开关电源论文报告1

湖北理工学院电气与电子信息工程学院
课程设计报告
设计：电力电子装置设计与制作
专业名称：电气工程及其自动化
班级：
学号：
姓名：
指导教师：胡国珍南光群
设计时间：2012/11/19～2012/11/30
设计地点：K2-电力电子实验室
完成时间：2012年11月29日
电力电子装置设计与制作课程设计成绩评定表
姓名学号
专业班级
课程设计题目：
课程设计答辩记录：
如果电路中电感值偏小会有什么情况？
答：如果电感值偏小电感电流就会偏小电感会容易发热，从而使电路不能正常工作出现异样，所以一般电路中电感值选取零界电感值的4-5倍。

电路中的电感能否被起到滤波电感来做用？
答：电路中的电感不能起到滤波电感的作用，因为电路中的电感是起储蓄能量的作用的，而并非是用来滤波的电感。

成绩评定及依据：
1.课程设计考勤情况（20%）：
2.课程设计答辩情况（30%）：
3.完成设计任务报告规范性（50%，其中直流系统部分占60%，交流部分占40%）：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）：
指导教师签字：
2012 年 11月30日
《电力电子装置设计与制作》课程设计任务书
2012～2013学年第一学期
学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化本专升本
指导教师：胡国珍南光群工作部门：电气与电子信息工程学院
一、课程设计题目：电力电子装置设计与制作
二、课程设计内容
根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。

如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。

设计题目选：
题目一：开关直流降压电源（BUCK）设计
主要技术指标：
1）输入交流电压220V（可省略此环节）。

2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压5-16V，输出电压纹波小于2%。

4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

题目二：开关直流升压电源(BOOST)设计
主要技术指标：
1）输入交流电压220V（可省略此环节）。

2）输入直流电压在8-18V之间。

3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。

4）输出电流1A。

5）采用脉宽调制PWM电路控制。

三、进度安排
序号名称时间
1 下发设计任务书，布置设计任务和设计要求、设计时间安排。

一天
2 掌握锯齿波产生电路、电压反馈电路、控制电路的工作原理一天
3 掌握稳压电源电路工作原理半天
4 绘出原理框图以及各部分电路的详细连接图一天
5 学会借用电子线路CAD正确绘制电路图；一天
6 掌握焊接技术以及MOSFET、二极管、三极管等器件的检
半天测方法
7 掌握电路的安装与调试一天
8 根据直流稳压电源电路的工作原理设计电路图一天
9 了解电子电路板的制作过程半天
10 学习电路原理图及印制电路板图的读图方法半天
11 掌握稳压开关电源的检测与调试一天
12 书写课程设计报告一天
四、基本要求
1、独立设计原理图各部分电路的设计；
2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。

3、写出课程设计报告。

内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。

4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。

○1封面、课程设计任务书
○2摘要，关键词（中英文）
○3方案选择，方案论证
○4系统功能及原理。

（系统组成框图、电路原理图）
○5各模块的功能，原理，器件选择
○6实验结果以及分析
○7设计小结
○8附录---参考文献
摘要：BOOST升压电路是电力电子装置中一种十分常见的拓扑电路，因其结构简单、易于控制、效率高等优点而被广泛的应用于各个电源装置或者电力电子等场合。

本系统设计主要研究BOOST升压电路以及闭环调节系统恒压的设计。

通过TL494芯片，构建硬件PID算法，对直流进行斩波，从而达到恒压的效果。

关键字：BOOST升压电路，TL494，硬件PID，闭环调节
Abstract: BOOST circuit is a very common circuit topology of the power electronic devices, because of its simple structure, easy to control, and high efficiency has been widely used in various power supply unit or power electronics occasions. The system is designed mainly research BOOST boost circuit as well as the design of the system constant pressure closed loop regulation. TL494 chip build hardware PID algorithm, and the chopping of the DC, thereby to achieve the effect of constant pressure.
Keywords: BOOST circuit, TL494, hardware PID closed-loop regulation
1 系统方案设计
1.1系统方框图
本系统需要对一直流电源进行直流斩波，通过控制开关管的导通时间，来控制最终输出的电压。

整个系统包括BOOST主电路、闭环调节模块、电压反馈模块。

系统方框图如图1-1所示：
Boost升压电路
闭环调节
直流电源电压反馈
图1-1 系统方框图
1.2boost升压电路模型
Boost升压电路结构简单，直流电源、电感、电容、开关管、二极管以及负载既可以构成一个Boost升压电路。

其基本原理结构如图1-2所示：
图1-2 Boost升压电路结构图
BOOST升压电路的工作原理如下：
t on工作期间：二极管反偏截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。

t off工作期间：二极管Ｄ导通，电感L经二极管Ｄ给电容充电，并向负载RL 提供能量。

如图1-3表示：
图1-3 Boost升压电路工作原理及波形
2.电路参数的计算及元器件选型
2.1 系统要求
本系统主要设计一个升压闭环调节电路，输入电压12V，输出电压18V，最大电流1.5A，输出电压纹波为1%。

2.2 TL494工作原理
2.2.1 tl494的说明
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。

TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。

其主要特性如下：
TL494主要特征
集成了全部的脉宽调制电路。

片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。

内置误差放大器。

内止5V参考基准电压源。

可调整死区时间。

内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。

推或拉两种输出方式。

TL494引脚图如图2-1所示：
图2-1 TL494引脚分布图
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振
荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1和Q2受控于或非门。

当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

参见图2-2。

图2-2 TL494控制器时序波形图
控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。

当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。

两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽
度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

当比较器CT 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。

若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。

如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。

输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。

在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。

这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。

TL494内置一个5.0V 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA 的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV 温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。

2.2.2 开关频率的计算
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
系统采用RC 振荡器参数值分别为R=10K ，C=4700PF ，通过上式计算得，f=19.3K 。

2.2.3TL494的闭环调节
如图2-3所示，TL494的IN2通道与feedback 引脚构成一个闭环的PID 调节。

图2-3TL494闭环调节
2.3 电感值的计算
由Boost 的伏秒平衡，可得：
)1(*)(*D V V D V in o in --=………………………………………………………………①
⇒D
V V in
o -=
1 ⇒o
in
V V D -
=1 又根据能量守恒，可得：
T I V T I V o o m id in ****= (mid I 为CCM Boost 电感的电流中心值) ………………②
⇒D
I
V I V I o in o o mid -==
1*
当输出最小负载min o I ，即mid I I 2=∆，也就是Boost 处于临界状态，可得：
2
1min I
D I I o mid ∆=-=
………………………………………………………………………………③ ⇒
D
I L T D V o in -=12**min
⇒min
2**)1(*o in I T
D D V L -=
⇒f
I D
D V L o o *2*)1(*min 2-=
由上式，可知：L 的大小决定于D D *)1(2
-的大小。

令D D x *)1(2
-= （10<<D ）
对x 进行求导分析，则：
1432'+-=D D x
)1)(13('--=D D x
当0'
≥x 时，所在区间,x 处于递增~
⇒3
1≤
D ⇒27
4
max =
x ，当仅仅当31=D 。

由上可知： 当3
1
max <
D ，则： ⇒f
I D D V L o o *2*)1(*min max
2max -=
当
),(3
1
max min D D ∈，则： ⇒f
I V L o o *272min =
当3
1
min >
D ，则： ⇒f
I D D V L o o *2*)1(*min min
2min -=
………………………………………………………………④
代入数据可得，L=46mh选用灰色环形电感，绕14圈，测得电感值为380mh。

2.4 二极管选型
根据系统最大电流1.5A，可选取最大允许通过电流2A的二极管，本系统主要选择FR207。

3系统总设计原理图
系统设计原理图如图3-1所示：
图3-1 系统总设计原理图
4设计结果与分析
4.1 测试工具
双路稳压电源CALTEK CA17305D
泰克示波器TDS1012B
数字万用表DT9205
4.2 比较基准波形图
TL494的5、6号脚与外围电阻电容构成一个RC振荡器，为系统提供了比较基准源，其波形如图4-1所示：
图4-1 比较基准波形图
4.3 TL494输出波形
TL494的9、10号脚的输出波形为驱动MOS开关管波形，如图4-2所示：
图4-2 MOS驱动波形
4.4输出纹波波形
由于Boost电路中的开关管的开断以及电感电容的充放电，导致系统输出有较大的纹波，根据设置的电容值大小，最后输出的纹波波形，测试时示波器采用交流挡测试，所测试的波形如图4-3所示：
图4-3 输出纹波波形
4.5 电感输出波形
当开关管开通和关断过程中，电感处的输出波形与输入波形有很大的区别，输入波形为系统电源输入波形，为直流波形。

其波形如图4-4所示：
图4-5 电感输出波形
5实验小结
次课程设计过程中遇到了许多困难，开始在设计的过程中，TL494的4号脚没有接地，主要是参考TI公司的芯片外围电路。

但是当我们将芯片买回来时，并不是买的TI公司定的，就有问题，着实费了不少功夫。

后来将4号脚接地了，
电路才恢复正常。

此次课程设计从开始的参数设计，理论分析与计算，硬件设计，手工焊接到最后的硬件调试。

学到了不少东西。

在这之前，我还参加了元器件的购买，熟悉了采购方面的知识，懂得了市场采购模式以及财务报表与税务方面的知识。

锻炼了与人交际能力和口才能力。

这个课程设计对于我来说收获颇丰。

6参考文献
[1] Pekik A．Dahono，Slamet Riyadi，Ahmad Mudawari，Yanuarsyah Haroen．Output Ripple Analysis of Multiphase DC-DC Converter．in Proc．1EEEPowerElectronicsandDriveSystemsConf．，Hongkong，China，July
1999，PP．626-631．
[2]王兆安.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社.2011
[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京.高等教育出版社.2010
[4]TL494datesheet
[5]邓北川，浅谈模拟PID电路学习与识别，西安航空技术高等专科学校学报，2007。