TL494开关电源设计--BUCK电路解析

设计案例分析降压型(BUCK型)开关稳压电源设计一．技术指标1.电源容量输入：15~24Vac（或18~28.8Vdc）。输出：电源电压+12V(不可调)，纹波小于150mVP-P，最大输出电流2.0A(限流型保护)。2.工作频率开关电源的工作频率为30~40kHz。3.控制电路采用脉冲宽度调制控制集成电路TL494。二．课题的意义1.具有实用性：几乎所有的电子设备都涉及电源设计，容量较大时多采用开关电源。2.掌握一种共性技术：脉冲宽度调制技术－PWM是一项共性技术，应用面广，各种电源设计、恒温控制、电机调速等。3.学习集成电路应用方法：TL494、SG3525A是常用的、典型的固定频率的PWM控制电路，有一定代表性。4.易于建立工程设计概念：课题涉及多个典型的工程要素，如：功率器件的最大电流、耐压、开关速度，磁性材料的选择、功率电感的设计与绕制等。5.较典型的设计验证方法和负载实验。三、BUCK型DC－DC变换器（CCM工作模式）1.导通状态2.截止状态3.输入输出关系D称为占空比11tLUUtLUIOILON22tLUtLUIOLOFFOFFONIIIODUUOFFONONttttttD211四、TL494的内部结构与功能1.结构四、TL494的内部结构与功能2.TL494的时序当锯齿波电平＜死区时间控制电平时，死区时间比较器输出高电平。当锯齿波电平＜反馈/PWM输入电平时，PWM比较器输出高电平。死区时间控制电压和反馈/PWM输入电压，二者中较高的电平控制触发器时钟宽度。CT反馈/PWM比较器输入死区时间控制触发器时钟QQQ1射极Q2射极输出控制图二：TL494时序图2.TL494的时序(续)当输出控制电压=H时，Q和时钟信号均为0时，Q1基极高电平导通，/Q和时钟信号均为0时，Q2基极高电平导通，两管轮流导通，称为推挽工作方式。当输出控制电压=L时，时钟信号为0时，Q1和Q2基极获高电平导通，两管同时导通，称为单端工作方式。CT反馈/PWM比较器输入死区时间控制触发器时钟QQQ1射极Q2射极输出控制图二：TL494时序图3.功能描述含有控制开关式电源所需的主要功能块。线性锯齿波振荡器(3V)，频率Fosc=1.1/(RT*CT)输出开关管导通时间由“死区时间控制”和“反馈/PWM比较器输入”两个信号中电平较高的一个控制，控制信号电平与电容器CT上的锯齿波进行比较，实现脉冲宽度的调整。控制信号电平线性增加时，Q1和Q2的导通时间线性减少。“输出控制”=5V为推挽输出，最小死区2%，最大占空比48%；“输出控制”=0为单端输出，最小死区4%。五、TL494的工作条件1.工作条件条件符号最小典型最大单位电源电压VCC7.01540V集电极电压VC1,VC2--3040V集电极输出电流(每个三极管)IC1,IC2----200mA误差放大器输入共模电压Vin-0.3--VCC－2V反馈/PWM比较器输入端电流Ifb----0.3mA基准输出电流Iref----10mA计时电阻RT1.830500kΩ计时电容CT0.00470.0110μF振荡器频率Fosc1.040200kHz六、原理图稳压原理－－输出电压负反馈。若某因致输出电压过高，则误差放大器1同向端电位升高，反馈/PWM端电位上升，Q1管导通时间减少，占空比减少，输出电压减少。负反馈使输出电压保持稳定，R17和R16中点电压为5V。R12/R10为误差放大器1的静态放大倍数，影响控制精度。C3和R6、C4、C5和R13补偿网络，提高静、动态性能。L1270uH/2.0AR110KR21KT2TIP127R163K6R175K1C9104C7220u/25VD4FR307C3104R63KR121MR410KC610u/16VR52KR113KR103KR90.1R8120R73KR310KC2332IN1+1IN1-2PWM3DEAD4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12CONT13+5V14IN2-15IN2+16IC2494C13300u/35V3A/400+12图三：由TL494组成降压型开关稳压电源(100V/5A/Darl-L)C8100u/25VIN5399*4C5103R13570C4682闭环输出电压调整系数记输出电压反馈系数为：）（171616RRRFTL494误差放大器1的差模电压放大倍数为：1012RRk则TL494反馈/PWM比较器输入端电压为REFinPWMkVFDVkV)1(若TL494锯齿波电压的幅度为smV，则有smREFinsmPWMsmPWMsmVkVFDVkVVVVVD)1(insmREFsmFVkVkVVD)1(，FVVFVkVkVVDVVREFininsmREFsminO)1(TtONVsmVPWM六、原理图过载保护－－过载时，降低输出电压使负载电流保持在保护值。不论开关管T2是否导通，流过负载的电流都经过R9(由上向下)，R9的下端电位为负，当负载电流达一定值时，误差放大器2的反相端电位为负，误差放大器2的输出（即反馈/PWM端）为正，Q1管不导通，输出电压降低。L1270uH/2.0AR110KR21KT2TIP127R163K6R175K1C9104C7220u/25VD4FR307C3104R63KR121MR410KC610u/16VR52KR113KR103KR90.1R8120R73KR310KC2332IN1+1IN1-2PWM3DEAD4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12CONT13+5V14IN2-15IN2+16IC2494C13300u/35V3A/400+12图三：由TL494组成降压型开关稳压电源(100V/5A/Darl-L)C8100u/25VIN5399*4C5103R13570C4682六、原理图软启动－－上电时输出电压由低到高建立，需要一定时间。上电时，C6充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，Q1管的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高。L1270uH/2.0AR110KR21KT2TIP127R163K6R175K1C9104C7220u/25VD4FR307C3104R63KR121MR410KC610u/16VR52KR113KR103KR90.1R8120R73KR310KC2332IN1+1IN1-2PWM3DEAD4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12CONT13+5V14IN2-15IN2+16IC2494C13300u/35V3A/400+12图三：由TL494组成降压型开关稳压电源(100V/5A/Darl-L)C8100u/25VIN5399*4C5103R13570C4682七、参数选择1.整流管：桥式整流，整流管工作电流=0.5负载电流，大反向电压=输入交流电压峰值，IN5399(1.5A/1kV)可以满足要求。2.滤波电容：RLC=(3~5)T。整流滤波后电压VIN=18~28.8V，P=UoIo~(V2IN/RL)*η,η=0.9，RL~12Ω，T=10mS，3300uF/35V电解电容可满足要求。最常用电解电容：1.0、2.2、3.3、4.7、6.8及相应十百千uF，耐压有6、16、25、35、50、63、100、120、250、400V。3.工作频率：音频上限~20kHz，Fosc~33kHz，TOSC=30uS，tON=TOSCVO/(VIN-Vsta)=13.0~21.4uS（Vsta~1.2V）。七、参数选择4.开关管：开关速度1uS，耐压2(VIN)max，电流2(IO)maxTIP127（100V/5A，Darl-L，hFE1000，tr和td1uS）满足要求，需带散热器。ICVECPTtONtOFFtVIN+VFVSTAIECO图四：开关管开关速度与功耗分析七、参数选择5.输出电压：VO=5V*(1+R17/R16)~12.1V6.保护电流：Imax=(Vref/R7)*R8/R9~2.0A7.电感量：L~270μH（ΔI~0.4A，VIN~28.8V）。max0%)20~%10(8~OINIIITVLIILVVtIOCOINON020082)1(LTVLDTDVIININVIN-VSTA-VFIOIOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max电流连续状态CCMVIN-VSTA-VFIOC2IOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max临界连续状态VIN-VSTA-VFIOIOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max电流断续状态DCMVO图五：电流连续、临界连续、断续状态2ΔI七、参数选择8.输出电容：CO=C7=220uF一个工作周期共向输出电容充电荷ΔQ~0.5*(ΔI)*(0.5T)纹波0.5ΔVP-P=ΔQ/CO，CO=(3~5)(ΔI)T/(2ΔVP-P)产生纹波的两个因素：1.输出电容容量有限；2.开关过程产生的过冲，这部分较难滤除。VIN-VSTA-VFIOIOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max电流连续状态CCMVIN-VSTA-VFIOC2IOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max临界连续状态VIN-VSTA-VFIOIOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max电流断续状态DCMVO图五：电流连续、临界连续、断续状态2ΔI七、参数选择9.续流二极管：FR307•快恢复二极管•反向偏压＝(VIN)max-VSTA•峰值电流＝(IO)max＋ΔIFR307~3A/1kV满足要求。10.软启时间：~100mS。VIN-VSTA-VFIOIOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max电流连续状态CCMVIN-VSTA-VFIOC2IOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max临界连续状态VIN-VSTA-VFIOIOCt续流管阴极电位VK、电感电流IL、负载电流IO(tON)min(tOFF)max电流断续状态DCMVO图五：电流连续、临界连续、断续状态2ΔI八、电感计算方法NIldHlNIlBlBeea00，)(0eeallNIBeNBALI0220)(LNllANINBALeeaee其中aeeeaelAllAL000)(mmeNBLiA，jkNIACW，其中mi最大工作电流，mB最大工作磁通密度，Ck绕组填充系数，j导线电流密度，I电感电流有效值。1、选磁芯jkBILiAAACmmWep；2、求匝数emmABLiN；3、求气隙长LANlea20磁芯中的磁路长度空气中的磁路长度八、电感计算方法1、铁氧体磁芯或磁罐（高频磁性材料、居里温度~230Ｃ）。国产MnZn铁氧体（低、中频）磁性材料，磁导率:2000~7000，饱和磁通密度Bm:400~530mT2、选磁芯449466185.0)(1085.1)(105.35.04.024.210270cmmmjkBILiACmmp，EE25.4磁芯，43173.0cmAp，230.40mmAe，273.78mmAW。3、求匝数40103.404.04.21027066emmABLiN，导线截面积257.05.32mmjIS漆包线线径：考虑趋肤效应和机械强度，趋肤效应：高频电流只分布在导体表面，30kHz时，穿透深度~0.2mm，电流密度按3.5A/mm2计算，漆包线直径：0