一種適合教學(xué)的開關(guān)電源設(shè)計及調(diào)試
引言
線性穩(wěn)壓電路具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，輸出電壓脈動小的優(yōu)點，但缺點是效率低，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，具有效率高，一般能達(dá)到65％～90％，并且體積小，重量輕，對電網(wǎng)電壓要求不高，因而在實際生活中得到廣泛應(yīng)用。也正因為其應(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，實現(xiàn)起來簡單，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，外圍電路也較簡單，可以方便實現(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，9口(或10口)輸出低電平，在偏差小于鋸齒波范圍內(nèi)時，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VG控制，當(dāng)VG為高電平時，Q1導(dǎo)通，反之，Q1關(guān)斷。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，電感兩端電壓VL=Vi，電感儲能增加，同時負(fù)載由電容供電。當(dāng)Q1斷開時，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，電感上儲存的能量傳遞到電容、負(fù)載側(cè)。此時，iL減小，L上的感應(yīng)電動勢VL<0，所以Vo>Vi。由此，當(dāng)Q1導(dǎo)通的時間越長(即占空比越大)，電感上儲存的能量越多，Vo也越大。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
基于前面的分析，設(shè)計的系統(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(可用單片機實現(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，反饋輸入1口的電壓升高，誤差放大器的輸出增加，占空比減小；當(dāng)輸出電壓減小時，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。
3 系統(tǒng)調(diào)試
在確定上述總體設(shè)計后，采用分模塊的調(diào)試方法進(jìn)行電路調(diào)試。
3.1 TL494性能測試
按圖4接線，測試2口的輸入電壓(誤差放大器反相端2口采用基準(zhǔn)電壓輸入)，改變1口的輸入電壓，觀察9，3口的輸出波形。由實驗可以得到：TL494的基準(zhǔn)電壓是3．5 V；輸出波形為PWM波；誤差放大器工作在非線性區(qū)，只有當(dāng)輸入(1，2)口的偏差在零到幾十個毫伏之間時，PWM才是可調(diào)的；改變1口的電壓，可改變PWM的占空比。
3.2 升壓變換器的工作性能測試
按圖5接線，給1口加入使開關(guān)管達(dá)到飽和的方波信號：
(1)改變方波信號的占空比和方波信號的頻率；
(2)給輸出端加上負(fù)載。
由實驗可以得到，改變占空比，可以改變輸出電壓的大小;加上負(fù)載，電壓降低，但通過調(diào)節(jié)占空比，可使電壓升高；方波信號的頻率越大，改變占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍越小。
3.3 聯(lián)調(diào)
在上述兩步都能得到準(zhǔn)確信息之后，將兩模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)，見圖4。若無誤，即可實現(xiàn)輸出端穩(wěn)定的電壓輸出，且可通過改變2口的給定值實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)(升壓)改變輸出電壓。具體范圍與所選擇電感、電容和系統(tǒng)工作的頻率有關(guān)，限于篇幅，這里不做介紹。
3.4 加入MOSFET(IRF640)驅(qū)動
完成上述電路后，接下來要考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)，除上述電容、電感、工作頻率的參數(shù)外，性能指標(biāo)的優(yōu)越還與MOSFET有關(guān)。為此，在TL494的9口和IRF9540開關(guān)管之間加入驅(qū)動電路IR2111，如圖6所示。
4 結(jié)語
按上述步驟進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，不僅電路簡單，可以比較深刻地掌握TL494的工作原理、開關(guān)電源的工作原理、負(fù)反饋的工作原理等，而且查找電路錯誤也比較方便。對于該電路的性能指標(biāo)測試，由于元器件的參數(shù)不同，指標(biāo)略有不同，但基本上各參數(shù)的指標(biāo)都較高，如DC-DC變換器的效率可達(dá)85％以上。
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