓器無論何種形式，自激或它激實(shí)際上都是由開關(guān)電路和穩(wěn)壓控制電路

59、兩大系統(tǒng)組成。常見的電源變換電路可以分為單端和雙端電路兩大類。單端電路包括正激和反激兩類；雙端電路包括全橋、半橋和推挽三類。每一類電路都可能有多種不同的拓?fù)湫问交蚩刂品椒?。單端開關(guān)電路受開關(guān)器件最大動(dòng)作電流的限制以及變換效率的影響，其輸出功率一般在200W左右。若需要大功率電源，必須采用新的電路結(jié)構(gòu)。推挽式、半橋式、橋式開關(guān)電路可以輸出較大功率，成為開關(guān)電源的主要電路形式。</p><p>　　2.1 推挽開關(guān)變

60、換電路</p><p>　　2.1.1 推挽開關(guān)變換基本電路</p><p>　　圖2-1為推挽式開關(guān)電路的示意圖。脈沖變壓器TC初、次級(jí)都有兩組對(duì)稱的繞組，其相位關(guān)系如圖所示，開關(guān)管用開關(guān)S代替。如果使S1、S2交替導(dǎo)通，通過變壓器將能量傳到次級(jí)電路，使V1、V2輪流導(dǎo)通，向負(fù)載提供能量。由于S1、S2導(dǎo)通時(shí)脈沖變壓器TC電流方向不同，形成的磁通方向相反，因此推挽電路與前述電路相比，提高

61、了磁心的利用率。磁心在四個(gè)象限內(nèi)的磁化曲線都被利用，在一定輸出功率時(shí)，磁心的有效截面積可以小于同功率的單端開關(guān)電路。此外當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率恒定時(shí)，紋波率也相對(duì)較小。</p><p>　　圖2-1 推挽式開關(guān)電路</p><p>　　推挽式開關(guān)電路中，能量轉(zhuǎn)換由兩管交替控制，當(dāng)輸出相同功率時(shí)，電流僅是單端開關(guān)電源管的一半，因此開關(guān)損耗隨之減小，效率提高。如果用同規(guī)格的開關(guān)管組成單端變換電路，輸出

62、最大功率為150W。若使用2只同規(guī)格開關(guān)管組成推挽電路，輸出功率可以達(dá)到400～500W。所以輸出功率200W以上的開關(guān)電源均宜采用推挽電路。</p><p>　　當(dāng)濾波電感L電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖2-1所示的對(duì)稱推挽電路有其缺憾之處。一是開關(guān)管承受反壓較高。當(dāng)開關(guān)

63、管截止時(shí)，電源電壓和脈沖變壓器初級(jí)二分之一的感應(yīng)電壓相串聯(lián)，加到開關(guān)管集電極和發(fā)射極，因而要求開關(guān)管VECO＞2VCC。二是推挽電路相當(dāng)于單端開關(guān)電路的對(duì)稱組合，只有當(dāng)開關(guān)管特性、脈沖變壓器初、次級(jí)繞組均完全對(duì)稱，脈沖變壓器磁心的磁化曲線在直角坐標(biāo)第Ⅰ、Ⅱ象限內(nèi)所包括的面積，才和第Ⅲ、Ⅳ象限曲線內(nèi)面積相等，正負(fù)磁通相抵消。否則磁感應(yīng)強(qiáng)度+B和-B的差值形成剩余磁通量，使一個(gè)開關(guān)管磁化電流增大，同時(shí)次級(jí)V1、V2加到負(fù)載上的輸出電壓也不相

64、等，從而增大紋波，推挽電路的優(yōu)勢(shì)盡失。因此，這種推挽電路目前僅用于自激或它激式低壓輸入的穩(wěn)壓變換器中。因?yàn)榈蛪汗╇?，N1、N2匝數(shù)少，且兩繞組間電壓差也小，一般采用雙線并繞的方式來保證其對(duì)稱性[5]。</p><p>　　2.1.2 自激推挽式變換器</p><p>　　1.飽和式推挽變換器</p><p>　　自激推挽式直流脈沖變換器分有兩類，即飽和式推挽變換器和

65、非飽和式變換器。圖2-2為飽和式推挽自激變換器的基本電路。所謂飽和式，是指脈沖變壓器工作在磁化曲線的飽和狀態(tài)。電路通電以后，電流經(jīng)電阻R1到正反饋繞組N3～N4的中點(diǎn)，同時(shí)向VT1、VT2基極提供啟動(dòng)偏置。由于VT2的基極電路附加了R2，因此IB2、IC2小于IC1、IB1。啟動(dòng)狀態(tài)，IC1>IC2的結(jié)果，使脈沖變壓器中形成的磁通φN1>φN2，合成總磁通量為φN1-φN2，使VT1的導(dǎo)通電流起主導(dǎo)作用。因此，φN1在各繞組

66、中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，正反饋繞組N3的感應(yīng)電勢(shì)形成對(duì)VT1的正反饋，使VT1集電極電流迅速增大。IC1的增大使N1激磁電流增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)的增加，使磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)磁化曲線增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)磁心飽和點(diǎn)時(shí)，即使磁化電流再增大，也無法再使磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，即磁通量的變化為零。磁通量飽和的結(jié)果，使其無變量，各繞組感應(yīng)電壓為零，VT1的正反饋消失，集電極電流IC1＞IB1*β，并迅速減小。此過程中，正反饋繞組感應(yīng)電壓反向，使VT2導(dǎo)通，且IC2迅速增大，

67、VT1截止。此過程中，由于磁心的飽和周而復(fù)始地進(jìn)行，VT1、VT2輪流導(dǎo)通，初</p><p>　　圖2-2飽和式推挽變換器基本電路</p><p>　　飽和型推挽變換器中，開關(guān)管VT1、VT2必須選擇較大的ICM。因?yàn)楫?dāng)磁通量開始飽和時(shí)，脈沖變壓器等效電感也開始減小，磁通量完全飽和時(shí)等效電感為零，開關(guān)管集電極電流劇增。在Ic劇增至Ic>IB*β時(shí)，Ic才開始減小。一般飽和型變換器只

68、用在低壓變換器中，即使如此也必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)脈沖變壓器飽和點(diǎn)的激磁電流，不能大于開關(guān)管最大允許電流。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是頻率比較穩(wěn)定，其翻轉(zhuǎn)過程只取決于脈沖變壓器和負(fù)載電流。</p><p><b>　　2.非飽和式變換器</b></p><p>　　從電路結(jié)構(gòu)上看，非飽和型推挽變換器與飽和型推挽變換器沒有根本區(qū)別，只是正反饋量的選擇量不同而已。同樣是圖2-2的電路，如果合

69、理選擇N1或N2與N3、N4的匝數(shù)比，使正反饋過程中開關(guān)管在Ic增大到接近自身的飽和區(qū)時(shí)，出現(xiàn)IC＞IB*β的關(guān)系，使兩管的導(dǎo)通/截止關(guān)系翻轉(zhuǎn)，則成為非飽和型推挽變換器。非飽和指的是，在VT1、VT2的翻轉(zhuǎn)過程中，脈沖變壓器的磁通量始終處于與磁化電流的線性關(guān)系范圍內(nèi)，通過正反饋量的選擇，使IB最大值時(shí)開關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)。此類推挽變換器常被用于高壓變換器中。為了限制正反饋量使IB增大的比例，在VT2的基極電路中加入限流電阻R2(見圖2-2所

70、示)，以盡量使IC＞IB*β的關(guān)系在開關(guān)管允許條件內(nèi)使電路翻轉(zhuǎn)。</p><p>　　上述推挽式自激變換器有不少優(yōu)點(diǎn)，但是也有缺陷。首先是自激推挽式開關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖是雙向的。在圖2-2中，當(dāng)VT1導(dǎo)通期，N3的感應(yīng)脈沖是以正脈沖形式加到VT1基極，此時(shí)VT2處于截止?fàn)顟B(tài)，N4的感應(yīng)脈沖以負(fù)脈沖形式加到VT2基極。當(dāng)開關(guān)管或脈沖變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，首先是正反饋脈沖減小，隨IB*β<Ic而使正反饋脈沖反向。

71、由于雙極型開關(guān)管有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，IB的減小，甚至IB=0時(shí)，其IC不會(huì)立即截止，而正反饋脈沖的反向卻可以使另一只開關(guān)管立即導(dǎo)通，因此，在VT1、VT2交替過程中必然出現(xiàn)兩管同時(shí)瞬間導(dǎo)通。因兩管集電極電流通過脈沖變壓器形成反向磁場(chǎng)，而使脈沖變壓器等效電感量減小，開關(guān)管電流增大。正因?yàn)槿绱?，這種變換器的工作頻率一般只在2000Hz左右，以減小兩管交替導(dǎo)通過程中造成的共態(tài)導(dǎo)通損耗。這是推挽變換器應(yīng)用于高壓開關(guān)電源所必須解決的第一個(gè)問題

72、[6]。</p><p><b>　　3.驅(qū)動(dòng)脈沖的波形</b></p><p>　　所有用于高壓開關(guān)電路的開關(guān)管絕對(duì)都只采用NPN型，這點(diǎn)是由半導(dǎo)體器件工藝所決定的?，F(xiàn)有PNP型管的VCEO最大也極少超過300V，因此高壓變換器也只能采用全NPN型開關(guān)管。其中關(guān)系可以由圖5-2看出。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，VT2為截止?fàn)顟B(tài)，其集電極電壓為N2的感應(yīng)脈沖和電源電壓之和，即2V

73、cc。如果用于輸入整流供電的高壓變換器，VT1、VT2最高集電極和發(fā)射極之間電壓將是600V以上，達(dá)到此要求的只有NPN型開關(guān)管。兩管均為NPN管的結(jié)果是，其導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖均為正向脈沖，如像自激式變換器相同的雙向脈沖。為了避免截止?fàn)顟B(tài)反相驅(qū)動(dòng)脈沖擊穿開關(guān)管的BE結(jié)，必須在驅(qū)動(dòng)電路增加必要的保護(hù)措施，否則即使不擊穿BE結(jié)，也會(huì)使開關(guān)管處于深度截止?fàn)顟B(tài)，要想使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，勢(shì)必增加正向驅(qū)動(dòng)電流，因而使驅(qū)動(dòng)功率增大，變換器效率降低。<

74、/p><p>　　以上兩個(gè)問題不僅使自激式推挽電路效率降低，同時(shí)也不適宜作高壓輸入的變換器。很明顯，自激推挽式開關(guān)電源只能組成無穩(wěn)壓功能的變換器，而不能用于開關(guān)電源，因?yàn)橐娇刂苾晒艿耐〝嗾伎毡?，電路必然較復(fù)雜，且難以達(dá)到完全對(duì)稱地控制。此類變換器一般采用在輸出端設(shè)置耗能式穩(wěn)壓的方式。截止到目前為止，推挽式、橋式變換器都采用它激電路，以便于在驅(qū)動(dòng)脈沖輸出之前進(jìn)行PWM控制[7]。</p><p&

75、gt;　　飽和式變換器是利用輸出脈沖變壓器的磁飽和現(xiàn)象使開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗雇仆祀娐返膬芍婚_關(guān)管輪流通／斷。脈沖變壓器為了轉(zhuǎn)換輸出功率，鐵心的截面積必然較大，而要達(dá)到磁通量的飽和所需磁化電流也較大，使開關(guān)管損耗增大。因此在飽和式變換器的設(shè)計(jì)中，都盡量選擇開關(guān)管的工作狀態(tài)在脈沖變壓器的磁化曲線開始進(jìn)入飽和狀態(tài)之初，首先讓開關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)，使開關(guān)電路翻轉(zhuǎn)，以減小開關(guān)管在變壓器磁通飽和以后的大電流增長(zhǎng)，降低開關(guān)管損耗。但是無論是設(shè)計(jì)還是調(diào)

76、試，要保持這兩者的嚴(yán)密關(guān)系是十分困難的。所以此類變換器常采用雙變壓器的電路形式。</p><p>　　上述飽和式變換器中，脈沖變壓器TC有雙重功能，一是通過正反饋繞組使開關(guān)管以自激振蕩的形式完成開關(guān)動(dòng)作，進(jìn)行DC-AC的變換。為了使開關(guān)動(dòng)作持續(xù)地、兩管交替地進(jìn)行，脈沖變壓器工作在磁飽和狀態(tài)；二是將DC-AC轉(zhuǎn)換后的雙向矩形波通過設(shè)計(jì)的圈數(shù)比耦合到次級(jí)，通過整流、濾波成為直流電。雙變壓器飽和式變換器中，則將上述兩種

77、功能分別采用驅(qū)動(dòng)變壓器和輸出變壓器來完成。輸出變壓器只轉(zhuǎn)換輸出功率，驅(qū)動(dòng)變壓器則工作于飽和狀態(tài)，控制開關(guān)管的通/斷。因?yàn)轵?qū)動(dòng)變壓器只提供推挽開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電流，其功率極小，可以采用較小的磁心截面積，因而其飽和的磁化電流大幅度減小，只要求驅(qū)動(dòng)變壓器磁性材料為矩形磁化曲線的、高磁通密度的。而輸出變壓器可以采用一般磁心，使成本大幅降低。</p><p>　　2.2 半橋變換電路</p><p>　　

78、半橋式電路顧名思義就是取掉橋式電路中的兩只開關(guān)管，半橋變換器電路如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 半橋電路原理圖</p><p>　　電路的工作過程：VT1與VT2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓U0。VT1導(dǎo)通時(shí)，二極管V1處于通態(tài)，VT2導(dǎo)通時(shí)，二極管V2處于通態(tài)，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都

79、關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1中的電流為零，V1和V2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。VT1或VT2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L的電流逐漸下降。VT1和VT2斷態(tài)時(shí)承受的最高電壓為Ui。由于電容的隔離作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和[8]。</p><p>　　當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公

80、式為：</p><p>　　(2-2) </p><p>　　半橋式開關(guān)電路省去兩只開關(guān)管，采用連接電容分壓方式，使開關(guān)管c-e極電壓與橋式電路相同，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路也大為簡(jiǎn)化，只需兩組在時(shí)間軸上不重合的驅(qū)動(dòng)脈沖，兩組驅(qū)動(dòng)電路的參考點(diǎn)為各自開關(guān)管的發(fā)射極，顯然比橋式電路的形式簡(jiǎn)單得多。根據(jù)上述原理，當(dāng)采用相同規(guī)格開關(guān)管時(shí)，半橋式負(fù)載端電壓為1

81、/2Uin，輸出功率為橋式電路的1/4。半橋式電路具有全橋式電路的所有優(yōu)勢(shì)，因此其應(yīng)用比全橋式更普遍。</p><p>　　2.3 正激變換電路</p><p>　　正激電路原理圖如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 正激電路原理圖</p><p>　　電路的工作過程如下：開關(guān)管VT開通后，變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦

82、合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此V1處于通態(tài)，V2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)；VT關(guān)斷后，電感L通過V2續(xù)流，V1關(guān)斷。</p><p>　　VT關(guān)斷后變壓器的激磁電流經(jīng)N3繞組和V3流回電源，所以開關(guān)管VT關(guān)斷后承受的電壓表達(dá)式為：</p><p>　　(2-3)此時(shí)要考慮變壓器磁心復(fù)位問題。開關(guān)管VT開通后，變壓器的激磁電流由零始，隨著時(shí)間增加而線性的增長(zhǎng)直到VT關(guān)斷。為防止

83、變壓器的激磁電感飽和，需要設(shè)法使激磁電流在VT關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位[9]。 </p><p>　　變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　在電感電流連續(xù)的情況下，輸出電壓表示為：</p><p><b>　　(

84、2-5)</b></p><p>　　輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓U0將高于式(2-3)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，輸出電壓表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　2.4 DC/DC升壓模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　從低壓直流到高壓交流的轉(zhuǎn)換

85、必定要設(shè)計(jì)升壓方案。在電源設(shè)計(jì)的過程中，從不同角度考慮了多種升壓方案。由升壓環(huán)節(jié)所處位置的不同，主要考慮了前置升壓和后置升壓兩種方法。所謂前置升壓，就是將升壓環(huán)節(jié)放在逆變環(huán)節(jié)之前，先對(duì)輸入的12V低壓直流電進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換，升至所需較高直流電壓，將此高壓直流作為后續(xù)逆變電路的輸入，對(duì)此高壓直流電進(jìn)行逆變，經(jīng)過濾波后直接得到所需要的高壓正弦交流電。所謂后置升壓，就是將升壓環(huán)節(jié)放在逆變、濾波環(huán)節(jié)之后，即先對(duì)熱電發(fā)電器輸入的12V低壓直流電

86、進(jìn)行逆變、濾波，得到的是低壓正弦交流電，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行交流升壓得到所需的正弦交流電輸出。</p><p>　　首先分析后置升壓，升壓環(huán)節(jié)輸入為濾波器輸出的低壓交流正弦波，交流升壓通常采用的方法為線圈升壓或壓電變壓器升壓。由于系統(tǒng)要求輸出的頻率為20Hz到5KHz的寬頻輸出，因此如果采用線圈升壓，屬于低頻升壓，升壓線圈體積將會(huì)比較龐大，并且設(shè)計(jì)也較復(fù)雜，使得電源設(shè)計(jì)失去應(yīng)用價(jià)值。而采用壓電升壓器也無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閴?/p>

87、電變壓器僅在諧振頻率附近能夠?qū)崿F(xiàn)較好的升壓效果，而且對(duì)于不同的壓電升壓器，隨著其形狀、大小等不同，其諧振頻率會(huì)有較大差異，而在其他頻率的升壓效果很不理想。另外壓電升壓器的輸出電壓隨負(fù)載的變化波動(dòng)較大，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。因此后置升壓方案不可行。</p><p>　　前置升壓實(shí)際上是直流DC/DC升壓，也就是將升壓環(huán)節(jié)放在整個(gè)電源系統(tǒng)的最前端，首先通過直流變換器實(shí)現(xiàn)直流升壓，然后再逆變、濾波。直流變換器按輸入與輸出間

88、是否有電氣隔離分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離直流變換器；有電氣隔離的稱為隔離直流變換器。其中不隔離直流變換器主要是采用升壓式(Boost)直流變換電路。其電路原理圖如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 BOOST升壓電路原理圖</p><p>　　整個(gè)電路由功率開關(guān)管VT、儲(chǔ)能電感L、二極管V及濾波電容C組成。當(dāng)電路不工作時(shí)，功率晶體管VT處于截止?fàn)顟B(tài)，二極管V導(dǎo)通，前端直

89、流電源通過電感和二極管向電容充電，并且向負(fù)載提供自身電壓的直流電。當(dāng)整個(gè)電路處于工作狀態(tài)時(shí)，外界對(duì)晶體管VT的控制端(柵極)加載周期性方波，晶體管VT便處于導(dǎo)通與截止的不斷交替狀態(tài)。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，前端直流電源向電感L儲(chǔ)能，電感電流增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，負(fù)載由電容C供電；當(dāng)VT截止時(shí)，電感電流減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左負(fù)右正，電感中能量釋放，與輸入電壓順極性疊加經(jīng)二極管V向負(fù)載供電，并同時(shí)向電容充電。功率管的高頻開關(guān)使得電感發(fā)生強(qiáng)大的電磁

90、感應(yīng)，從而產(chǎn)生高壓，經(jīng)電容穩(wěn)壓輸出成高壓直流。其輸出電壓平均值將超過前端直流電壓。Boost DC/DC變換器的輸出電壓值與晶體開關(guān)管柵極控制方波的占空比成反比，調(diào)節(jié)方波占空比便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。</p><p>　　圖2-6所示為正激型開關(guān)電源的主回路。電路由功率開關(guān)管VT、變壓器TC，二極管V1，V2， V3和電容C組成。其中，變壓器線圈繞組由N1，N2，N3組成。電路的工作原理為：當(dāng)功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，變壓器

91、兩端繞組的電壓均為上正下負(fù)，整流二極管V1導(dǎo)通V2截止，輸入電能通過整流二極管V1傳給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)功率晶體管VT截止時(shí)，整流二極管V1截止V2導(dǎo)通，電感L1中的儲(chǔ)能流經(jīng)負(fù)載并經(jīng)過二極管V2續(xù)流。二極管V3和變壓器繞組N3組成變壓器的磁芯復(fù)位電路，以保證在功率管再次開通之前勵(lì)磁電流能夠?yàn)榱?。同反激型變換電路一樣，正激電路的輸出電壓和輸入電壓比值除了與線圈匝數(shù)比有關(guān)外，還與開關(guān)周期T和占空比有關(guān)。</p>&l

92、t;p>　　在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下，輸出電壓與輸出電壓的關(guān)系為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于式(2-7)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下：</p><p><b>　　(2-8)</b></p>

93、<p>　　第3章 雙端驅(qū)動(dòng)集成電路TL494</p><p>　　3.1 TL494簡(jiǎn)介</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求[10]。TL494能產(chǎn)生PWM，能調(diào)整頻率和脈寬，還有一路基準(zhǔn)電壓，這

94、些都滿足DC-DC的條件，采用不同拓?fù)洌玫缴龎汉徒祲海鐖D：</p><p>　　1，采用推挽（push-pull）方式，升壓，可以改變反饋電阻，得到其他電壓；</p><p>　　2，采用BUCK拓?fù)浣祲?，可以改變反饋電阻，得到其他電壓?lt;/p><p>　　其外形圖如圖3-1。</p><p>　　圖3-1 TL494外形圖</p

95、><p>　　TL494其他主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　(1) 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。(2) 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)(一個(gè)電阻和一個(gè)電容)。</p><p>　　(3)內(nèi)置誤差放大器。</p><p>　　(4)內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓源。</p><p>　　(5)可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。</

96、p><p>　　(6)內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>　　(7)推或拉兩種輸出方式。</p><p>　　3.2 TL494的工作原理</p><p>　　TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓

97、與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。 控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為4

98、8%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。 脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍[11]。 </p><p>　　3.3 TL494內(nèi)部電路</p>&

99、lt;p>　　TL494是一種電壓控制模式的PWM控制和驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，由于它具有兩路相位相差180°的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，因此被廣泛的應(yīng)用與單端式（正極式和反極式）和雙端式（半橋式、全橋式和推挽式）開關(guān)穩(wěn)壓電源電路?？傮w結(jié)構(gòu)比同類集成電路SG3524更完善。TL494內(nèi)部電路框圖見圖3-2。TL494內(nèi)部電路如下：</p><p>　　圖3-2 TL494內(nèi)部電路框圖</p>&

100、lt;p>　　(1)內(nèi)置RC定時(shí)電路設(shè)定頻率的獨(dú)立鋸齒波振蕩器，其振蕩頻率：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中，f單位為KHz，R的單位為kΩ，C的單位為μF，其最高振蕩頻率為300KHz，能驅(qū)動(dòng)雙極型開關(guān)管或MOSFET管。</p><p>　　(2)內(nèi)部設(shè)有比較器組成的死區(qū)時(shí)間控制電路，用外加電

101、壓控制比較器的輸出電平，通過其輸出電平使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)換，控制兩路輸出之間的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)⑷腳輸出電平升高時(shí)，死區(qū)時(shí)間增大。</p><p>　　(3)觸發(fā)器的兩路輸出設(shè)有控制電路，使內(nèi)部2只開關(guān)管既可輸出雙端時(shí)序不同的驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)推挽開關(guān)電路和半橋開關(guān)電路，也可輸出同相序的單端驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)單端開關(guān)電路。</p><p>　　(4)內(nèi)部?jī)山M完全相同的誤差放大器，其同相輸入端和反相輸入端均被引

102、出芯片外，因此可以自由設(shè)定其基準(zhǔn)電壓，以方便用于穩(wěn)壓取樣，或用其中一種作為過壓、過流的超閾值保護(hù)。</p><p>　　(5)輸出驅(qū)動(dòng)電流單端達(dá)到400mA，能直接驅(qū)動(dòng)峰值開關(guān)電流達(dá)5A的開關(guān)電路。雙端輸出為2×200mA，加入驅(qū)動(dòng)級(jí)即能驅(qū)動(dòng)近千瓦的推挽式和半橋式電路。若用于驅(qū)動(dòng)MOS FET管，則需另加入灌流驅(qū)動(dòng)電路[12]。</p><p>　　3.31 TL494管腳功能及

103、參數(shù)</p><p>　　1、16腳為誤差放大器A1、A2的同相輸入端。最高輸入電壓不超過VCC+0.3V。</p><p>　　2、15腳為誤差放大器A1、A2的反相輸入端。可接入誤差檢出的基準(zhǔn)電壓。</p><p>　　3腳為誤差放大器A1、A2輸出端。集成電路內(nèi)部用于控制PWM比較器的同相輸入，當(dāng)A1、A2任一輸出電壓升高時(shí)，控制PWM比較器的輸出脈寬減小。同

104、時(shí)，該輸出端還引出端外，以便與2、15腳間接入RC頻率校正電路和直流負(fù)反饋電路，穩(wěn)定誤差放大器的增益以及防止其高頻自激。3腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實(shí)現(xiàn)高電平保護(hù)。</p><p>　　4腳為死區(qū)時(shí)間控制端。當(dāng)外加1V以下的電壓時(shí)，死區(qū)時(shí)間與外加電壓成正比。如果電壓超過1V，內(nèi)部比較器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。</p><p>　　5腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容端。</p&

105、gt;<p>　　6腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電阻端。</p><p><b>　　7腳為共地端。</b></p><p>　　8、11腳為兩路驅(qū)動(dòng)放大器NPN管的集電極開路輸出端。當(dāng)通過外接負(fù)載電阻引出輸出脈沖時(shí)，為兩路時(shí)序不同的倒相輸出，脈沖極性為負(fù)極性，適合驅(qū)動(dòng)P型雙極型開關(guān)管或P溝道MOS FET管。此時(shí)兩管發(fā)射極接共地。</p>&

106、lt;p>　　9、10腳為兩路驅(qū)動(dòng)放大器的發(fā)射極開路輸出端。當(dāng)8、11腳接Vcc，在9、10腳接入發(fā)射極負(fù)載電阻到地時(shí)，輸出為兩路正極性圖騰柱輸出脈沖，適合于驅(qū)動(dòng)N型雙極型開關(guān)管或N溝道MOS FET管。</p><p>　　2腳為Vcc、輸入端。供電范圍適應(yīng)8～40V。</p><p>　　13腳為輸出模式控制端。外接5V高電平時(shí)為雙端圖騰柱式輸出，用以驅(qū)動(dòng)各種推挽開關(guān)電路。接地時(shí)

107、為兩路同相位驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，8、11腳和9、10腳可直接并聯(lián)。雙端輸出時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流為2×200mA，并聯(lián)運(yùn)用時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流為400mA。</p><p>　　14腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓精密穩(wěn)壓電路端。輸出5V±0.25V的基準(zhǔn)電壓，最大負(fù)載電流為10mA。用于誤差檢出基準(zhǔn)電壓和控制模式的控制電壓。</p><p>　　RT取值范圍1.8～500Ω，CT取值范圍4700pF～1

108、0μF，最高振蕩頻率fOSC≤300KHz。</p><p>　　TL494在工作時(shí)，通過5、6腳分別接定時(shí)元件CT和RT。經(jīng)相應(yīng)的門電路去控制TL494內(nèi)部的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管交替導(dǎo)通和截止，通過8腳和11腳向外輸出相位相差180°的脈寬調(diào)制控制脈沖。工作波形如圖3-33所示。TL494若將13腳與14腳相連．可形成推挽式工作；若將13腳與7腳相連．可形成單端輸出方式。為增大輸出可將2個(gè)三極管并聯(lián)。<