毕业设计（论文）说明书
损耗低，但难以实现高频化和小型化；
(5)生产工艺问题。由于元器件技术性能和焊接等生产工艺上的问题，往往会导致在生产上难以达到在实验室中难以达到的相关的相关技术指标。
开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面:
（1）小型化、模块化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化，实质上就是尽可能地减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及电压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此，高频化是开关电源的主要发展方向。高频化是小型化和模块化的基础，模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电源的可靠性，简化生产与使用。模块电源的并联串联和级联既便于用户使用，也便于生产。
（2）低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
（3）高可靠性。开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。
（4）智能化。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。采用计算机辅助和控制设计以设计出最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时监测、记录并自动报警等。
┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
1.3 开关电源的分类
开关电源可按不同的标准来分类：
1.按输入输出是否隔离划分：隔离式和非隔离式开关变换器。隔离式是高频变压器将变换器的一次侧与二次侧隔离，主要结构有单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽变换器、半桥式变换器、全桥式变换器非隔离式开关变换器。非隔离式在电气上输入与输出不隔离的，输入与输出共用一个公共端，主要有BUCK变换器、BOOST变换器、CUK变换器等。
2.按激励方式，开关电源可分为自激式和他激式。在自激式开关电源中，由开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，类似于间歇振荡器；而他激式开关电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止，使开关电路工作并有直流电压输出。
3.按调制方式，开关电源可分为脉宽调制（PWM）方式、脉频调制（PFM）方式和
第 6 页 共 36 页
毕业设计（论文）说明书
混合型调制开关电源。PWM是通过改变开关脉冲宽度来控制输出电压稳定的方式，而PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，将误差值放大后去控制开关脉冲周期使输出电压稳定。混合型调制开关电源电路通过调节脉冲宽度和频率实现对输出电压和电流进行调节。
4.开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。
5.按软开关方式分，开关电源有电流谐振型、电压谐振型、E类与准E类谐振型和部分谐振型等。
从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。
┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
1.4 恒流源的设计思想
开关电源设计总是先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来就是设计总体和辅助功能，最后进行测试和设计优化的。
开关电源是由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器PWM控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。
恒流和恒压的关系十分密切，两者相辅相成并可互相转化。恒流源和恒压源在电路上的差别反应在两者的采样电路采集的对象不一样。恒压源为了保持输出电压的恒定，需要实时对输出电压跟踪、控制，在负载变化的情况下使输出电压不随负载的变化而变化，而恒流源是指在负载变化的情况下，控制器能根据负载的变化相应调整输出电压．保持输出电流不变，恒流源采样电路采集的是输出的电流信号，但实际上采集的是经过I／V转换后反应电流大小的电压信号。
简单地说，开关恒流源的工作原理是： 1.交流电源输入经整流滤波成直流；
2.通过高频PWM信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载；
4.输出部分通过电流采样电路反馈给控制电路，可以通过采样电阻RS将电流的变化转化为电压的变化，通过PWM控制芯片调节占空比,以调节其输出电压，从而达
第 7 页 共 36 页
毕业设计（论文）说明书
到恒流的目的。RS可以用康铜丝。由于电流采样电阻是在驱动回路之中，防止由噪声引起的误动作，在电流信号输入端可以采用适当的RC滤波器。
输入保护半桥变换器输出整流滤波┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
市电输入EMI滤波整流滤波辅助电路控制电路
图1.1 开关电源模块功能图
反馈电路
1.5 本文研究的主要内容
本课题研究基于TL494恒流源的实现方法，采用了AC／DC／AC／DC变换方案，并按照设计指标要求进行电路的设计与仿真。具体要求如下：
① 学习并了解恒流源的相关概念和原理； ② 熟悉Protel软件的使用方法； ③ 构建基于TL494的恒流源系统； ④ 收集在完成课题过程中遇到的问题和对问题的解决方法以及新的心得体会。 主要技术指标
设计要求：
输入：交流电压220V，50Hz； 输出：电流5A，开路电压24V； 效率：η>80%
1.6 本章小结
本章主要介绍了本课题的研究背景,以及开关电源的现状和发展趋势和，并介绍了恒流源的基本原理，从整体上了解恒流源的设计思路和一般方法。
第2章 单元电路的设计
2.1 主电路设计
开关电源的功率主电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率
第 8 页 共 36 页
毕业设计（论文）说明书
变换电路、输出整流滤波电路组成。主电路的设计首先要进行电路拓扑结构的选择，并结合电路参数的计算，设计出合理的方案。
┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
2.1.1 硬开关DC/DC变换器的设计
开关电源的高频变换电路形式很多，一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60％降额使用，选用开关管也比较容易。一般在小功率场合可选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态相同。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。
正激有等效占空比小、副边二极管电压应力高、输出电流脉动大等缺点。半桥结构波形对称电流纹波小，但是效率低。其次半桥电路克服了推挽式电路的缺点，所使用的功率晶体管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小。对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。本文输入为交流220V电压，由于容性负载，经全波整流后，直流电压 约为300V，加上变压器的漏感尖峰及线电压的扰动，会导致MOS管电压应力过高。
图2.1 各种隔离拓扑应用的电压范围
对于本文恒流源设计的标准，选择半桥结构作为主电路直流变换器的拓扑。在半桥式功率变换电路中的功率开关管MOSFET输入阻抗很高且是电压控制器件，所需驱动电流小，其开关时间以纳秒计且不受温度变化的影响。导通电阻R的温度系数为正，当Ｒ随温度升高而增大时电流自动减小，这使其本身就具有自动均流能力。电路中的 分压电容起着较强的不平衡作用。半桥型开关电路由于两管开关导通时间不对称而造成变压器一次侧的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁现象。由于TL494中存在死区时间，也不存在由于两个MOS管共同导通而损坏功率管的情况。
第 9 页 共 36 页
毕业设计（论文）说明书
┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
图2.2 半桥电路结构电路图
电路的工作过程大致如下：
(1)输入电源Ui首先对电容器C1、C2进行充电，当控制开关V1开通V2关断时，电容器C1两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的两端，电容器C1将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电。此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。
(2)V1关断，V2关断，此时变压器副边两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态，原边绕组也相当于短路状态。
(3)V1关断，V2开通。电容器C2两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组两端，电容器C2也将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电。此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。副边两个二极管完成换流。 由于输入电源Ui直接与串联电容器C1和C2连接在一起，因此在任一时刻，当一个电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。电容器C2放电电流的方向正好与电容器C2放电电流的方向相反，因此，在变压器初级级线圈绕组的两端电压是一个脉冲宽度与控制开关V1（或V2）接通时间对应的方波。半桥电路工作波形图如图2.3所示
图2.3 半桥电路工作波形图
由于两个电容连接点的电位是随V1、V2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值。在变压器原边线圈中加一个串联电容C3，则当浮动不
第 10 页 共 36 页