开关型DC-DC变换

+ + + -
1 2
或
输出控制
OC
E

OC=0 OC=1
3 4
+ -


要点 ABCD信号为高电平时控制开关断开
提示：PWM控制器内置逻辑电路对输出信号进行多种功能的控制。
思考：TL494误差放大器同相和反相输入端分别接什么信号（Usam和Uref）？
输出配置
• 当13脚为低电平时，配置为“单端”输出
则：D 0.5 求R1R2
R1 R2
？ ？
U j _ max 3V 已知：
则：Ue 3 0.5 1.5V 设：AV 100 由 Ue Uref AV (Usam Uref )
得 U sam 2.005 V
Gnd 2V 峰值3V 1.5V 0 0.5 1
2V U ref
开关必须快速地动作
思考：如果一个开关周期内，储能>放能，会怎样？
4 开关DC/DC变换的工作波形
ON
U L U in U O UO
+
-
OFF U L
Ton U O U in Ton Toff U in D
U in
U PWM
On Off
UL
Uin-Uo
IL
Io
UO
要点
设：R 8k 1 则：R2 2k 虚短
U out U ref
R1 R2 R2
R1、R2
远大于
R_load
在稳压控制回路的控制下，输出电压只与参考电压和采样电阻有关（输入电压可变）
9 PWM控制器TL494应用
• PWM控制器的基本元素
– – – – – 误差放大器（2个） 基准电压源（5V） PWM比较器 锯齿波振荡器（CT、RT）。 开关管驱动电路
思考：推导上面升压公式？
6 开关DC/DC变换的稳压控制
• 输出电压不稳的原因 – 输入电压不稳 – 负载变化 – 干扰信号 – 元件参数漂移
U out U in 1 D<1 1 D 升压
要点
输出电压与开关导通时间占空比密切相关 自动调节D（例如当Uo变高，则调低D）
提示：控制开关导通时间占空比（Duty）是开关电源电路的主要工作之一。
(c)中各电压和占空比的变化过程，并画出误差放大和 PWM比较 电路结构示意图。
(a)
(b)
(c)
提示：搞清楚误差放大器和PWM比较器的输入信号端的极性。
8 举例说明稳压电路参数计算
稳压控制回路有哪些参数，及其与输入输出电压的关系
U out
1 U in 1 D
若：U in 5V UO 10V
提示：只有在开关的瞬间才有感应电流产生。
思考：铁环换成塑料环是否一样？
2 电感的伏安特性
• 电感线圈
磁生电
电生磁
B 0 NI
加入磁芯可提高磁感应强度
Effective Area B NI B Ae NIAe LI 提示：电压与电流的变化率成线性关系。
E t
开关电源
第2章 开关型DC-DC变换原理
内容提要
• 电磁感应定律 – 电磁感应现象 – 电感的伏安特性 – 2个重要公式 • 电感的电压变换作用 • 降压式DC/DC变换 • 升压式DC/DC变换 • 开关稳压控制原理 • 脉宽调制（PWM）控制器TL494简介
1 电磁感应
• 电磁感应现象
要点
开关闭合时，G指针动了一下。。。 开关断开时，G指针反方向动了一下
提示：电压比较器原理。 思考：Uj的频率与开关频率什么关系？Uj一定要用锯齿波吗？
电压比较器（PWM比较器）
U o (U U ) G
G很大
U U ,U0 电源电压上限（高电平 ） U U ,U0 电源电压下限（低电平 ）
提示：电压比较器为开环放大器，输出只有高低电平两种结果之一。
PWM
无死区时间控制 “单端”输出 两管并联输出
主 0.14V
稳压控制 5V D
Io
输出过流保护
C
f osc
1.1 23.4kHz RT CT
习题：若输出电压改为9V，过流保护改为1.5A，其它条件不变，请修改电路。
本章小结
• 电磁感应现象
– 电生磁、磁生电 – 电感的伏安特性
L I
E t
E
L I t
•
降压变换器（Buck）
– 电路结构、工作原理（输出电压与输入电压的关系式、推导） – 主要工作波形（开关控制信号、电感电压、电感电流）
•
升压变换器（Boost）
– 电路结构、原理、工作波形等（同上） – 稳压控制系统的电路结构、工作原理
•
关键技术名词
– 磁通量、电感、感生电动势、脉宽调制（PWM）、开关频率、占空比、电压比较器 、误差放大器、锯齿波、参考电压、死区、滞回比较器、触发器、单端\双端输出
L I
E t
E
L I t
思考：试画出电感线圈的VA曲线？
• 例题：若流过电感线圈（L=1mH）的电流波形IL如下图所 示，请计算各个时间段电感两端的电压UL，并画出电压波 形。
I(mA) 1000
0 1 U(V) 1 0
2
3
4
5 6
7
8
t(ms)
要点 t(ms)
内部结构
f osc 1 .1 RT CT
5V
误差放大器 参考电压 PWM比较器 锯齿波振荡器 输出驱动电路
Uref
Usam
16脚（DIP16、SOP16封装）
多种控制信号共同控制开关断开
ON
Ue Udt OFF Ue PWM比较器 Uj Udt 死区时间 Uj 4.9V 欠压保护 Vcc 欠压保护 3.5V 5V
•
重要知识点
– 开关DC/DC变换器的工作原理（输出电压与输入电压关系公式的推导） – 开关DC/DC变换器的稳压控制原理（误差放大、PWM比较器的输出波形关系） – 熟悉PWM控制器TL494结构和原理、配置方法 、构成Buck变换器电路原理
-Uo
IO
1 ( I max I min ) 2
开关电源 电路的典 型波形： 方波、三 角波。
提示：牢记2种约束关系。
思考：IL等同于IO吗？为什么IL一定是线性的？
来自百度文库
5 DC/DC降压与升压电路结构
UO Uin D
D<1，降压
U out
1 U in 1 D
D<1，升压
提示：主要元件：储能电感、开关、二极管、输出电容。
E
L I t
-1
提示：牢记电感的VA特性。
电流都是正的，而电 压可正可负；电流线 性变化时电压为定值
思考：为什么电流方向不变，电压方向可变？
L I E 3 电感电压在开关电路中的变化 t t
• 降压式（Buck）DC/DC变换器
U L U in U O U L UO
Ue Uref AV (Usam Uref )
例：Uo升高时，Ue减小,Ue减小，占空比减小，Uo下降
提示：完成3个环节的元件。思考：试分析Uin降低时，Uo、Usam、Ue、D的变化过程。
7 PWM信号的产生
• PWM信号的产生
U PWM
1 U e U j 0 U e U j
0 0 1 0 0 0 0
要点 D触发器不起作用 ，Q1、Q2输出相同的波形 ，可并联输出
• 当13脚为高电平时，配置为“双端”（推挽）
1 1 1 1 0 1 0
要点 Q1、Q2轮流导通，输出2个互为“推挽”的PWM信号
Uin
switch 上拉 基于 TL494的降压变换器例子 OFF L
Uo
ON
• 开关信号的产生与控制（3个环节）
检测输 出电压 是否有 波动 调节占空比，反方 向调节输出电压， 达到动态稳定
分析电压 波动方向
提示：3个环节：检测、分析、调节。
• 实施方案
U sample
检测
采样电压与输 出电压成正比
Gnd
分析 误差放大提高 对输出电压波 动响应灵敏度 调节 PWM比较器输出方波
误差放大器
U O U i
其中
Rf Ri
Rf Ri
(U i U i )
AV
分析方法：由于输入电阻很大 1、流入输入端电流极小，相当于断开，“虚断” KCL 2、两输入端电压降极小，相当于短路，“虚短” KVL
提示：误差放大器为负反馈放大器。
• 例：如图所示各电压波形中，（a)为正常输出，试说明（b)和
ON OFF
(Uin UO ) TON U O TOFF
能量相等
U O U in
要点
(Uin UO ) TON UO TOFF
伏秒平衡
提示：磁通、电压、平衡、开关。
Ton U in D Ton Toff
D<1 降压