科技創新-設計報告dc-dc開關電源及其控制系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 信息與電氣 工程學院 TL494 的原理圖見 圖 31 。由內部振蕩器、誤差放大器、電壓比較器，輸出驅動等部分構成。 首先內部的 5V穩壓器產生一個內部 5V電壓。 內置振蕩器產生一個鋸齒波的信號，其電壓范圍約為 0~5V，用于和誤差信號比較。 誤差放大器放大參考電壓與電源輸出電壓的差值。差值介于 0 到 5V 之間，（負壓被二極管截斷）。 誤差信號與鋸齒波通過運算放大器比較。由于鋸齒波線性地由 0V變化到 5V，因此比較后得到的信號就是需要的 PWM電源控制信號。 后級的 D 觸發器本電路中又 Output Control 管腳配置為無效。后極的兩個三級管驅動只使用了一個。當為推拉式電源才需要使用兩個。 輸出電壓的設定 圖 32 電壓設定電路圖 [1] 第 9頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 TL494 的第一個誤差放大器用來控制輸出電壓值。根據電路結構，調節 R12 和 R14 能使輸出電壓達到 5 到 10V。實驗中取 R5=R8=10KEY?，于是參考電壓為 。輸出穩定電壓時， pin1 與pin2 電壓相等，也為 。根據這樣的關系可以設定電路的參數。見 。 第二個誤差放大器用于過流保護，限制輸出電壓的最大電流。電壓由 TL494 芯片的 pin15 及pin16 輸入，電流在電阻 R10 兩端的電壓反饋到誤差放大器二。當電流過大時，反饋電壓很大，誤差放大器二將電路鎖死，使電壓不再增加。從而實現了過流保護功能。 子系統主要電路結構和參數 電路結構 電路結構如 錯誤 !未找到引用源。 所示。 圖 331 DCDC 子系統電路原理圖 [1][3] 參數的設定 本節中的電 阻電容編號與 PCB板上的編號相對應。 PWM頻率的設定 C3， R7 用于確定 TL494 內部振蕩器的頻率。 TL494 內部特性決定了頻率滿足公式 [2]： 第 10頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 TTosc RCf ?? 通過試驗調整，最終取 C3=， R7= 。 實際 fosc 約為 90KEYHz 誤差放大器相關外圍電路參數設定 R4 是 3 端接的反饋電阻，與 R5 一起確定 誤差放大器的增益。若設定的誤差增益為200。 取 R4=1000KEYΩ R5= 限流誤差放大器 與誤差放大器二相連 的 R R R15用于限流保護 若限流值為 1A。由于穩定時 V15=V16，限流電阻既定 =， 則 V15=V16=。 R R9 對參考電壓 5V分壓得到 V1 V16， 若取 R6= R9=150Ω 。 則 V1 V16的 實際值為)( 5 96 6RR R??= ，限流值 電流為 。 開關三極管 TIP42 靜態工作點的設置 開關三極管 Q1 在 b 極為低電平時截止，高電平導通， R1 、 R2 為 Q1 提供適當的工作點。為了使紋波變小，可以使用讓三極管工作在臨界飽和區的 方法 [1]。這樣可以減小導通時三級管產生的噪聲，但是會降低電源的效率。實際取 R1=300Ω、 R2=100Ω。 問題討論：紋波和電源效率 DCDC 開關電源的設計中，我們總是希望紋波小，而電源效率高。而實際中，這兩者是矛盾的。如何優化這兩者的關系，使電源處于一個折中的水平的是一個需要討論的問題。 紋波的來源 紋波主要由如下幾方面產生。 控制開關三極管 PWM 的頻率越小，紋波越大。因為充放電的時間長，導致電壓上下起伏。在示波器上的波形為波形的上下起伏，其頻率和 PWM頻率相同。 開關三極管的工作狀態。當三極管工作從 深度飽和到深度導通時，會產生很大的噪音，即高頻的抖動信號。在示波器中觀察到的波形通常為一個含有豐富高頻分量的尖峰脈沖。 電源效率的損失 效率主要是在開關三極管 TIP42 上損失的。開關 的閉合 越頻繁（ PWM 頻率越高）損失的功率就越多。同時，工作在淺飽和區相對于深度飽和也會增加總的功率損失。 第 11頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 問題的解決方法 在紋波允許的情況下，頻率應當盡量調低。頻率是影響紋波最直接的一個因素。 當然為了達到一定的功率和穩定度，頻率要求又不能太低。因而在保證紋波滿足的條件下盡可能加大頻率。 在頻 率不可調低的情況下，增大負載兩端的電容也是有效的方法。但是一般大電容的價格較高，同時大電容會引起系統上電時較大的瞬間沖擊電流。 電感過大時，示波器上觀測到的波形會有瞬間電壓下降的現象，且下降是在三極管一阻斷時就發生的。這是由于電感處在了磁飽和區。當電感放電時，由于磁飽和時，磁通對電流的導數did?很小，磁通減小很少的量，電流就瞬間變小很多。因此應該保證電感沒有磁飽和，這樣對電流才有穩定的作用，即對阻性負載有穩定作用。 電感也不能過小，電感過小時，儲存的能量 不夠，這樣紋波勢必很大。這種情況在示波器上的現實的波形的現象通常為：電壓起先較為穩定，突然開始減小。這是由于電感磁場能釋放盡所致。但是一般在實驗中，這種情況不太發生。電感感值一般偏大使磁場飽和。 第 12頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 4. 電壓控制子系統的硬件設計 主要功能 本子系統主要是用來與單片機結合控制后一級輸出電壓 。即開環控制電路。 TL494 的控制信號此時由單片機提供，然而單片機所能提供的信號為 5V，并且不穩定，這就需要我們對輸入信號進行整形， LPF 濾波，信號變換和隔離。這就是電壓控制子系統的主要功能。 系統設計指標 輸入直流電壓： 177。，由單片機按鍵控制電壓大小，從 DCDC 開關電源子系統的負載電阻 RL 端輸出單片機數碼管所顯示的電壓值，誤差≦ 。 系統原理 簡要分析 系統原理圖 電壓控制子系統原理圖如圖 所示 圖 電壓控制子系統原理圖 [1] 系統功能簡要說明 （ 1）單片機輸出占空比可調的 PWM 波，經過波形整形電路后輸入給有源低通濾波器 LPF 進行濾波。 （ 2） LPF 的截止頻率非常低 ,將 PWM 波濾波成直流電壓信號輸入給下一級信號變換和隔離電路。 （ 3）信號變換和隔離電路是一個光電耦合器件 4N25，它的主要作 用是將本子系統與下一級DCDC 開關電源子系統進行電氣隔離，同時利用 LPF 輸出的直流電壓信號控制下一級系統的輸出電壓。 系統各模塊設計分析 PWM信號產生及其濾波原理 PWM信號即占空比可調脈沖信號， 可以由單片機小系統產生，并用單片機來調整其占空比。 第 13頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 由此我們想到，利用 PWM波的占空比參數來表示期望的輸出電壓是可行的。 如何從不同的 PWM 波中解調出這個信息呢？用低通濾波器對它進行濾波就可以了。具體分析如下：由信號頻譜分析原理可知，理論上周期方波經過低通濾波器（截止頻率 方波頻率）后濾出的是它的直流分量 ?? ??VhV * 其中 Vh 為方波的高電壓。但是實際單片機產生的方波是由有限的諧波疊加產生的，故濾波器的截止頻率應該足夠低，以使濾出的波形接近于直流。 又因為我們需要用濾出的直流信號電壓帶動后級信號隔離及變換電路，故需要對這個信號進行放大，于是我們選取了有源低通濾波器。 整形電路模塊 整形電路模塊原理圖如圖 所示： 圖 整形電路模塊原理圖 [1] 加入整形電路的原因 首先 ?? ??VhV 單片機輸出的方波高電平 Vh1 等于工作電壓 Vcc，不加 整型電路時 Vh=Vh1=Vcc 于是 ?? ??VccV * 但是 Vcc 取自實驗室直流電源，不同的電源輸出的 Vcc 會不一樣， 并不穩定， 這樣將會導致濾波器對相同占空比的 PWM 輸入波在不同外接電源下濾出不同的直流分量，引起控制誤差。所以要加入整形電路進入濾波器前的 PWM波高電平恒定，如 圖 所示。 第 14頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 整形電路的分析 基于上述分析用非門邏輯電路就可達到這個目的，使非門電路的 Vss 接穩定的電源Vccw=4V ，那么經過非門的 PWM波的高電平就將穩定在 Vh2=Vccw。 （ 1） TL431 得 到穩定電壓 我們采用 TL431 與電阻網絡構成這部分電路 以 得到穩定的 Vccw，如圖 所示： 圖 TL431 分壓電阻網絡 [3] TL431 的 Vref 約為恒定的 ，根據以上公式我們取 R1=3KEYΩ 、 R2=5KEYΩ， 忽略 Iref，限流電阻取 300Ω 。則在 VKEYa 端得到一個恒定的約為 4V左右的恒定電壓作為 Vccw。 需要注意的是， 在選擇電阻時必須保證 TL431 工作的必要條件， 即 通過陰極的電流要大于1mA。我們選取限流電阻 300Ω，滿足要求。 實際得到的 Vccw=。 （ 2）加入反相電 路 反相電路模塊核心器件為 HCC4011B反相器，引腳圖如圖 所示： 圖 HCC4011B引腳圖 [4] 第 15頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 HCC4011B 反相器由 4 個與非門組成，要完成反相功能，即將同一個輸入信號接到與非門的兩個輸入端，輸出信號即為反相。實驗中，我們將單片機輸出信號接入 4011B 的 12， 13 兩引腳， 11腳作為反相輸出。同時， 4011B的 Vss 腳接前面得到的穩定的 Vccw=。 有源低通濾波模塊 原理圖 圖 有源低通濾波器原理圖 [1] 有源濾波器設計 有源濾波器的工作原理就是根據在信號處理中所接 觸的到知識，利用泰勒展開成直流量和無窮項正弦函數的形式，再通過低通濾波器頻率極低的正弦波分量可以忽略就可以得到直流分量。同時也可以根據周期函數的拉氏變換得到。通過跟谷曉晨老師的探討，前者較為易于理解。 有源低通濾波器種類很多，其中有源 RC 濾波器電路的使用較多，圖 給出了我們所采用的低通濾波電路，它是由 Sallen R KEYey E 1955 年提出的，圖中三角符號表示電壓放大器，可用運算放大器實現，電壓放大倍數為： KEY=1+R2/R1 使用此濾波器的目的是將脈沖信號的直流電壓分量取出來， 而盡量濾掉其他頻率分量。對于低頻的輸入信號， C C2 可以看作開路，此時信號直接輸入集成運算放大器的正向輸入端，而直接從輸出端輸出。對于高頻的輸入信號（信號頻率遠大于濾波器截止頻率）， C C2 可以看作短路此時高頻信號直接從 C1 流入接地線，而不在輸出端出現。 對于頻率接近截止頻率的輸入信號，由 C2 引入的正反饋可以決定對信號的增益。 截止頻率 f=1/2π RC，為得到較好的濾波效果，我們選取 C1=C2=1μ， R1=R2=18KEYΩ ,此時f=，觀察結果，得到很好的支流分量，其他頻率分量基本都被濾掉。 使用二階低通濾波器會得到更好的濾波效果，但我們所使用的 LPF 已經達到了很好的效果，便只采用此方法。 關于濾波器設計的更多內容見附錄 E。 信號變換和隔離 模塊 第 16頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 模塊分析 這部分電路的主要器件是光電耦合元件 4N25，電路的作用是：用濾波器濾出的直流信號控制下級 DCDC 電源子系統，達到開環控制的目的。 原理圖如圖 所示： 圖 信號變換和隔離模塊原理圖 [1] （ 1）低通濾波器輸出的直流信號 Vctl 通過限流電阻加載到光耦的發光二極管兩端控制發光二極管的發光強弱。 （ 2）發光二極管的發光強弱控制光電三極管 的基極輸入電 流大小從而控制 C、 E 兩端（見圖 引腳圖）的等效電阻的大小。 （ 3）等效變阻器并聯在后級系統 R12 的兩端，從而可以改變后級系統輸出電壓信號分壓比，達到改變輸出電壓的作用。 第 17頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 核心器件 4N25 分析 圖 4N25 內部結構及引腳圖 [5] 圖 三極管輸出特性 [5] 圖 為 4N25 管腳及內部結構圖，通過控制發光二極管發光的強弱，來控制光電三極管基極電流的大小，從而控制集電極電流大小，此時三極管的 C、 E 兩端可以看成一個可變電阻。圖 為三極管輸出特性曲線。 第 18頁 上海交通大學 電子信息與電氣 工程學院 5. 電壓測量 子系統的硬件設計 主要功能 電壓測量子系統實現電路閉環功能。系統通過對 DCDC 電源的輸出采樣，并對采集到的電壓進行 A/D 轉換，并將轉換后的 8 位編碼輸出到單片機子系統，從而使其可以依據反饋信息對輸出電壓進行調整。 系統設計指標 輸入直流電壓： 177。，由單片機按鍵控制電壓大小，從 DCDC 開關電源子系統的負載電阻 RL 端輸出單片機數碼管所顯示的電壓值，誤差≦ 。當調節 DCDC 開關電源電路板上的R14 后，輸出電壓會自動調節到原來電壓，