桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸
引言 ........................................................... 1 1 设计要求： .................................................. 1 2 设计构思及理论 .............................................. 1
2.1 设计思路 .............................................................. 1 2.2 设计构思的理论依据 ................................................... 1 2.2.1非隔离型开关型调整器基本工作原理 .................................... 1 2.2.2非隔离型开关型调整器的主要电流波形 .................................. 3 2.2.3输出电感的计算 ...................................................... 4 2.2.4输出电容的计算 ...................................................... 4
3 系统电路的设计及原理说明 .................................... 5
3.1 系统框图及说明 ........................................................ 5 3.2 电路设计说明 ......................................................... 5 3.3 关键元器件的介绍 ..................................................... 6 3.3.1开关模式脉冲宽度调制器TL494 ......................................... 6 3.3.2功率开关管 .......................................................... 9
4 工程设计 ................................................... 10 5 制作（特点）叙述 ........................................... 10 6 调试测试分析 ............................................... 10 7 总结 ....................................................... 11 谢 辞 ........................................................ 12 参考文献 ...................................................... 13 附 图 ........................................................ 14
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引言
一切电子设备离不开电源提供能量，稳压电源电路大量采用了电力技术和功率半导体器件。传统稳压电源又称线性耗能调整器，其主要工作原理是改变本身耗能大小稳压负载的电压。耗能式稳压电源由于本身的耗能特点，其稳压范围越宽，输入/输出压差越大，耗能也就越大；而且这种稳压电源必须与笨重、效率较低的工频变压器配套使用。而开关稳压电源的出现，彻底改变了稳压器的稳压概念，相比于传统稳压电源有很大的优势，在现在代日常生活中的优势作用越来越明显。本文以开关模式脉冲宽度调制控制器TL494和场效应开关管组成的电路介绍新式开关稳压电源的特点并进行验证。
1 设计要求：
(1)要实现的功能：运用所学过的知识，设计一个TL494电路构成的开关稳压电源电路，并且测试相关数据，使电路输出电压符合要求且输出稳定。
(2)要求达到的技术指标：输入电压DC16V-40V，输出稳定电压DC12V，额定负载电流：≧1A，工作频率为50kHz。
(3)完成要求：设计与制作可供实际检测的实物样品，并且按要求完成课程设计报告。
2 设计构思及理论
2.1 设计思路
根据设计要求要设计一个由TL494电路构成开关频率为50KHz的降压型开关电源。要实现这个基本要求可以采用两种常见的方法，一是采用隔离型天关电源降压，通过变压器的初次级之间不同的匝数比来得到所需输出电压；一是采用非隔离型开关电源降压，通过BUCK调整器电路得到所需输出电压。对比两种方法，考虑到隔离型天关电源需要绕制高频变压器，而高频变压器的手工绕制需要具备一定的绕制功底，而且绕制出来的高频变压器的好坏直接影响到电路的整体性能，所以采用非隔离型开关电源降压。非隔离型开关电源降压适合在输入输出电压差不大的电路，由于少了高频变压器，使得电源电路的体积大大减小，同时提高了电源电路效率。设计构思框图如下：
驱动电路 PWM产生电路 反馈电路 16V输入 开关管 滤波电路 12V输出 图1 电路设计构图
2.2 设计构思的理论依据
2.2.1非隔离型开关型调整器基本工作原理
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线性调整器串接晶体管的高损耗使它很难在输出大于5A的场合应用。因为高损耗要求大体积的散热器，而大体积的散热器及笨重的工频变压器与电路其他部件的集成小型化很不协调。这样的线性调控器输出负载的功率密度仅为0.2～0.3W/in3，不能满足电路系统小型化的要求。
取代线性调控器的开关型调整器早在20世纪60年代就开始应用。它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例(占空比)来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。
使用合适的LC滤波器可将方波脉冲平滑成无纹波直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影响。
图2 BUCK调整器及其主要波形
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目前这种开关型调整器功率密度可达1～4 W/in，而且可以获得与输入隔离的多组 输出它们无需工频变压器。有些DC—DC变换器功率密度可高达40～50 W/in3。
图2所示为BUCK调整器。其中，开关器件Ql作为单刀单掷开关与直流输入电压Vdc
串联。开关周期T内，Q1导退时间为Ton。Ql导通时，V1点电压为Vdc (设Q1导通，压降为零)。Q1关断时，V1点电压迅速下降到零。若没有钳位二极管D1（也称续流二极管)将其钳位于地，则V1点电压波形会降得很负而损坏Q1。
设此刻二极管D1压降也为零，则V1点电压波形为矩形波，如图1(b)所示，Ton时段电压为Vdc，其余时段电压为零。该电压的直流值(或称平均值)为
Vo=
Vdc?Ton 式⑴ TLoCo滤波器接城V1和Vo电压之间，它使输出点Vo成儿幅幅等于Vo的无尖峰无纹波的直流电压。
采样电阻R1和R2检测输出电压Vo，并将共输入误差放大器(EA)与参考电压Vref进行比较。被放人的误差电乐Vea被输入到脉宽调整器(电压比较器)PWM。
PWM比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波，如图2(a)所示，其幅值一般为3V。PWM电压比较器产生矩形波脉冲，即图2(c)中的Vwm，它从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束。因此PWM输出购脉冲宽度Ton与误差放大器输出电压成比例。
PWM脉冲输入到电流放大器并以负反馈方式控制开关管Ql的通断。其逻辑关系是：若输入电压Vdc稍升高，则EA输出电压Vea将降低使锯齿波与Vea交点提前，Ql导通时间Ton缩短使输出电压Vo保持不变。同理，若Vdc下降，则导通时间Ton正比的延长使Vo保持不变。Q1导通时间的改变使采样电压总是等于参考电压，即
Vo?R2 = Vref 式⑵
R2?R12.2.2非隔离型开关型调整器的主要电流波形
如图2所示，Q1导通时(设导通压降为零)，加在Lo上的电压为（Vdc-Vo)。由于电感上的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升，其斜率为
dIVdc?Vo＝ 式⑶ dTLo这使电感电流为有阶梯的斜坡，如图2(d)所示。由于电感的电流不能突变，所以Q1关断时电感两端电压极性迅速颠倒以保持电感中电流I2不变。这种电压极性额倒的现象称为“电感反冲”。若未接二极管D1，则V1点电压会变得很负以保持Lo上的电流方向不变。但此时Dl导通将电感Lo前端电压钳位于比地低一个二极管导通压降(约1V)。此时，先
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前流过Q1的电流I2现在转移流向二极管Dl，如图2(e)所示。但这时电感Lo上的电压极性反相，幅值为(Vo+1)，电感中的电流线性下降，其斜率为
dIVo?1o＝ 式⑷ dTLo波形是下降的阶梯斜坡，如图2(e)所示。Q1关断时间结束时，电感电流(流过D1)下降到I1。此时Q1再一次导通，它的电流逐渐取代二极管D1的正向电流。当Q1上的电流上升列I1时，二极管D1的电流降到零并关断，V1点的电压上升到(Vdc-1)，使D1反偏。这样，电感Lo上的电流是Q1导通时的电流(如图2(d)所示)和Q1关断时D1的电流(如图2(e)所示)之和，即图2(f)中的电流ILo。可见，在输出电流Io的上下有斜坡纹被波动(I2-I1)。因此可推断图2(d)和图2(e)中波形斜坡的中点的电流值就是直流输出电流Io。随着输出电流Io的改变，图2(d)和图2(e)中的斜坡中点也会变化，但斜坡的斜率不变。Ql导通时，Lo的斜坡斜率始终为（Vdc-Vo)／Lo；Q1关断时，其斜率始终为(Vo+1)／Lo。
2.2.3输出电感的计算
图1(d)示出输出电感的电流波形，其为阶梯斜坡形状，且斜坡中点电流值等于直流输出电流Io。输出电流减小时，由于施加在电感两端的电压不变，所以其斜坡斜率也不变。但斜坡中点的电流值会下降。当直流电流为
Io =
I2?I1 式⑸ 2即为斜坡电流幅值dI的一半时，斜坡的阶梯为零。电感将进入不连续工作模式，电压和电流的波形将发生较大变化。由于BUCK电路输出滤波器拓扑在不连续工作模式下容易出现问题，所以电感的选择应保证直到输出最小规定电流（通常为额定电流的1/10）时，电感电流也保持连续。所以有：
Lo=
(Vdc?Vo)?Ton(Vdc?Vo)?Ton5?(Vdc?Vo)?Vo?T== 式⑹
dI0.2?IonVdcn?Ion式中Vdcn和Ion分别为输入电压和输出电流额定值。 2.2.4输出电容的计算
图2中滤波电容的选择必须满足输出纹波的要求。由于实际中所使用的电容不是理想电容，它等效为如图3中的 Co和等效电阻Ro与等效电感L的串联。在约300KHz以下频率时L可以忽略，输出纹波仅由Co和等效电阻Ro决定。对很大范围内不同电压等级不同容值的常用铝电解电容其Ro2Co的值近似为50～80310-6F。实际计算中取Ro2Co的平均值为65310-6F。所以
Co=（65310）2
-6
0.2?Ion1VorVor=（65310-6）2 （Ro==） 式⑺ RoI2?I1IonVor 4