通信电源技术投稿

李睿智 学号 【嵌牛导读】随着科技的高速发展，电子产品与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子产品都离不开可靠的电源。开关电源则以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势成为研究的热门。因此，提高对开关电源的研究就显得至关重要了。本文介绍了一种基于TL494的DC-DC升压型开关电源电路，该电路采用TL494电源控制芯片及其外围电路产生PWM波，并通过PWM波的占空比控制开关管的导通时间，实现不同电压的稳定输出。经过初步的计算，合理的选择了电路中的开关管，储能电感，滤波电容和续流二极管的参数。实验结果证明，该升压电路的效率高于80%，具有良好的电压调整率和负载调整率。 【嵌牛鼻子】DC-DC升压型开关电源、PWM波、开关管 【嵌牛提问】电子产品在人类的生活中起着日益重要的作用，而电子产品都离不开可靠的电源，如何设计制作出既安全、效率又高的电源呢？这成为人们越来越关心的话题。 【嵌牛正文】 1 ．引言 随着现代电子技术的迅速发展，电子产品对电源的要求也越来越高。电源的发展经历了从线性电源、相控电源再到开关电源的发展历程，而开关电源则以其开关频率高、体积小、效率高、可靠性高等特点占据着主导地位[1]。1955 年美国的罗耶 ( Roger G H)首次提出了自激振荡推挽晶体管直流变换器[2]，为开关电源的研究打下了理论基础。20世纪60年代，各种开关电源的拓扑电路已经较为成熟。改革开放以后，我国的开关电源技术也得到了长足的进步，并向着高频化、高效率，模块化等特点发展。 该电路选用TL494电源芯片作为整个电路的控制器，并搭建其外围电路，构成产生PWM波的控制电路。通过调节PWM波的占空比控制开关管的关断导通时间，从而达到升压的目的。最后，通过对开关管，储能电感，滤波电容和续流二极管参数的优化，使电路具有较高的效率，良好的电压调整率和负载调整率。 2 ．DC-DC升压型开关电源的基本原理 2.1 DC-DC开关电源的种类 开关电源的种类很多，按输入/输出有无隔离的角度，可以分为隔离式与非隔离式两大类型。隔离型的DC-DC开关电源可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等，非隔离型的又可分为降压式、升压式、极性反转式等[3]。本电路为非隔离型的DC-DC开关电源。 2.2 DC-DC开关电源的主电路 图2.2所示是DC-DC升压型开关电源的主电路，它的主要构成元器件包括开关管T，储能电感L、续流二极管D和滤波电容C[4]。该电路采用的是并联式的结构，既在主回路中开关管T与输出端负载RL并联。由PWM波控制开关管的关断导通时间，高电平时开关管导通，由于导通压降很小，所以续流二极管D截止，此时Ui通过开关管对电感器L充电，负载RL靠电容C中存储的电能供电。低电平时开关管关断，此时续流二极管D导通，Ui与电感器L产生的感应电势正向叠加后，通过续流二极管D对电容器C充电，并同时对负载RL供电。 由以上分析可见，并联式的开关电源电路可以使输出电压高于输入电压，既可实现DC-DC升压的功能。 2.3 DC-DC 开关电源的调制方式 2.3.1 脉冲频率调制 脉冲频率调制PFM（全称为Pulse Frequency Modulation），是指脉冲宽度不变，只通过调节工作频率的方式来改变占空比[5]。这种脉冲调制方式电路复杂，难以实现。 2.3.2 脉冲宽度调制 脉冲宽度调制PWM（全称为Pulse Width Modulation），是指脉冲频率不变，只通过改变脉冲宽度的方式来改变占空比[6]。 这种脉冲调制方式常用在开关型的稳压电路中，在不改变电路输出PWM波频率的情况下，通过电压反馈电路，调节输出PWM波的宽度[7]。电压反馈电路的工作原理是：当输入电压增大时，取样电阻输出的采样电压也将增大，并在比较放大器和基准电压进行比较，通过放大器输出的信号去控制PWM产生器，使输出脉冲占空比减小，输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM产生器输出脉冲占空比增大，输出电压仍可以保持稳定。 3 ．电源控制芯片TL494及其外围电路的设计 3.1 集成脉宽调制芯片TL494的介绍 如图3.1所示为TL494芯片的引脚图和内部结构，TL494是一种固定频率脉宽调制集成电路，内部集成了大部分的脉宽调制电路，几乎包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于各种开关电源中[8]。其内部置有两个误差放大器，1、2 引脚为误差放大器1的正负输入端，16、15 引脚为误差放大器2的正负输入端。3引脚为相位校正和增益控制端，4引脚为死区电平控制端。其内置有线性锯齿波振荡器，5、6引脚处可外置一个电容和一个电阻两个振荡元件。7引脚为接地，8、9引脚分别为三极管Q1的集电极和发射极，10、11引脚分别为三极管Q2的发射极和集电极，12引脚为电源VCC,13引脚为输出PWM波模式控制端，14引脚为内部5V基准电压输出端。   3.2 TL494芯片的外围电路 其工作频率可通过外接电阻RT和外接电容CT确定。其计算公式如下:                                               f=1.1/（RT˙CT） 电阻RT的值选为22kΩ，电容CT的值选为1nF，计算得工作频率为50kHZ，既输出PWM波的频率50kHZ。 13引脚为输出PWM波模式控制端，当该引脚为高电平时，两个三极管推挽输出，最大占空比只有48%。为了提高输出能力，将13引脚接地，这使得触发器不起作用，两个三极管输出相同，最大占空比可达到96%。为了提高驱动能力，将两个三级管并联输出，8、11引脚接电源，9、10引脚并联后作为PWM波输出端。 1引脚为反馈信号输入端，为了保持输出电压的稳定性，将该引脚接到电路的输出端，同时将2引脚接入参考电压，参考电压的值由14引脚的5V基准电压经过电阻R3，RP2和R4组成的分压电路提供，一般调节可调电阻RP2的值，使参考电压的值在2.2V-2.3V之间。2、3引脚之间的C2、R5和R6构成的RC网络，可调节误差放大器1的增益和改善开关电源的动态性能，16引脚用作过流保护的输入端，可直接将地反馈给该引脚，使过流保护的作用更佳。 4 ．开关电源主要元器件参数的选择 4.1 开关管T的参数选择     开关管T在电路中承受的最大电压是1.1×1.2U0（U0为输出电压），在实际工程中选择开关管时，应保证有足够的余量，通常选择2~3倍的1.1×1.2U0。开关管T的最大工作电流，通常选择2~3倍的Ii（Ii为输入电压）[9]。在综合考虑开关管的最高开关频率，导通电阻和驱动电路等关键指标的情况下，本电路选择TP75N75，该开关管的最大VDS=75V，最大ID=75A，导通电阻仅8mΩ，其余量完全能够满足实际电路的需求。 4.2 储能电感L的参数选择 稳压电源工作时，流过电感的电流由直流平均值和纹波分量两部分组成。纹波分量是三角波，设其增量为ΔI，则 则根据电感选择公式[10]，得 因为开关频率f为50kHZ，通过计算得电感L的值为50μH左右，在实际工程中为保证充分余量，通常选用100μH/2A的电感，在实际制作的过程中发现自行绕制的电感效果不是太好，所以建议最好购买正规产商生产的电感。 4.3 滤波电容C的参数选择 在VT导通的TON期间内，由滤波电容C 给负载供电，设此期间C上的电压降为△U0（△U0为纹波电压）。则又                  所以               因为开关频率f为50kHZ，同时为了尽量减小输出电压的纹波，所以滤波电容C取2200μF/50V，保证了充分的余量。 4.4 续流二极管D的参数选择 在电路中续流二极管的主要作用是开关管导通时，续流二极管D截止，电容C对负载供电；开关管关断时，续流二极管D导通，Ui与电感L通过续流二极管D对电容器C充电，并同时对负载RL供电。所以D的最大反向电压为U0，流过的最大电流是输入电流II，此外续流二极管还需满足开关频率高，导通电阻小的要求，通常选用肖特基二极管，本电路选择三端肖特基二极管MBR60100CT，其最大反向工作电压为100V，最大工作电流为60A，保证了充分的余量。 5 ．开关电源电路的测试与相关数据计算 5.1 实验电路的原理图绘制 5.2 实验电路的PCB图绘制     在绘制PCB图时，应尽量把电源线和地线布粗，这样可以减少损耗，并且可以使电路过大电流。为了画图的方便以及节约空间，信号线则可以细点。另外，若焊接电路板时背面需要用导线连接，靠近输入输出处的导线应使用粗线，避免分流，反馈线可使用较细的导线。 5.3 实验电路相关参数的测试 5.3.1 负载调整率（输入电压UI为10V，输出电压UO为20V）                                                                            表5.3.1 负载调整率 所以负载调整率为：（20.00-19.59）/20≈2%。 5.3.2 电压调整率（输出电压UO为20V，输出端负载R不变）                                                                        表5.3.2 电压调整率 所以电压调整率为：（20.15-19.86）/20=1.45%。 5.3.3 升压电路的效率                                                                   表5.3.3升压电路的效率 5.4 实验结果分析 综上实验数据可得，本升压电路可以实现最高36V的输出，最大输出电流可达1.6A，效率高于86%，负载调整率约为2%，电压调整率为1.45%，并且具有过压保护和过流保护的能力。6 ．总结    本文介绍了一种基于TL494的DC-DC升压型开关电源电路。在制作的过程中，采用非隔离型的DC-DC开关电源主电路，通过电压反馈调节PWM波的占空比，实现输出电压的稳定。并通过对开关管T、储能电感L、滤波电容C和续流二极管D的参数选择，使该电路达到最佳的性能指标。最后，对电路的负载调整率、电压调整率、效率进行测试。从实验结果可得，该电路实现了从(15V~20V)到(18V~36V)的升压功能，具有效率较高，良好的负载调整率和电压调整率的特点，且性能稳定，抗干扰能力强。 参考文献 [1] 李文才,鲁传峰.新一代开关电源发展趋势[J].能源技术与管理.2008(05). [2] 方舟.通信高频开关电源的现状及展望[J].电源世界,2008(10):35-37. [3] 赵容,张波.同步整流关键技术及主要拓扑分析.电路与系统学报[N],2004,9(3): 100-104. [4]  白炳良,周慰君.基于TL494开关电源的设计.大学物理实验.2009(01). [5]  林荫宇.移相全桥零电压PWM变换器的建模与仿真[J].重庆大学学报.2000,78-85. [6]  邹怀安,张锐.开关电源的PWM-PFM控制电路[J].电子质量.2004(03). [7]  华伟.通信开关电源的五种PWM反馈控制模式研究[J].通信电源技术.2001(02). [8]  沙占友,孟志永.开关电源专用芯片的选择及其应用[J].电源技术应用.2012(05). [9]  刘慧娟,黄权.开关电源效率的优化设计[J].声屏世界.2015(S1). [10] 毛景魁.锂电池并联的 Boost 升压电路设计与仿真[J].实验室研究与探索.2012(9): 214-218.