主页  技术文章  TL494

四月 10 2020

基于TL494的Boost型DC-DC电源设计

相关产品推荐
产品图片产品型号制造商调制方式控制模式最高额定频率
TL494TL494德州仪器(TI)定频调宽电压模式300000Hz

  在电子电力技术日新月异的今天,对器件的供电电源要求越来越苛刻。在各种类型电源中开关电源以其稳定性、高效性和功率密度高等优点而得到越来越多的应用。各种开关技术又以PWM技术为主,通过改变脉冲占空比调节输出电压,达到输出稳定。本系统利用单片机MSP430F449,以电压型PWM控制器TL494为核心,设计了一种Boost型稳压输出开关电源。

  TL494是一种性能优良的电压型PWM控制器。电压型PWM控制器的原理是将电源输出电压Uo与基准值比较,得到误差电压Ue,该误差电压送人调节器,由调节器输出控制电压U,控制电压与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较,改变PWM的输出占空比,进而控制开关管的通断改变输出电压。

  1.系统整体方案

  系统由主回路、反馈回路、保护电路、人机交互等部分组成。主回路包括隔离变压器降压部分、整流桥路整流部分以及DC-DC Boost升压部分。反馈回路则包括电压电流采样部分、小信号放大部分、A/D转换部分、控制电压输出部分。保护电路包括电压电流检测及保护等电路。人机交互则包含键盘、显示器控制部分。系统的整体框图如图1。

系统总体框图

  图1 系统总体框图

  2.主体电路设计

  2.1 DC_DC主回路拓扑

  本系统采用Boost电路进行DC—DC变换。利用调节开关管的占空比来控制输出电压。开关管关断与开通交替进行,电感L将交替的存储和释放能量,电感L储能后使电压上升。而电容C则将输出电压保持平衡,输出输入电压关系为:Uo=Uin(ton+toff)/toff。只需要通过改变开关管通断占空比即可得到所需输出电压。其原理图如图2。

Boost升压原理图

  图2 Boost升压原理图

  2.2 TL494电路设计

  TL494内置5V基准电压参考源,5脚6脚外接电容与电阻,可产生对应锯齿波后送比较器比较进而产生一定周期的振荡信号,振荡器频率为fosc=1/RTCT。4脚为死区时间控制端,13脚为输出方式控制端。芯片内部包含两个相同的误差放大器,输出端经二极管隔离后送至比较器同相端,与反向端锯齿波电压相比较,并决定输出电压的宽度。调宽过程由3脚的电压控制,也可经误差放大器进行控制。两个放大器可独立使用,用于反馈电压和过流保护。

  本应用电路中TL494的3脚和13号脚接地,2脚和3脚之间接51kn的电阻,1脚作输入端。5脚6脚分别接1000pF的电容和2.7kQ的电阻,产生50kHz的振荡频率,过流保护措施采用15脚接电阻分压16脚接入动作电压值即可。其实现电路如图3。

TL494应用电路

  图3 TL494应用电路

  2.3 开关管驱动电路

  开关管驱动选用IR公司MOSFET专用驱动芯片IR2110。如图4所示,输入信号为TL494输出的PWM信号,其输出信号则可直接驱动开关管。

IR2110驱动电路

  图4 IR2110驱动电路

  2.4 电压电流采样及小信号放大

  由于电流很小时经过A/V转换后的电压值很小,此时需要经过放大后才能精确采集。此处选用PGA程控放大的方式,使采集信号放大0~1000倍,保证小电流和大电流均可通过程序控制采得。

  2.5 D/A转换器与A/D转换器的选取

  D/A转换器的选取直接关系到系统的输出精度和闭环调节的稳定度,此处选用Maxim公司的串口16位高精度D/AMAX5441作为D/A转换器对TL494输出控制电压。而采用MSP430F449有12位A/D转换器,可满足本系统的数据采集精度要求并且可以降低成本、简化电路。

  3.器件选择及参数计算

  3.1 Boost升压电路器件选择

  开关场效应管及肖特基二极管的选择:功率MOSFET的栅极驱动需要考虑保护、隔离等问题。IRF540是电压控制型器件,静态时几乎不需要输入电流,但由于栅极输入电容Cin的存在,在开通和关断过程中仍需要一定的驱动电流来给输入电容充放电。栅极电压UG的上升时间tr采用放电阻止型缓冲电路来确定。其缓冲电路的电容Cs和电阻Rs的选择原则是MOSFET在关断信号到来之前,将缓冲电容所积累的电荷放净。如果缓冲电路电阻过小,会使电流波动,MOSFET开通时的漏极电流初始值将会增大。

  输出滤波元件决定了电源的稳定性,是DC-DC变换器设计中最关键部分。重点是要选择两个元件,一个是输出电感L,另一个是输出电容C。影响电源稳定性的最关键参数是输出电容的ESR,一般越小越好。电容的数据手册一般都会给出电容的最大ESR,而最小ESR通常为最大ESR的40%~60%。可以通过多个电容并联的方法来降低ESR提高电路的瞬态响应。此外,在选择电容的时候,电容的温漂也要适当考虑。

  滤波电容:滤波电容∆Uo取20mV。则CB取值为2200μF。为减小输出的电压纹波,可在输出电压端并联多个低等效电阻的电解电容。

  电感:由公式:电感电感取值为280μH。

  占空比:输出电压变化范围30~36V,由公式:Uo/Uin=1/(1一D)可计算出占空比变化范围为0.109~0.4697。

  3.2 效率的分析及计算

  在U2=18V,输出电压Uo=36V,输出电流Io=2A的测试条件下。由系统的额定功率Po=72W,为使效率达到90%以上则要求输入功率为80W,允许损耗的功率为8W。

  电路的功率损耗主要有开关损耗、电感储能损耗、整流二极管损耗、数字电路损耗。

  (1)开关管的损耗包括开关损耗与导通损耗。开关管的损耗直接与开关频率有关系,其功率损耗的计算公式为:

功率损耗公式

  取Ton=T/2,f=50kHz。则开关管的损耗约为1.5W。

  (2)肖特基二极管的损耗。当二极管导通时流过二极管的电流等于电感电流,约为Io=Iin=3.86A。为降低损耗可以采用双管并联的方式,每只二极管的电流约为1.8A,对应其UD=0.42V。二极管导通损耗PD=IoUDD=1.4W。

  (3)储能电感损耗。储能电感损耗公式如下:

电感损耗公式

  其大致功率为1.1W。

  (4)数字电路的损耗包括D/A、单片机、LCD、TL494和IR2110以及采样电路等元器件的工作损耗。计算其损耗大致为1W。经计算可得到系统功率损耗约为5W,其效率甚至可达93.6%。

  4.软件设计

  系统初始化完毕后输出30V直流电压,然后等待键盘中断。若检测到有输入值则单片机通过控制D/A的输出调节输出电压,然后显示出此时系统电压电流。若没有中断则显示当前电压电流。若检测输出过压或过流,则跳人保护程序。程序流程图如图5。

软件流程图

  图5 软件流程图

  5.测试结果

  设计的开关电源系统测试结果如下:

  (1)输出电压可调范围测试(负载RL=45Ω)

  经测试发现本电路输出范围可达到30~36V,步进0.5V。设定值与实际输出值对应表如表1。

设定值与实际输出值对应表

  (2)负载调整率(U2≈18V,Uo≈36V)见表2。

负载调整率

  负载调整率Sl≈(36.04-35.55)/36=0.25%。

  (3)电压调整率(Uo=36V,Io=2A)见表3。

电压调整率

  则电压调整率计算得Su≈(36.09-36.05)/36=0.11%。

  结语

  本文总结了基于TL494的Boost型DC-DC电源设计方案,该系统电路结构简单,直流输出电压可调范围为30-36V,效率高达90,其中过流保护与过压保护的设计直接结合TL494的特点利用硬件电路实现,具有较高的安全性与可靠性,单片机完成的功能少,使系统具有较快的响应速度。

相关文章

  • 基于TL494的电动车电机控制器设计
    面对内燃机车的废气污染和能源枯竭,电动汽车现在逐步走进了人们的生活。世界各大汽车生产厂家,都在大力研发电动汽车控制技术,并在最近的车展上纷纷推出了电动汽车。电机控制器是电动车控制系...
  • TL494的工作原理
    TL494于1980年代初由德州仪器公司设计并推出,推出后立刻得到市场的广泛接受,尤其是在PC机的ATX半桥电源上。直至今日,仍有相当比例的PC机电源基于TL494芯片。多年来,作...
  • 基于TL494的H桥直流电机控制系统设计
    由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性 能,已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着 电力电子技术的发展,脉宽调制(PWM)调速技术已成为直流电机常用的调速方法,具有调速精度高...
  • 基于TL494的音频开关功率放大器设计
    随着高速功率MOSFET生产技术的迅速发展,MOSFET的工作频率越来越高,驱动方式越来越安全,而且价格也越来越低。因此,近年来市场上大量出现了应用于各种家用电器和工业用报警器的开...
  • 利用TL494构成的单回路控制器
    TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路,主要应用在各种开关电源中。本文介绍介绍了以电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494为核心元件并加上简单滤波电路...
  • 基于TL494的双管正激小功率电源设计
    正激变换由于拓扑简单,升/ 降压范围宽,广泛应用于中小功率电源变换场合。正激变换器的输出功率不象反激变换器那样受变压器储能的限制,因此输出功率较反激变换器大,但是正激变换器的开关管...

0 条评论

留言

您的邮箱地址不会被公布

 
 
   
评分: