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一种适合教学的开关电源设计及调试

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一种适合教学的开关电源设计及调试 一种适合教学的开关电源设计及调试 刘 (厦门大学嘉庚学院 萍 福建漳州363105) 摘 要:开关稳压电源与线性稳压电源相比,具有效率禹,体积小等优点,并且在日常生活中应用广泛。但大多数的开 关电源设计都只给出整体设计图,并没有详细解说具体的调试过程,这样不利于学生彻底理解和掌握。基于此,采用分模块 的调试方法,先测试TI,494性能,明确备管脚的输入/输出特性;再弄Ij用信号发生器模拟TL494的输出,进而测试升压变换 器的工作特性;接着将两部分联调;最后在上述电路基础上,加入MOSFET驱动电路,改善系统...
一种适合教学的开关电源设计及调试
一种适合教学的开关电源及调试 刘 (厦门大学嘉庚学院 萍 福建漳州363105) 摘 要:开关稳压电源与线性稳压电源相比,具有效率禹,体积小等优点,并且在日常生活中应用广泛。但大多数的开 关电源设计都只给出整体设计图,并没有详细解说具体的调试过程,这样不利于学生彻底理解和掌握。基于此,采用分模块 的调试,先测试TI,494性能,明确备管脚的输入/输出特性;再弄Ij用信号发生器模拟TL494的输出,进而测试升压变换 器的工作特性;接着将两部分联调;最后在上述电路基础上,加入MOSFET驱动电路,改善系统性能。学生运用此调试方 法,不仅能深刻理解此类型开关电源的工作原理,而且测得的性能指标都较高。因此,该设计是实用可行的。 关键词:开关电源;TI。494;整体设计图;调试 中图分类号:TP303+.3 文献标识码:A 文章编号:1004—373X(2009)16—208一03 DesignandDebugofSwitchingPowerSupplyforTeaching LIUPing (TanKahKeeCollege·XiamenUniversity,Zhangzhou,363105,China) Abstract:Comparedwithlinearregulatedpowersupply,switchingpowersupplyishighefficiency,smallsize,anditis widelyusedindailylife.However。mostswitchingpowersupplydesignofthearticleonlyofferstheoveralldesign,n0detailed explanationofspecificdebuggingprocess,SOthatisnotconducivetothestudentsthoroughlyunderstandandgrasp.Basedon this,sub—moduledebugmethodsareadopted.Atfirst,testingTI。494performanceforunderatandingitsinputandoutput pins.Then,reusingsignalgeneratortOsimulateTL494output,therebytestingthejobcharacteristicsofboostconvertersafter thatjointdebuggingthetWOparts.Finally,addingMOSFETdrivercircuitintotheabove—mentionedcircuittoimprovesystem performance.Studentsusethistestingmethod,notonlyunderstandingthistypeofswitchingpowersupplyworkingprinciple, butalsothemeasuredperformancearehigher.Therefore,thisdesignispracticalandfeasible. Keywords:switchingpowersupply;TI。494;overalldesigndiagram;debug 0引 言 线性稳压电路具有结构简单,调整方便,输出电压 脉动小的优点,但缺点是效率低,一般只有20%~ 40%,并且比较笨重。开关型稳压电路能克服线性稳压 电源的缺点,具有效率高,一般能达到65%~90%,并 且体积小,重量轻,对电网电压要求不高¨j,因而在实际 生活中得到广泛应用。也正因为其应用的广泛性,相应 专业的学生就更应该深刻和熟练地掌握它,在此以设计 脉冲宽度调制型开关电路(PWM)为基础,详细解说该 系统的调试过程。 1系统设计原理 PWM型的开关电源整体框图如图1所示。变压、 整流、滤波模块处理起来比较简单,只要采用相应的变 压器、单相全波整流、电容式滤波即可实现,这里不用更 收稿日期:2009—02—23 208 多的篇幅介绍。此系统的核心模块是方框图中的闭合 (负反馈)模块。如果直接采用Boost型DC—DC升压 器,实现起来简单,但输出/输入电压比太大,占空比也 大,而将使输出电压范围变小,难以达到较高的指标,且 为开环控制。对此采用Maxim公司生产的专用开关芯 片TL494芯片,它采用开关脉宽调制(PWM),效率高, 外围电路也较简单,可以方便实现闭环控制。 1.1 TL494工作原理 TL494内部结构如图2所示心],它是一种固定频 率可自行设置,并应用脉空调制的控制电路,其中,振荡 频率fo。=1.1/(RTG)。具体来讲。由于误差放大器输 入口1,2(或3,4)的值不等,产生偏差,偏差送入PWM 比较器与锯齿波(锯齿波的频率由振荡频率确定,幅值 是定值)比较,在偏差大于锯齿波范围内时,9口(或 10口)输出低电平,在偏差小于锯齿波范围内时,9口 (或10口)输出高电平。若偏差值越大,TL494输出高 电平的区间越小。由此可见,通过调整误差放大器输入 口的偏差可改变占空比。 万方数据 图1 PWM型开关电源整体框图 图2 TL494内部结构图 1.2升压变换器的工作原理 如图3所示,通过控制开关管Q,的导通比,可控 制升压变换器的输出电压。它的工作原理[31是:设开关 管Q。由信号K控制,当耽为高电平时,Q,导通·反 之,Q,关断。当Q,导通时,电感两端电压V。=Vi,电感 储能增加,同时负载由电容供电。当Q。断开时,因电感 L上的电流不能突变,故电感电流it向电容和负载供 电,电感上储存的能量传递到电容、负载侧。此时,ic减 小,L上的感应电动势U<0,所以U>V;。由此,当 Q。导通的时间越长(即占空比越大),电感上储存的能 量越多,U也越大。 2系统总体设计 基于前面的分析,设计的系统嘲接线图如图3 所示。 图3 PWM升压式开关电源的设计 误差放大器的反相端2口输入给定值(可用单片机 实现,限于篇幅,不做介绍),用来控制输出电压;同相端 1口输入/输出电压的反馈电压,形成闭环控制。 当输出电压高于期望值时,反馈输入1口的电压升 高,误差放大器的输出增加,占空比减小;当输出电压减 小时,基本可以做到与期望值相等,从而维持输出电压 的稳定。若想增大输出,可升高2口的电压。控制过程 如下:原系统稳定,当升高21:3电压,1口电压瞬时不 变,误差放大器输出减小,占空比变大,电压升高。若想 减小输出,可降低2口的电压。 3系统调试 在确定上述总体设计后,采用分模块的调试方法进 行电路调试。 3.1 TL494性能测试 按图4接线,测试2口的输入电压(误差放大器反 相端2口采用基准电压输入),改变1口的输入电压,观 察9,3口的输出波形。由实验可以得到:TL494的基 准电压是3.5V;输出波形为PWM波;误差放大器工 作在非线性区,只有当输入(1,2)口的偏差在零到 几十个毫伏之间时,PWM才是可调的;改变1El的电 压,可改变PWM的占空比。 图4 TL494性能测试接线图 3.2升压变换器的工作性能测试 按图5接线,给1口加入使开关管达到饱和的方波 信号: (1)改变方波信号的占空比和方波信号的频率; (2)给输出端加上负载。 由实验可以得到,改变占空比,可以改变输出电压 的大小;加上负载,电压降低,但通过调节占空比,可使 电压升高;方波信号的频率越大,改变占空比,调节输出 电压的范围越小。 图5升压变换器工作性能测试接线图 209 万方数据 3.3’联调 在上述两步都能得到准确信息之后,将两模块进行 联调,见图4。若无误,即可实现输出端稳定的电压输 出,且可通过改变2口的给定值实现在一定范围内(升 压)改变输出电压。具体范围与所选择电感、电容和系 统工作的频率有关,限于篇幅,这里不做介绍。 3.4加入MOSFET(IRF640)驱动 完成上述电路后,接下来要考虑系统的性能指标, 除上述电容、电感、工作频率的参数外,性能指标的优越 还与MOSFET有关。为此,在TL494的9口和 IRF9540开关管之间加入驱动电路IR2111,如图6 所示[4]。 图6 MOSFET驱动电路 4结语 按上述步骤进行系统设计,不仅电路简单,可以比 较深刻地掌握TL494的工作原理、开关电源的工作原 理、负反馈的工作原理等,而且查找电路错误也比较方 便。对于该电路的性能指标测试,由于元器件的参数不 ’1訇,指标略有不同,但基本上各参数的指标都较高,如 DC—DC变换器的效率可达85%以上。 参考文献 [1]倪海东,玉萍.开关电源专用电路设计与应用[M].北京:中 国电力出版社,2008. [2321IC中国电子网.TL494[EB/ou].http;//www.2lie— search.com/so.asp. [3]刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社,2004. [4]2IC中国电子网.IR2111[EB/OL].http://www.21ic— search.corn/so.asp. [5]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例[M].北京:入民邮 电出版社,2007. [6]黄燕.开关电源故障检修方法[M].北京:国防工业出版 社,2004. [7][美]StevenMSandier.开关电源仿真一Pspice和Spice3应 用[M].北京:人民邮电出版社,2007. [8]周志敏,周纪海,纪爱华.开关电源实用技术[M].北京:人 民邮电出版社,2007. [9]SanjayaManiktala.电源设计与优化[M].北京:电子工业出 版社,2006. [10]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训教程、模拟电子线 路设计[M].北京:电子工业出版社,2007. 作者简介 刘 萍女,1981年出生,江西丰城人,硕士研究生,助教。研究方向为控制理论与控制过程。 210 万方数据 一种适合教学的开关电源设计及调试 作者: 刘萍, LIU Ping 作者单位: 厦门大学嘉庚学院,福建,漳州,363105 刊名: 现代电子技术 英文刊名: MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 年,卷(期): 2009,32(16) 引用次数: 0次 参考文献(10条) 1.倪海东.玉萍 开关电源专用电路设计与应用 2008 2.21IC中国电子网 TL494 3.刘志刚 电力电子学 2004 4.21IC中国电子网 IR2111 5.赵同贺 开关电源设计技术与应用实例 2007 6.黄燕 开关电源故障检修方法 2004 7.Steven M Sandler 开关电源仿真-Pspice和Spice3应用 2007 8.周志敏.周纪海.纪爱华 开关电源实用技术 2007 9.Sanjaya Maniktala 电源设计与优化 2006 10.高吉祥 全国大学生电子设计竞赛培训教程、模拟电子线路设计 2007 相似文献(10条) 1.期刊论文 王亚君 TL494及其在半桥变换开关电源中的应用 -现代电子技术2004,27(6) 介绍了电压驱动型脉宽调制器件TL494的脉宽调制特性,并对其在半桥变换开关电源中的应用情况做了分析. 2.期刊论文 白炳良.周慰君.Bai Bingliang.Zhou Weijun 基于TL494开关电源的设计 -大学物理实验2009,22(2) 开关电源主回路将输入的15VAC电压整流滤波所得的直流电压通过升压斩波电路,变换为25~30VDC输出.主控制器为PIC16F877A单片机.整个系统由整 流滤波电路、DC-DC变换器、控制电路、按键显示等模块组成.主控制器和TL494以闭环形式控制DC-DC变换电路,实现输出电压稳定可调.该电源还具有过 流保护、自恢复、软启动和短路报警功能. 3.学位论文 郜登科 车载数字开关电源的研究与实现 2009 在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中,电气设备越来越多,电气负荷越来越大,用新的42V车载电源系统取代现有的14V电源系统将是大势所 趋。目前车载开关电源大都采用模拟控制,具有很多缺点,因此非常有必要研究数字控制方案,以便提高变换性能。鉴于此,开展了以车载数字开 关电源的理论与设计为对象的研究内容: 基于L4981B的Boost DC/DC变换器的实现。在Boost DC/DC变换器理论分析的基础上,利用有源PFC电路板 ,基于模拟控制器L4981B制作成最大输出功率1kW的24VDC-42VDC变换器。 基于TL494的推挽DC/DC和Boost DC/DC变换器的实现。在推挽变换器理论 分析的基础上,基于模拟控制器TL494进行了功率电路、控制电路和保护电路的原理图设计和PCB设计,制作成最大输出功率0.5kW、系统效率87%的 24VDC-42VDC车载开关电源。利用此电路板,基于模拟控制器TL494制作成最大输出功率1kW的24VDC-42VDC变换器。 基于TMS320F2808的Boost DC/DC变换器和单相逆变器的实现。在Boost DC/DC变换器和单相逆变器相关理论分析的基础上,采用数字PI控制,基于数字控制器TMS320F2808进行了功 率电路、输出电压闭环控制电路、检测电路和驱动电路的原理图设计和PCB设计以及软件设计,制作成额定输出功率0.5kW、系统效率86%的24VDC- 42VDC车载数字开关电源和24VDC-97VDC-330VDC、42VDC-24VAC变换器。 4.期刊论文 叶强.修吉平 0~10 kV连续可调PWM稳压开关电源的设计 -通信电源技术2003(3) 阐述了离子加速器用0~10 kV连续可调PWM高压开关电源的设计和研发工作,介绍了TL494在输出电压调节、过流保护等方面的具体电路和工作原理 .采用调节比较基准电压的方法进行0~10 kV输出电压的调节,可实现电压的稳定输出.而且文章还叙述了高压开关电源的主要技术参数、工作原理、调试 结果及运行情况. 5.期刊论文 谢光希.张华.王川 基于TL494的开关稳压电源设计 -中国高新技术企业2007(16) 本系统为基于IL494的开关稳压电源.系统由单片机控制,辅以必要的数模模敷转换电路,实现了输出电压可调与实时显示的功能. 6.期刊论文 梁启文.LIANG Qi-wen 一款DC-DC升压开关电源的设计 -自动化技术与应用2008,27(4) 介绍了一种单端反激式DC-DC变换电路.以固定频率脉宽调制控制集成TL494为核心,设计制作了一款升压型开关稳压电源,并对该电源进行了实验测试 ,其测试结果表明:该开关稳压电源具有输入电压范围宽、高负载稳定度、效率高、工作可靠等优点. 7.期刊论文 胡明钦.HU Ming-qin 小功率开关电源的设计 -无锡职业技术学院学报2009,8(3) 文中详细介绍了一款小功率开关电源的主电路、控制电路和高频变压器的设计方法.该款开关电源可应用于小型激光加工设备中,其性能稳定,安全可 靠,输出电压能够在0V~10kV之间变化,并且体积小重量轻,具有广泛的应用前景. 8.学位论文 孟繁荣 高压开关电源设计 2005 高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术 的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关 电源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于高压直流电源领域,使高压直流电源变得 体积小,重量轻,效率高,性能更好。 本次论文研究工作是针对X射线发生装置设计所需高压电源。论文首先介绍了目前高压直流电源领域的发展 情况,和X光管工作的基本原理,论证了各种开关电源主电路的拓扑结构,由于单一结构形式的变换器难以满足系统功能和性能指标的要求,提出了一种 组合式结构,以半桥式变换器组合降压斩波电路的主电路结构形式,应用MATLAB仿真验证了系统设计的可行性。然后论文针对主电路中各主要元件参数 进行了具体计算,对变换器中较为关键的高压变压器进行了具体设计,并指出了变压器制造过程中影响性能指标的关键因素和解决办法。控制电路设计 中选用开关电源专用芯片TL494作为主要控制芯片,应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和PI调节控制器,应用控制领域使用最为广泛的 51系列单片机构成控制电路中的数字控制部分,结合信号检测技术,组成具有完善控制和保护功能的电源系统。在论文的系统调试部分了此次设计 的电源的调试步骤和过程,以及每步调试的波形和数据,尤其重要的是发现并记录了TL494的设计缺陷,提出了补救方法。经过多次试验和反复补充修改 设计,最终制成了一台具有较高性能指标的高压开关电源样机。 9.期刊论文 张平伟.章国宝.ZHANG Ping-wei.ZHANG Guo-bao 音响功放开关电源输出功率检测电路的设计与实现 - 计测技术2008,28(5) 为了使开关电源很好地应用于音响功放,设计了一种开关电源输出功率检测电路,给出了电路的原理和具体实现方法.经测试证明该电路具有检测准确 、动态性能良好的特点. 10.期刊论文 汤健斌.修吉平.TANG Jian-bin.XIU Ji-ping 连续可调高压开关电源的设计 -自动化技术与应用 2007,26(3) 介绍了连续可调高压开关电源的设计思路、硬件选型以及T L 4 9 4在输出电压调节、过流保护等方面的工作原理和具体电路.同时还介绍了在设计 的过程中所遇到的问以及最终的解决方案. 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xddzjs200916066.aspx 下载时间:2010年4月30日
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