一种适合教学的开关电源设计

引 言

　　线性稳压电路具有结构简单，调整方便，输出电压脉动小的优点，但缺点是效率低，一般只有20％～40％，并且比较笨重。开关型稳压电路能克服线性稳压电源的缺点，具有效率高，一般能达到65％～90％，并且体积小，重量轻，对电网电压要求不高，因而在实际生活中得到广泛应用。也正因为其应用的广泛性，相应专业的学生就更应该深刻和熟练地掌握它，在此以设计脉冲宽度调制型开关电路(PWM)为基础，详细解说该系统的调试过程。

　　1 系统设计原理

　　PWM型的开关电源整体框图如图1所示。变压、整流、滤波模块处理起来比较简单，只要采用相应的变压器、单相全波整流、电容式滤波即可实现，这里不用更多的篇幅介绍。此系统的核心模块是方框图中的闭合(负反馈)模块。如果直接采用Boost型DC-DC升压器，实现起来简单，但输出／输入电压比太大，占空比也大，而将使输出电压范围变小，难以达到较高的指标，且为开环控制。对此采用Maxim公司生产的专用开关芯片TL494芯片，它采用开关脉宽调制(PWM)，效率高，外围电路也较简单，可以方便实现闭环控制。

 

　　1．1 TL494工作原理

　　TL494内部结构如图2所示，它是一种固定频率可自行设置，并应用脉空调制的控制电路，其中，振荡频率fosc=1．1／(RTCT)。具体来讲，由于误差放大器输入口1，2(或3，4)的值不等，产生偏差，偏差送入PWM比较器与锯齿波(锯齿波的频率由振荡频率确定，幅值是定值)比较，在偏差大于锯齿波范围内时，9口(或10口)输出低电平，在偏差小于锯齿波范围内时，9口(或10口)输出高电平。若偏差值越大，TL494输出高电平的区间越小。由此可见，通过调整误差放大器输入口的偏差可改变占空比。

 

　　1．2 升压变换器的工作原理

　　如图3所示，通过控制开关管Q1的导通比，可控制升压变换器的输出电压。它的工作原理是：设开关管Q1由信号VG控制，当VG为高电平时，Q1导通，反之，Q1关断。当Q1导通时，电感两端电压VL=Vi，电感储能增加，同时负载由电容供电。当Q1断开时，因电感L上的电流不能突变，故电感电流iL向电容和负载供电，电感上储存的能量传递到电容、负载侧。此时，iL减小，L上的感应电动势VL<0，所以Vo>Vi。由此，当Q1导通的时间越长(即占空比越大)，电感上储存的能量越多，Vo也越大。

 

　　2 系统总体设计

　　基于前面的分析，设计的系统接线图如图3所示。

　　误差放大器的反相端2口输入给定值(可用单片机实现，限于篇幅，不做介绍)，用来控制输出电压；同相端1口输入／输出电压的反馈电压，形成闭环控制。当输出电压高于期望值时，反馈输入1口的电压升高，误差放大器的输出增加，占空比减小；当输出电压减小时，基本可以做到与期望值相等，从而维持输出电压的稳定。若想增大输出，可升高2口的电压。控制过程如下：原系统稳定，当升高2口电压，1口电压瞬时不变，误差放大器输出减小，占空比变大，电压升高。若想减小输出，可降低2口的电压。

　　3 系统调试

　　在确定上述总体设计后，采用分模块的调试方法进行电路调试。

　　3．1 TL494性能测试

　　按图4接线，测试2口的输入电压(误差放大器反相端2口采用基准电压输入)，改变1口的输入电压，观察9，3口的输出波形。由实验可以得到：TL494的基准电压是3．5 V；输出波形为PWM波；误差放大器工作在非线性区，只有当输入(1，2)口的偏差在零到几十个毫伏之间时，PWM才是可调的；改变1口的电压，可改变PWM的占空比。

 

　　3．2 升压变换器的工作性能测试

　　按图5接线，给1口加入使开关管达到饱和的方波信号：

　　(1)改变方波信号的占空比和方波信号的频率；

　　(2)给输出端加上负载。

　　由实验可以得到，改变占空比，可以改变输出电压的大小;加上负载，电压降低，但通过调节占空比，可使电压升高；方波信号的频率越大，改变占空比，调节输出电压的范围越小。

 

　　3．3 联调

　　在上述两步都能得到准确信息之后，将两模块进行联调，见图4。若无误，即可实现输出端稳定的电压输出，且可通过改变2口的给定值实现在一定范围内(升压)改变输出电压。具体范围与所选择电感、电容和系统工作的频率有关，限于篇幅，这里不做介绍。

　　3．4 加入MOSFET(IRF640)驱动

　　完成上述电路后，接下来要考虑系统的性能指标，除上述电容、电感、工作频率的参数外，性能指标的优越还与MOSFET有关。为此，在TL494的9口和IRF9540开关管之间加入驱动电路IR2111，如图6所示。

 

　　4 结 语

　　按上述步骤进行系统设计，不仅电路简单，可以比较深刻地掌握TL494的工作原理、开关电源的工作原理、负反馈的工作原理等，而且查找电路错误也比较方便。对于该电路的性能指标测试，由于元器件的参数不同，指标略有不同，但基本上各参数的指标都较高，如DC-DC变换器的效率可达85％以上。