1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。DCDC變換器-DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)將12V升高到24V的DC-DC變換器。在電阻負(fù)載下，要求如下：輸出電壓U0=24V。最大輸出電流I0max=1A。當(dāng)輸入U(xiǎn)I=1113V變化時(shí)，電壓調(diào)整率SV2%（在I0=1A時(shí)）。當(dāng)I0從0變化到1A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI5%（在UI=12V時(shí)）。要求該變換器的在滿載時(shí)的效率70%。輸出噪聲紋波電壓峰-峰值U0PP1V（在UI=12V，U0=24V，I0=1A條件下）。要求該變換器具有過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流I0(th)設(shè)定在1.2A。設(shè)計(jì)方案

2、分析1、DC-DC升壓變換器的工作原理DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來(lái)分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工作原理。圖1（a）是升壓式DC-DC變換器的主電路，它主要由功率開(kāi)關(guān)管VT、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是：當(dāng)控制信號(hào)Vi為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲(chǔ)存于電感L中，由于VT導(dǎo)通時(shí)其飽和壓降很小，所以二極管D反偏而截止，此

3、時(shí)存儲(chǔ)在濾波電容C中的能量釋放給負(fù)載。當(dāng)控制信號(hào)Vi為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT截止，由于電感L中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)將阻止電流的減小，感應(yīng)電勢(shì)的極性是左負(fù)右正，使二極管D導(dǎo)通，此時(shí)存儲(chǔ)在電感L中的能量經(jīng)二極管D對(duì)濾波電容C充電，同時(shí)提供給負(fù)載。電路各點(diǎn)的工作波形如圖1（b）。圖1DC-DC升壓式變換器電路及工作波形2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系假定儲(chǔ)能電感L充電回路的電阻很小，即時(shí)間常數(shù)很大，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，忽略管子的導(dǎo)通壓降，通過(guò)電感L的電流近似是線性增加的。即：，其中ILV是流過(guò)儲(chǔ)能電感電流的最小值。在開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為：，iL的增量為。在

4、開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L兩端的電壓為，所以流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流為：，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT截止結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為：，iL的減少量為。在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，儲(chǔ)能電感L中的電流在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間的增量應(yīng)等于在開(kāi)關(guān)管截止期間的減量，即，所以：，其中。可見(jiàn)改變占空比大小，就可以獲得所需要的電壓值，由于占空比總是小于1，所以輸出電壓總是大于輸入電壓。3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理通過(guò)輸出電壓的關(guān)系式可以看出，在輸入電壓或負(fù)載變化，要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時(shí)，可以采用兩種方案。第一可以維持開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間TOFF不變，通過(guò)改變脈沖的頻率f來(lái)維持輸出電壓U0的穩(wěn)定，這便是脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制

5、方式DC-DC變換器；第二可以保持脈沖的周期T不變，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON，即脈沖的占空比q，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調(diào)制（PWM）控制方式DC-DC變換器。由于目前已經(jīng)有各種型號(hào)的集成PWM控制器，所以DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。圖2是DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的原理圖，它主要有取樣電路、比較放大、PWM控制器和DC-DC升壓變換器組成。其穩(wěn)壓原理是，假如輸入電壓UI增大，則通過(guò)取樣電阻將輸出電壓的變化（增大）采樣，和基準(zhǔn)電壓相比較通過(guò)比較放大器輸出信號(hào)去控制PWM控制器輸出脈沖占空比q的變化（減小），結(jié)果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當(dāng)輸入電壓減小時(shí)，PWM控制器輸

6、出脈沖占空比q也自動(dòng)變化（增大），輸出電壓仍能穩(wěn)定。圖2DC-DC升壓穩(wěn)壓電路的組成4、集成脈寬調(diào)制控制器TL494介紹TL494集成電路內(nèi)部電路如圖3所示，它由振蕩器、D觸發(fā)器、死區(qū)時(shí)間比較器、PWM比較器、兩個(gè)誤差放大器、5V基準(zhǔn)電壓源和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管等組成。當(dāng)TL494正常工作時(shí)，輸出脈沖的頻率取決于5腳和6腳所接的電容和電阻，表達(dá)式為，在電容CT兩端形成的是鋸齒波，該鋸齒波同時(shí)加給死區(qū)時(shí)間控制比較器和PWM比較器，死區(qū)時(shí)間控制比較器根據(jù)4腳所設(shè)置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度，利用該腳可以設(shè)計(jì)電源的軟啟動(dòng)電路、欠壓或過(guò)壓電路等。輸出調(diào)制脈沖寬度是由電容CT端的正向鋸齒波和3、4腳輸入的兩

7、個(gè)控制信號(hào)綜合比較后確定的。當(dāng)外接控制信號(hào)電壓大于5腳電壓時(shí)，9、10腳輸出脈沖為低電平（設(shè)9、10腳為跟隨器輸出接法），所以隨著輸入控制信號(hào)幅值的增加，TL494輸出脈沖占空比減小。13腳為輸出脈沖模式控制端，當(dāng)該端為高電平時(shí)，兩路脈沖輸出分別有觸發(fā)器的和端控制，兩路信號(hào)輸出互補(bǔ)，即推挽輸出，此時(shí)PWM脈沖輸出頻率為振蕩器頻率的一半，最大占空比為48%。若13腳接地，觸發(fā)器控制不起作用，兩路輸出脈沖相同，其頻率與振蕩器頻率相同，最大占空比為96%，為了增大驅(qū)動(dòng)電流的能力，一般使用時(shí)可將兩路并聯(lián)輸出。TL494內(nèi)部包含兩個(gè)誤差放大器，若兩個(gè)誤差放大器的反相輸入端2、15腳的參考電位一定，當(dāng)它們

8、的同相輸入端電位升高時(shí)，輸出脈沖的寬度變窄；反之脈沖寬度變寬。所以一般將兩個(gè)誤差放大器的同相和反相輸入端分別接到基準(zhǔn)信號(hào)和反饋信號(hào)，使系統(tǒng)完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的穩(wěn)定。在實(shí)際使用中，常利用TL494內(nèi)部基準(zhǔn)電源向外提供+5V基準(zhǔn)參考電壓，再通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)給誤差放大器提供基準(zhǔn)電位。圖3TL494集成脈寬控制器內(nèi)部電路圖TL494的推薦工作條件見(jiàn)表1。表1TL494推薦工作條件項(xiàng)目名稱最小值典型值最大值單位電源電壓7.01540V集電極輸出電壓3040V集電極輸出電流（每只晶體管）200mA放大器輸入電壓-0.3UCC-2.0V進(jìn)入反饋斷電流0.3mA基準(zhǔn)源輸出電流10mA定時(shí)電阻1.830

9、500k定時(shí)電容0.000470.00110F振蕩頻率1.040300kHz主要單元電路設(shè)計(jì)1、DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計(jì)該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖1所示的電路。該變換電路設(shè)計(jì)主要是確定關(guān)鍵元件：輸出濾波電容C、電感L、開(kāi)關(guān)管VT和二極管D。輸出濾波電容的選擇假如輸出濾波電容C必須在VT導(dǎo)通的TON期間供給全部負(fù)載電流，設(shè)在TON期間C上的電壓降U0，U0為要求的紋波電壓。則，又因?yàn)椋裕x擇開(kāi)關(guān)頻率等于50KHz，在本設(shè)計(jì)給定的條件及要求下，計(jì)算輸出濾波電容的值為：10F，實(shí)際選擇100F/50V的電容。儲(chǔ)能電感的選擇根據(jù)電路的工作波形，電感電流包括直流平均值和紋波分量?jī)刹糠帧＜偃艉雎噪娐返?/p>

10、內(nèi)部損耗，則變換器的輸出能量和變換器的輸入能量相等，即，所以，即從電源取出的平均電流也就是流入電感的平均電流。電感電流的紋波分量是三角波，在TON期間，電流的增量為；在TOFF期間，電流將下降，其減少量為；在穩(wěn)態(tài)下，。在選擇I時(shí)，一般要求電感的峰值電流不大于其最大平均電流的20%，以免使電感飽和；同時(shí)流過(guò)電感中的電流最小值也應(yīng)大于或等于零。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，選擇電感電流的增量，所以，在開(kāi)關(guān)頻率選擇50kHz和給定的條件及要求下，計(jì)算電感量為42H，實(shí)際選擇100H/2A的電感。電感可以買成品也可自己繞制。開(kāi)關(guān)管的選擇開(kāi)關(guān)管VT在電路中承受的最大電壓是U0，考慮到輸入電壓波動(dòng)和電感的反峰尖刺電壓的影響

11、，所以開(kāi)關(guān)管的最大電壓應(yīng)滿足1.11.2U0。實(shí)際在選定開(kāi)關(guān)管時(shí)，管子的最大允許工作電壓值還應(yīng)留有充分的余地，一般選擇（23）1.11.2U0。開(kāi)關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇（23）II。開(kāi)關(guān)管的選擇，主要考慮開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計(jì)選擇N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF3205，該器件的VDSM=55V，導(dǎo)通電阻僅為8m，IDM=110A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。續(xù)流二極管的選擇在電路中二極管最大反向電壓為U0，流過(guò)的電流是輸入電流II，所以在選擇二極管時(shí)，管子的額定電壓和額定電流都要留有充分大的余地。另外選擇續(xù)流二極管時(shí)還要求導(dǎo)通電阻要小，開(kāi)關(guān)頻率要高，一般要選用肖特

12、基二極管和快恢復(fù)二極管。本設(shè)計(jì)選用MBR10100CT，其最大方向工作電壓為100V，最大正向工作電流為10A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。2、DC-DC變換器控制電路設(shè)計(jì)DC-DC變換器控制電路選用集成PWM控制器TL494構(gòu)成，調(diào)制脈沖的頻率選擇50kHz，選擇振蕩電容CT為1000pF，電阻RT為22k即可滿足要求。脈沖采用單端輸出方式，將13腳接地，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，從內(nèi)部三極管的集電極輸出，并將兩路并聯(lián)，即將8、11腳并聯(lián)接電源（即輸入電壓UI），9、10腳并聯(lián)，該端即為脈沖輸出端。為了保證輸出電壓U0穩(wěn)定，要引入負(fù)反饋，即通過(guò)取樣電阻R1、R2、RP1將輸出電壓反饋到TL494內(nèi)部誤差放大器

13、的同相輸入端（1腳），誤差放大器的反相輸入端（2腳）接一參考電壓，圖中由電阻R3、R4、RP2組成；當(dāng)輸出電壓增高時(shí)，反饋信號(hào)和參考電壓比較后，誤差放大器的輸出增大，結(jié)果使輸出脈沖的寬度變窄，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間變短，輸出電壓將保持穩(wěn)定。圖中連接在誤差放大器2腳和3腳之間的電阻和電容是構(gòu)成PID調(diào)節(jié)器，目的是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在給定參數(shù)下，調(diào)節(jié)RP2使15腳電位等于2.2V，然后調(diào)節(jié)RP1即可調(diào)節(jié)輸出電壓值。過(guò)流保護(hù)電路可以利用TL494內(nèi)部另一誤差放大器實(shí)現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇1/2W的精密電阻，兩端并聯(lián)一高頻濾波電容，誤差放大器的反相端（15腳）接電壓等于2.2V的基準(zhǔn)電壓，電流取樣電阻上

14、的電壓輸入誤差放大器的同相輸入端（16腳），當(dāng)電流大于1.2A時(shí)，16腳電壓大于15腳電壓，誤差放大器輸出增大，TL494輸出脈沖寬度變窄，輸出電壓減小，則起到限流作用。圖4DC-DC升壓穩(wěn)壓電路四、系統(tǒng)安裝與調(diào)試1、首先將由TL494組成的控制電路按圖4在面包板上插接或在實(shí)驗(yàn)板上焊接起來(lái)（此時(shí)主回路先不接入）。2、檢查無(wú)誤后，假如+12V電源。1腳和16腳通過(guò)電阻接地，用示波器觀察9、10腳連接點(diǎn)的輸出脈沖的波形，由于反饋信號(hào)沒(méi)有引入，此時(shí)輸出脈沖信號(hào)的脈寬最大；測(cè)量脈沖信號(hào)的頻率是否為50kHz；同時(shí)調(diào)節(jié)電位器RP2，使15腳電位等于2.2V。3、上述控制電路調(diào)試正確后，將DC-DC升壓變換器主回路接入，在負(fù)載RL情況下，接通輸入12V直流電源，調(diào)節(jié)電位器RP1，使輸出電壓U0等于24V。4、將電阻為50/100W的可變電阻接入到變換器的輸出端，調(diào)節(jié)電阻大小，使輸出電流大小等于1A，然后分別對(duì)變換器的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。5、過(guò)流保護(hù)測(cè)試。當(dāng)逐漸增大輸出電流時(shí)，用示波器觀察PWM控制器輸出脈沖的變化情況，同時(shí)測(cè)量輸出電壓的變化。五、思考題1、開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器相比，優(yōu)缺點(diǎn)是什么？2、在圖1所示的DC-DC升壓電路中，若電感、電容的值足夠大，已知輸入電壓等于12V，負(fù)載電阻等于20，輸入脈沖信號(hào)的T=40S，TON=25S。計(jì)算輸出電壓和電流的大小。