一种适合教学的开关电源设计及调试

一种适合教学的开关电源设计及调试

一种适合教学的开关电源设计及调试

刘

（厦门大学嘉庚学院

萍

福建漳州３６３１０５）

摘要：开关稳压电源与线性稳压电源相比，具有效率禹，体积小等优点，并且在日常生活中应用广泛。但大多数的开

关电源设计都只给出整体设计图，并没有详细解说具体的调试过程，这样不利于学生彻底理解和掌握。基于此，采用分模块

的调试方法，先测试ＴＩ，４９４性能，明确备管脚的输入／输出特性；再弄Ｉｊ用信号发生器模拟ＴＬ４９４的输出，进而测试升压变换

器的工作特性；接着将两部分联调；最后在上述电路基础上，加入ＭＯＳＦＥＴ驱动电路，改善系统性能。学生运用此调试方法，不仅能深刻理解此类型开关电源的工作原理，而且测得的性能指标都较高。因此，该设计是实用可行的。

关键词：开关电源；ＴＩ。４９４；整体设计图；调试中图分类号：ＴＰ３０３＋．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００９）１６—２０８一０３

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｅｂｕｇｏｆＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙｆｏｒＴｅａｃｈｉｎｇ

ＬＩＵＰｉｎｇ

（ＴａｎＫａｈ

ＫｅｅＣｏｌｌｅｇｅ ＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ，３６３１０５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ

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ｓｕｐｐｌｙ；ＴＩ。４９４；ｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｄｉａｇｒａｍ；ｄｅｂｕｇ

０引言

多的篇幅介绍。此系统的核心模块是方框图中的闭合（负反馈）模块。如果直接采用Ｂｏｏｓｔ型ＤＣ—ＤＣ升压器，实现起来简单，但输出／输入电压比太大，占空比也大，而将使输出电压范围变小，难以达到较高的指标，且为开环控制。对此采用Ｍａｘｉｍ公司生产的专用开关芯片ＴＬ４９４芯片，它采用开关脉宽调制（ＰＷＭ），效率高，外围电路也较简单，可以方便实现闭环控制。

１．１

线性稳压电路具有结构简单，调整方便，输出电压脉动小的优点，但缺点是效率低，一般只有２０％～４０％，并且比较笨重。开关型稳压电路能克服线性稳压电源的缺点，具有效率高，一般能达到６５％～９０％，并且体积小，重量轻，对电网电压要求不高¨ｊ，因而在实际生活中得到广泛应用。也正因为其应用的广泛性，相应专业的学生就更应该深刻和熟练地掌握它，在此以设计脉冲宽度调制型开关电路（ＰＷＭ）为基础，详细解说该系统的调试过程。１系统设计原理

ＰＷＭ型的开关电源整体框图如图１所示。变压、整流、滤波模块处理起来比较简单，只要采用相应的变压器、单相全波整流、电容式滤波即可实现，这里不用更

收稿日期：２００９—０２—２３

ＴＬ４９４工作原理

ＴＬ４９４内部结构如图２所示心］，它是一种固定频率可自行设置，并应用脉空调制的控制电路，其中，振荡频率ｆｏ。＝１．１／（ＲＴＧ）。具体来讲。由于误差放大器输入口１，２（或３，４）的值不等，产生偏差，偏差送入ＰＷＭ比较器与锯齿波（锯齿波的频率由振荡频率确定，幅值是定值）比较，在偏差大于锯齿波范围内时，９口（或１０口）输出低电平，在偏差小于锯齿波范围内时，９口（或１０口）输出高电平。若偏差值越大，ＴＬ４９４输出高电平的区间越小。由此可见，通过调整误差放大器输入

口的偏差可改变占空比。

２０８

万方数据

一种适合教学的开关电源设计及调试

图１

ＰＷＭ型开关电源整体框图

图２

ＴＬ４９４内部结构图

１．２升压变换器的工作原理

如图３所示，通过控制开关管Ｑ，的导通比，可控制升压变换器的输出电压。它的工作原理［３１是：设开关

管Ｑ。由信号Ｋ控制，当耽为高电平时，Ｑ，导通 反

之，Ｑ，关断。当Ｑ，导通时，电感两端电压Ｖ。＝Ｖｉ，电感储能增加，同时负载由电容供电。当Ｑ。断开时，因电感Ｌ上的电流不能突变，故电感电流ｉｔ向电容和负载供电，电感上储存的能量传递到电容、负载侧。此时，ｉｃ减

小，Ｌ上的感应电动势Ｕ＜０，所以Ｕ＞Ｖ；。由此，当

Ｑ。导通的时间越长（即占空比越大），电感上储存的能量越多，Ｕ也越大。

２系统总体设计

基于前面的分析，设计的系统嘲接线图如图３

所示。

图３ＰＷＭ升压式开关电源的设计

误差放大器的反相端２口输入给定值（可用单片机实现，限于篇幅，不做介绍），用来控制输出电压；同相端１口输入／输出电压的反馈电压，形成闭环控制。

当输出电压高于期望值时，反馈输入１口的电压升高，误差放大器的输出增加，占空比减小；当输出电压减小时，基本可以做到与期望值相等，从而维持输出电压

万方数据

的稳定。若想增大输出，可升高２口的电压。控制过程如下：原系统稳定，当升高２１：３电压，１口电压瞬时不变，误差放大器输出减小，占空比变大，电压升高。若想减小输出，可降低２口的电压。

３系统调试

在确定上述总体设计后，采用分模块的调试方法进行电路调试。

３．１

ＴＬ４９４性能测试

按图４接线，测试２口的输入电压（误差放大器反相端２口采用基准电压输入），改变１口的输入电压，观察９，３口的输出波形。由实验可以得到：ＴＬ４９４的基

准电压是３．５Ｖ；输出波形为ＰＷＭ波；误差放大器工

作在非线性区，只有当输入（１，２）口的偏差在零到几十个毫伏之间时，ＰＷＭ才是可调的；改变１Ｅｌ的电压，可改变ＰＷＭ的占空比。

图４

ＴＬ４９４性能测试接线图

３．２升压变换器的工作性能测试

按图５接线，给１口加入使开关管达到饱和的方波信号：

（１）改变方波信号的占空比和方波信号的频率；（２）给输出端加上负载。

由实验可以得到，改变占空比，可以改变输出电压的大小；加上负载，电压降低，但通过调节占空比，可使电压升高；方波信号的频率越大，改变占空比，调节输出电压的范围越小。

图５升压变换器工作性能测试接线图

２０９

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３．３’联调

在上述两步都能得到准确信息之后，将两模块进行联调，见图４。若无误，即可实现输出端稳定的电压输出，且可通过改变２口的给定值实现在一定范围内（升压）改变输出电压。具体范围与所选择电感、电容和系统工作的频率有关，限于篇幅，这里不做介绍。

３．４加入ＭＯＳＦＥＴ（ＩＲＦ６４０）驱动

理、负反馈的工作原理等，而且查找电路错误也比较方便。对于该电路的性能指标测试，由于元器件的参数不

’１訇，指标略有不同，但基本上各参数的指标都较高，如

ＤＣ—ＤＣ变换器的效率可达８５％以上。

参考文献

完成上述电路后，接下来要考虑系统的性能指标，除上述电容、电感、工作频率的参数外，性能指标的优越还与ＭＯＳＦＥＴ有关。为此，在ＴＬ４９４的９口和ＩＲＦ９５４０开关管之间加入驱动电路ＩＲ２１１１，如图６

所示［４］。

［１］倪海东，玉萍．开关电源专用电路设计与应用［Ｍ］．北京：中

国电力出版社，２００８．

［２３２１ＩＣ中国电子网．ＴＬ４９４［ＥＢ／ｏｕ］．ｈｔｔｐ；／／ｗｗｗ．２ｌｉｅ—

ｓｅａｒｃｈ．ｃｏｍ／ｓｏ．ａｓｐ．

［３］刘志刚．电力电子学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．［４］２ＩＣ中国电子网．ＩＲ２１１１［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．２１ｉｃ—

ｓｅａｒｃｈ．ｃｏｒｎ／ｓｏ．ａｓｐ．

［５］赵同贺．开关电源设计技术与应用实例［Ｍ］．北京：入民邮

电出版社，２００７．

［６］黄燕．开关电源故障检修方法［Ｍ］．北京：国防工业出版

社，２００４．

［７］［美］ＳｔｅｖｅｎＭＳａｎｄｉｅｒ．开关电源仿真一Ｐｓｐｉｃｅ和Ｓｐｉｃｅ３应

用［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００７．

图６

ＭＯＳＦＥＴ驱动电路

［８］周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源实用技术［Ｍ］．北京：人

民邮电出版社，２００７．

［９］ＳａｎｊａｙａＭａｎｉｋｔａｌａ．电源设计与优化［Ｍ］．北京：电子工业出

版社，２００６．

４结语

按上述步骤进行系统设计，不仅电路简单，可以比较深刻地掌握ＴＬ４９４的工作原理、开关电源的工作原

作者简介

刘

［１０］高吉祥．全国大学生电子设计竞赛培训教程、模拟电子线

路设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．

萍女，１９８１年出生，江西丰城人，硕士研究生，助教。研究方向为控制理论与控制过程。

２１０

万方数据

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一种适合教学的开关电源设计及调试

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

刘萍， LIU Ping

厦门大学嘉庚学院,福建,漳州,363105现代电子技术

MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE2009，32(16)0次

参考文献(10条)

1.倪海东.玉萍 开关电源专用电路设计与应用 20082.21IC中国电子网 TL4943.刘志刚 电力电子学 20044.21IC中国电子网 IR2111

5.赵同贺 开关电源设计技术与应用实例 20076.黄燕 开关电源故障检修方法 2004

7.Steven M Sandler 开关电源仿真-Pspice和Spice3应用 20078.周志敏.周纪海.纪爱华 开关电源实用技术 20079.Sanjaya Maniktala 电源设计与优化 2006

10.高吉祥 全国大学生电子设计竞赛培训教程、模拟电子线路设计 2007

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