基于TL494开关电源的电路设计

　　开关电源主回路将输入的15VAC电压整流滤波所得的直流电压通过升压斩波电路，变换为25～30VDC输出。主控制器为PIC16F877A单片机。整个系统由整流滤波电路、DC-DC变换器、控制电路、按键显示等模块组成。主控制器和TL494以闭环形式控制DC-DC变换电路，实现输出电压稳定可调。该电源还具有过流保护、自恢复、软启动和短路报警功能。

　　1系统设计

　　1.1DC-DC变换器电路拓扑结构

　　将降压后的交流电压进行升压变换，这里选择了升压斩波电路，其电路原理图如图1所示。此拓扑结构电路结构简单，仅由开关管、二极管、电感、电解电容等元件组成，只要控制合适的占空比，就能够以较高的效率进行升压，而且此电路稳压性能优、转换效率高。因此，选择升压轨波电路作为DC-DC变换的主拓扑结构。

　　

　　1.2系统实现方案及结构框图

　　系统设计框图如图2所示。设计中以升压斩波电路为主回路，该电路实现将整流滤波后的输入电压变为25V～30V的输出电压。整个系统以单片机PIC16F73和PWM调制芯片TL494构成控制系统。TL494产生的脉冲信号控制DC-DC变换器，同时还通过外围电路实现稳压、过流保护、自恢复、软启动和短路报警等功能。单片机与电压反馈模块配合，通过控制数字电位器MCP41010的输出值，实现输出电压值的设定和步进的调整，单片机还通过A/D模块，实现输出电压、电流值的数显。在DC-DC变换电路中，采用了导通电阻非常小的MOSFET作为开关管，快恢复二极管作为续流管，通过以上方法有效的提高了电路的效率。

　　

　　2理论分析与计算

　　2.1PWM脉宽调制电路

　　PWM控制电路主要由集成PWM控制芯片TL494、单片机PIC16F877A和电压电流反馈电路组成。电路原理图如图3所示。单片机通过控制数字电位器MCP41010的输出值，数字电位器作为D/A转换器，实现电压的步进调整，TL494根据电压反馈的输入值调整输出脉冲的宽度，最终实现电压的稳定输出。除此之外，TL494的外围电路还可实现各种保护功能。

　　主干路上输出的电压经过图4所示电路后再经过TTL494内部的误差放大器1构成反馈回路。其在A点的电压值为

　　

　　若因某种原因导致输出电压过高，则电压反馈端输入的值增大，使得误差放大器1同相端电位升高，反馈/PWM端电位上升，TTL494内部三极管Q2导通时间减少，输出信号占空比减小，结果使输出电压减少，最终使输出电压保持稳定。

　　

　　图3PWM脉定调制电路原理图

　　2.2过流保护与阈值参数计算

　　本设计路具有双重的过流保护功能，当输出电流大于1.5A小于2A时，流过采样电阻R的电流从右至左，如图3所红色箭头所示。R的右端电位为0则左端为为负，当电流I大于1.5A时，TTL494内部的误差放大器2的反相端电位为负，正向端与反向端通过比较后，误差放大器2的输出（即反馈/PWM端）为正，Q2管不导通，则开关管关断，输出电压降低。当输出电流大于2A时，单片机根据采样进来的电流信号，通过软件设计，将主干路上的继电器J1置为常闭状态，使主干路断开，起到保护作用。

　　过流保护电路原理图如图3所示，取样电阻值R=0.05欧，其两端的电压为IR，误差放大2的输入端电压U1为：

　　

　　取R8=10K，R9=91欧，Rw1=60欧，带入计算得I=1.5A。当电流大于1.5A时，R两端电压值增大，U1《0，则电路起到保护作用，所以阈值电流为1.5A。

　　2.3软启动

　　软启动的设计分为两部分：主干路上设有一个单刀继电器J1、一个双刀继电器J2和一个电阻R1，上电后通过按键使单片机输出信号，J1、J2工作常开状态，电路通过R1对稳压电容C3和滤波电容C5充电，充电时间T1设为1S，输出电压可从0V升到18V;1S后使J2工作在常闭状态，R1被短路同时TL494得到工作电压开始工作。TL494的第5脚接电容C15，TL494上电后C15充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，Q2管的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高至30V，充电时间为T2=10K×4.7uF=47ms。

　

　　图4电压取样电路原理图

　　2.4升压斩波电路

　　2.4.1工作原理

　　升压轨波电路原理图如图1所示。当控制器输出脉冲高电平时，开关管VT导通，电感L储存能量，在ton时间内电感电流增量为ΔLon=Ui/L*ton。当控制器输出低电平时，开关管VT截止，电感L向电容C充电并向负载提供能量，在toff时间内电感减少的电流量为ΔLoff=（UO-Ui）toff/L，当电路工作于稳定状态时，有ΔLoff=ΔIon，可得UO=Ui/（1-a）（a=ton/T为占空比），因为a《=1，所以输出电压高于输入电压，电路实现升压，设计中只要调节占空比的大小就可以改变输出电压的大小。

　　2.4.2电感参数计算

　　电感电流包括直流平均值及纹波分量两部分，忽略电路的内部损耗;在临界状态下，电感储存的能量刚好等于释放的能量，有Ii=Io*Vo/Vi=Io*T/toff，其中Ii是流入电感的平均电流。稳态下电感的电流变化量应为0，故在ton期间与在toff期间，电流的变化量应相等，为ΔI=Viton/L，选择ΔI=Viton/L=1.4Ii，故电感为L=Viton/1.4Ii，将ton=（Vo-Vi）/fVo及Ii=VoIo/Vi代入上式并化简得L=Vi*Vi（Vo-Vi）/（1.4fVo*Vo*Io），取VO=25V，V=15V，f=45KHz，Io=1.5A，计算得53.6uH

　　2.5功率器件选择

　　2.5.1开关管的选择

　　该开关管选用N沟道功率场效应管IRF3205。IRF3205的UDS=55V，RDS=8.0m欧，I0=110A。MOSFET上承受的最大电压为Um，考虑输出电压10%的波动，电感的反峰尖刺为稳态值的20%，且留有余量，MOSFET承受的最大电压为20V，流经的最大电流为6A，而且由于其电阻值很小，故其功耗也很小。根据上分析，IRF3205完全可以满足设计要求。

　　2.5.2续流二极管的选择

　　续流二极管应采用快恢复二极管，其具有开关特性好、耐压高、正向电流大等优点。本设计采用的BY299是超快恢复二极管，其耐压值为800V，正向电流为3.0A，最大恢复时间为100ns，满足设计要求。

　　2.5.3稳压电容量的选择

　　电容的选取利用公式C=（Ipk）max（ton）/V·（V·为纹波值，Ipk为峰值电流，设计中要求纹波值（150Vp-p）计算得最小为450uF，电路实际选取的过程电容值应足够大，留有足够的余量才可稳住负载端的电压以及减小纹波，设计中采用2200uF/50V。

　　2.6按键显示电路

　　按键显示电路采用最小系统板上的3×4矩阵式按键和8个数码管。单片机PIC16F877A共有33个I/O口，RDORD7作为按键矩阵电路和数码管显示电路的共用I/O口，通过分时复用的方式进行工作。数码管的显示由ULN2803来驱动，RB1RB5、RE0RE2为ULN2803的片选信号。

　　3软件设计

　　3.1软件实现功能

　　通过编程软件实现以下功能：输出电压可按0.1V的步进值调整;显示输出电压和输出电流;可以控制主电路的开通与关断。

　　3.2软件流程图

　图5主程序流程图

　　软件流程图如图5所示。K2键控制主电路的开通与关断，K4键和K0键分别为步进的加键和减键。数码管0～3分时显示输出电压和输出电流，指示灯0亮表示当前显示的是输出电压值，指示灯1亮表示当前显示的是输出电流值，指示灯5亮表示当前主电路处于关断状态，数码管5～7显示设定的输出电压值。

　　4系统测试

　　4.1输出电压步进值

　　测试方法：在额定输入电压和空载的条件下，测量电路输出端的电压值，并对设定值与实测值进行比较，结果完全符合。

　　4.2电压调整率

　　测试方法：在满载的条件下，输出设定在25.0V，分别测量变压器的一次侧输入电压为180V、220V和240V时的输出电压，并计算其调整率。测试数据：输入180ACV，输出U01=25.0V;输入：220ACV，输出U02=25.0V;输出：240ACV，输出U03=25.0V。电压调整率：SU=（U0-U02）/U0=0%（U0为U01、U03中的较大者）

　　4.3负载调整率

　　测试方法：在额定输入电压的条件下，分别测量空载、半载和满载时的输出电压，并计算调整率。测试数据：空载输出电压U空=25.0V;半载输出电压U半=25.0V;满载输出电压U满=25.0V;

　　

　　4.4纹波值测量

　　测试方法：在额定输入电压时，测量满载情况下的纹波。经测量，纹波的峰峰值为224mV。

　　4.5效率测量

　　测试方法：在额定输入电压和满载的条件下，测量输入电压、电流和输出电压、电流，并计算整个系统的效率。测量所得数据如表1所示。

　　表1效率测试

　

　　5结果分析

　　经测试，本设计可以输出25～30V的直流电压，最大输出电流可达1.5A，电压调整率和负载调整率均为0%纹波《250mV，效率高于80%，具有步进调整、过流保护功能及短路保护等功能。本设计有较强的工程参考价值。