采用单片机的数字可调高效开关稳压电源设计 - 图文

郑州大学本科毕业论文设计（论文）

郑州大学

2014级毕业设计（论文）

采用单片机的数字可调高效开关稳压电源设

1.计

年 级:11级 学 号:110423059 姓 名:张彬 专 业:城市轨道交通控制 指导老师:陈志红

二零一四年六月

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目 录

第1章 绪论 ................... 错误！未定义书签。

1.1 引言 ............................... 错误！未定义书签。 1.2 高效开关稳压电源技术简介 ............ 错误！未定义书签。

1.2.1．开关电源的效率

1.2.2影响开关电源效率的因素及其提高方法 1.2.3开关管及其驱动电路的功耗 1.2.4变压器的效率 1.2.5系统线路的损耗

第2 章高效开关稳压电源的整体设计

2.1频率的选择 2.2 开关管的选择 2.3 开关管的驱动电路 2.4电感线圈的绕制 2.5.电路测试

第3章 高效开关稳压电源概述 ... 错误！未定义书签。

3.1 高效开关稳压电源的定义 ............. 错误！未定义书签。 3.2 3.2 TL494的各脚功能及参数

3.3 高效开关稳压电源的工作原理 ......... 错误！未定义书签。

第 4 章 高效开稳压电源的应用

4.1采用TL494的汽车音响开关电源电路及原理

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4.2采用开关电源技术的电动自行车充电器

第5章 总结 ................... 错误！未定义书签。 参考文献 ....................... 错误！未定义书签。 致 谢 ........................ 错误！未定义书签。

? 摘要

为研究模拟PWM与数字电路相结合后的优点,本文设计实现了一个由51单片机控制的输出可调的高效开关稳压电源。通过理论分析设计了基于BOOST升压电路的DC-DC变换器、PWM控制芯片及其外围电路、单片机最小系统以及键盘/显示电路。通过仿真和实际电路调试使该电源实现稳压、限流、输出设定和输出值的显示功能。结果证明模拟PWM与数字电路相结合后,可以在不牺牲模拟控制所具备的精度和无限分辨率的情况下,提供数字控制所具有的特性。其中，；.0…

第1章 绪论

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1.1引言

开关电源因其具有效率高、体积小、控制灵活、输出功率大和升降压方便等特点，备受人们的青睐，尤其在各种便携装置（如笔记本计算 机、蜂窝电话、手机、ＰＤＡ等）中得到广泛应用。主要有ＡＣ／ＤＣ（交流－ 直流）和ＤＣ／ＤＣ（直流－直流）两大类，其中，ＤＣ／ＤＣ变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压；ＡＣ／ＤＣ变换是将交流变换为直流。半导体技术的不断进步，使信号处理及信息处理电路不断地往高密度和高集成的方向发展，对该电路的电源供电也提出了高功率、高密度的要求。目前使用的电源几乎都是开关电源，其发展趋势提高开关电源的开关频率和降低功耗（即提高电源的效率）。

电子电路中，常用ＰＷＭ／ＰＦＣ控制器３８４２／４３／４４／４５、 开关电源控制器集成电路ＴＨＸ２０１／２／３系列、脉宽调制控制芯片ＴＬ４９４和ＵＣ３８４Ｘ等ＤＣ／ＤＣ芯片构建开关电源，本文以ＴＬ４９４为例阐明应用过程中提高开关稳压电源效率的方法。

1.2 开关电源技术简介

1.2.1．开关电源的效率

开关电源效率的计算方法开关电源的输入功率： ＰＩＮ＝ＵＩＮＩＩＮ（１）及输出功率： Ｐｏ＝ＵｏＩｏ （２） 则开关电源的效率计算公式为： η＝Ｐｏ／ＰＩＮ （３）其中，ＵＩＮ和ＩＩＮ为开关电源电路输入端的直流电压和直流电流；Ｕｏ和Ｉｏ为开关电源电路输出端的电压和电流。

1.2.2影响开关电源效率的因素及其提高方法 开关电源电路中，通常利用开关管在导通时两端电压为零，关断 时电流为零的特征，实现在电感上储存能量并输出功率的目的。 因此，影响开关电源效率的主要因素有：开关管及其驱动电路的功耗、变压器的损耗、系统线路的损耗及ＤＣ／ＤＣ芯片的损耗。

1.2.3开关管及其驱动电路的功耗 理论上，开关管在其两端电压为零时，处于导通状态，损耗为零［１］。实际上，管子在导通时存在着导通电阻，流过开关管的电流使得该导通电阻会消耗掉部分功率。因此，所选择的开关管的导通电阻越小，其损耗程度就越小。 开关管截止时，电压为零，不影响电路的损耗。 提高电路的工作频率，管子的工作频率可以提高到ＭＨｚ级，由于开关管上的极间电容的存在，其工作效率会显著下降。通常应选择适当的频率使开关管工作在最佳状态（发热最小）。 1.2.4变压器的效率 开关电源电路中，常需要利用电感线圈进行电压的转换，其性能直接影响到变压器的效率。电感线圈的性能指标主要由电感量的大小和绕制电感线圈的导线电阻、磁芯的材料来衡量［２］。通常，导线电阻是很小的，可忽略不计。但当电路中流过的电流很大时，该电阻就不能忽略了，应尽量采用大线径的线圈来提高电流。 磁芯的选择由开关管到通时，不饱和为宜。

1.2.5系统线路的损耗 电路中的走线也是影响开关电源效率的因素之一，因为线路在流过电流的同时会损失部分电流，造成电路效率的降低。

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第2章 高效开关稳压电源整体设计

TL494 是一种固定频率脉宽调制电路, 其内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力, 有推、 拉两种输出方式。

其电路如图 所示可提供脉宽调制：

图1（a） 图1(b)

由图可知, 本电路中, 影响效率的因素有频率的选择、 场效应管的管耗、 自 绕电感上的损耗和驱动电路的损耗。

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2.1频率的选择

TL44 振荡频率通过其外部的一个电阻和一个电容进行调节, 其振荡频率 fosc 为:fosc=1.1/R1C3 ( 4)

选择恰当的 R1、 C3, 提供 TL494 以合适的振荡频率 (一般在 25-30kHz 之间)。本电路取 R1 为 47 kΩ, C3 选取 0.001μ F、性能稳定的CCB电容。

2.2 开关管的选择

考虑开关管的损耗对电源效率的影响, 应选择内阻小、 电流大的

管子, 至少保证开关电流 20A以上, 耐压值达 70V以上。本电路选择

的是低功耗的 IRFP150N( 44A、 100V、 0.03Ω) , 工作时发热较小, 能保 证系统的工作效率。 经实验得到, 即使在工作频率达 40kHz的情况下,

连续工作两小时, 管子的温度变化也很小。 2.3 开关管的驱动电路

本电路由 TL494 控制开关管的开断, 中间使用了一个二极管 D2。 当 MOS管开时, 二极管导通, 电压直接加在 MOS管栅极上;MOS管关 断时, 电压直接通过三极管 Q1( PNP 型)流入电阻 R2 和 TL494 的 9 脚 10 脚放电, 较传统的采用 PNP、 NPN各一只的对管形式对开关管进行 驱动, 电路简单, 功耗小。 2.4电感线圈的绕制

电感 I 上所存储的能量为 1/2 LI2, 其中 L为自绕线圈的电感量, I 为电感上电流线形上升后的最大值。

开关管基极输入开关脉冲信号, 当该信号为正极性, 开关管导通,电感 I 中电流上升, 输入的直流电压加在 I 上, 电能变成磁能储存其中; 开关脉冲为负极性信号时, 开关管截止, 由于 I 中的电流不能跃变, 其两端出现感应电压, 流入输出端, I 中的储能输出到负载。 由于电感 I 中流过直流电流, 它必须设置在最大负载电流下不至于饱和, 经反复试验, 该电感应取 μ H 数量级。在空芯线圈中插入磁芯, 还可增加电感量和提高线圈的品质因素。

2.5.电路测试

电路输入 12- 20V 范围的直流电压, 接入的滑线变阻器( 75Ω,7A)作为负载, 利用 MF47 型指针式万用表、 优百特 56 型数字万用表进行输入输出电压、 电流及负载电阻值的测量。调节滑线变阻器, 将两只指针式万用表串在输入、 输出电路, 分别

测量负载 RL 变化时的输入、 输出电压、 电流测量值及效率计算值。测得的数据见表2-5。

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表2-5

表 1 负载 RL 变化时的输入、输出电压、电流测量值及效率计算值

在 U2=18V, Uo=36V, Io=2A, 示波器扫描速度 20ms/div的情况下,测量得到输出噪声纹波电压峰值 Uopp=0.2V; 电路输出最大电流 Iomax=2.5A, 具有良好的带载能力; 噪声纹波电压峰—峰值为 0.3V, 系统有良好得滤波能力。

第3章 高效开关稳压电源概述

3.1开关稳压电源的定义

用高频电子开关产生高频变化的电流并对该电流进行变换后整流输出。一般来说，频率越高（相对于工频），电子器件的体积就可以制造得越小（例如互感器），开关电源中对高频进行电压变换的器件体积很小，能节约材料（主要是铁磁材料及铜），目前是小功率电源的主流。这种技术普及之前，主要使用的是工频变压器降压后整流稳压输出的电源，由于频率低，变压器体积大，笨重，耗费材料多，不经济。

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电源电压的变换，要有一种基础的技术，使得变换简单，成本低，体积重量小、容易控制输出电压、变换方式等，由此，产生了一种电源变换技术，叫做开关电源技术，最早开始应用也就是上世纪90年代初，这种技术的核心就是先将电压能量统一变成直流，然后切成间隔脉冲，通过脉冲的占空比实现控制能量输出多少，来调节输出电压的目的，由于这种方法去掉了变压器，所以体积减小重量减轻，控制简单。当然，带来的问题是纹波较大（与模拟电源比较）。

3.2 TL494的各脚功能及参数如下：

第1、16脚为误差放大器A1、A2的同相输入端。最高输入电压不超过VCC+0.3V。 第2、15脚为误差放大器A1、A2的反相输入端。可接入误差检出的基准电压。 第3脚为误差放大器A1、A2的输出端。集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入端，当A1、A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与第2、15脚间接入RC频率校正电路和直接负反馈电路，一则稳定误差放大器的增益，二则防止其高频自激。另外，第3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。

第4脚为死区时间控制端。当外加1V以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲。 第5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端， 第6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端，一般用于驱动双极性三极管时需限制振荡频率小于40kHz。第7脚为接地端。

第8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当第8、11脚接Vcc，第9、10脚接入发射极负载电阻到地时，两路为正极***腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。当第8、11脚接地时，两路为同相位驱动脉冲输出。第8、11脚和9、10脚可直接并联，双端输出时最大驱动电流为2×200mA，并联运用时最大驱动电流为400mA。

第14脚为内部基准电压精密稳压电路端。输出5V±0.25V的基准电压，最大负载电流为10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。 TL494的极限参数：

最高瞬间工作电压（12脚）42V， 最大输出电流250mA，

最高误差输入电压Vcc+0.3V，测试/环境温度≤45℃，

最大允许功耗1W，

最高结温150℃，使用温度范围0～70℃，保存温度-65～+150℃。

TL494的标准应用参数：Vcc（第12脚）为7～40V，Vcc1（第8脚）、Vcc2（第11脚）为40V，IC1、Ic2为200mA，RT取值范围1.8～500kΩ，CT取值范围4700pF～10μF，最高振荡频率（fOSC）≤300kHz。

TL494原理及应请参考(TL494开关集成电路原理及应用介绍)

图2

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3.3高效开关稳压电源的工作原理

5V基准源

TL494内置了基于带隙原理的基准源，基准源的稳定输出电压为5V，条件是VCC电压在7V以上，误差在100mV之内。基准源的输出引脚是第14脚 REF.

锯齿波振荡器

TL494内置了线性锯齿波振荡器，产生0.3~3V的锯齿波。振荡频率可通过外部的一个电阻Rt和一个电容Ct进行调节，其振荡频率为：f=1/RtCt，其中Rt的单位为欧姆，Ct的单位为法拉。锯齿波可以在Ct引脚测量到。

运算放大器

TL494集成了两个单电源供电的运算放大器。运算放大器传递函数为ft(ni,inv)=A(ni-inv)，但不能越出输出摆幅。一般电源电路中，运放接成闭环运行。少数特殊情况下使用开环，由外界输入信号。 两个运放的输出端分别接一个二极管，和COMP引脚以及后级电路（比较器）相连接。这保证了两个运放中较高的输出进入后级电路。

比较器

运算放大器输出的信号（COMP引脚）在芯片内部进入比较器正输入端，和进入负输入端的锯齿波比较。当锯齿波高于COMP引脚的信号时，比较器输出0，反之则输出1.

脉冲触发器

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脉冲触发器在锯齿波的下降沿且比较器输出1时导通，令两个中的一个输出端（依次轮流）片内三极管导通，并在比较器输出降到0时截止。

静区时间比较器

静区（直译死区）时间由Dead Time Control引脚4设置，它通过一个比较器对脉冲触发器实行干扰，限制最大占空比。可设置的每端占空比上限最高为45%，在工

作频率高于150KHz时占空比上限是42%左右。（当DTC引脚电平被设为0时）时图

图3.3（a）

调压器的核心是脉冲宽度调制(PWM)集成电路TLA94，TL494是常见的PWM集成电路。

TL494在工作时，其频率由外接在5、6脚上的锯齿波振荡器的定时电容和电阻决定，输出脉冲宽度由加在1和16脚误差放大器的同相输入端电平的高低决定。反向输入端2和15脚通过R20和R5接在基准电压输出端14脚。

调压器的稳压控制：输出电压从储能电感L的输出端，通过R23、R7接到TL494误差放大器1的同相输入端1脚上，当输出电压升高时，同相输入端1脚上的电平升高，则可使集成电路内部的两个内部驱动三极管输出的脉冲宽度变窄。从而降低输出电压。反之，则可升高电压。

过流保护控制：过流取样电阻是R18，在有输出电流时，R侣上的电压是左高右低，这两端电压通过R4和R22加到误差放大器2的16和15脚上，当R18上的电压因过流而升高到一定程度，就能使输出的脉冲宽度变窄，从而起到限制输出电流的目的。

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由于是13脚接地，两个内部驱动三极管同时导通或截止，所以两个内部驱动三极管是并联输出，8脚和11脚相连，9脚和10脚相连，9脚10脚为发射极输出，当9脚和10脚输出脉冲时，VT6导通，、VT5截止，、VT4导通，VT3也导通，输出电流通过储能电感L向负载供电；当9脚和10脚停止输出脉冲时,VT3截止，由于自感现象，续流二极管VD6导通，将储能电感L储存的磁场能转换成电能供给负载，在降压型开关电源中，续流二极管是不可缺少的元件，没有它，功率晶体管VT3和其它元件将击穿损坏。续流二极管常采用快恢复二极管或肖特基二极管。

为保证工作的可靠，由VT1组成的稳压电路为TL494提供启动电源；由VT2组成的稳压电路为功率晶体管提供启动电源，一旦输出电压已建立，这些电源将由VD4和VD5直接供给。

由上述工作原理的介绍，输出电压大小的调节可通过改变R23的阻值实现：过流保护控制的限流值由过流取样电阻R18的阻值决定。

输出功率晶体管VT3采用VMOS功率场效应管,如嫌输出电流不够或功率晶体管过热，可将两只功率场效应管并联使用。但另一只场效应管的栅极G也要串-10欧电阻再连在VT4的发射极上。两只功率场效应管的漏极D和源极S则并联。输出功率晶体管和续流二极管都应外接散热器。

图3.3（b） TL494组成的降压型开关电路图

第4章 高效开关稳压电源的应用

4.1采用TL494的汽车音响开关电源电路及原理

汽车已开始进入我国家庭，性能优越的大功率汽车音响越来越受到青睐。以往汽车音响用电是直接取用12V铅蓄电池，这样汽车点火产生的脉冲及其它干扰便直接成

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为音响噪音的主要来源。12V低电压单电源也使音响输出功率受到限制，功放电路也只能用OTL电路，频响特性较差。随着元器件的发展和技术的进步，开关电源已完全能应用于汽车音响。它能提供电压较高的双电源，并能抑制各种噪音的窜入，功放电路也采用OCL电路，使汽车音响效果真正上了档次，汽车音响应用开关电源符合技术发展的需要。

图4.1为汽车音响开关电源电路，该电路主要由两片集成电路TL494和KIA358、驱动管Q702和Q703、开关管M704～M709、变压器、输出整流器和滤波器等组成。TL494是一个脉宽调制型开关电源集成控制器，其最大驱动电流为250mA，工作频率为1～300kHz，输出方式可选推挽或单端形式。内部方框图如图2所示，详细资料参考 TL494脉宽调制控制电路。它主要由一个三角波振荡器、两个比较器CMP1和CMP2、两个误差放大器A1和A2、5V基准电压源、触发器及输出驱动器等组成。

图4.1（a）

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图4.1（b）

三角波振荡频率由5、6脚外接Ct、Rt决定，振荡频率fosc=1.2/Rt×Ct，三角波振荡信号分别送到两比较器，即死区时间比较器和PWM比较器，两比较器输出到或门电路。这样，只有当振荡信号电平幅值同时高于死区时间控制电平和误差输入电平时，或门输出电平才产生翻转。脉冲输出受触发器和13脚输出方式控制，13脚接低电平时内部触发器失去作用。本电路13脚接高电平(由14脚提供基准电压5V)，输出两路脉冲分别受触发器Q和Q控制，经两或非门和推动管推挽输出，最大输出脉冲占空比为48%，频率为三角波振荡频率的一半。死区时间由4脚电压来设定，范围为0~3.3V之间。误差放大器A1作为输出电压取样误差放大，结果通过PWM比较器控制脉宽使输出电压稳定。误差放大器A2作为保护控制用，15脚接参考电压5V(由14脚提供)，16脚为控制输入。在开机保护、过温或过流保护时，16脚为高电平，这时，误差放大器A2输出高电平，该电平高于振荡器三角波电平幅值，而使驱动器没有驱

动脉冲输出，负载安全停电。

安全保护电路由KIA358电路来完成。出现异常情况时向TL494的16脚提供高电平。

KIA358为双运放电路(如图4.1（c）)。

运放A1作为过流保护用，6脚由TL494的14脚提供5V参考电压。正常情况下，P/T端为高电平，5脚为低电平，所以7脚输出低电平，TL494的16脚也为低电平。当由于运放出现过流或其它原因而使P/T端检测到低电平时，5脚为高电平，且高于6脚

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参考电平，7脚便输出高电平，保护动作。运放A2作为开机保护和过热保护用，同相输入端3脚电压由控制电压12V经两电阻R707和R709分压获得。反相输入端电压由R710和热敏电阻R708分压获得。R708在常温下阻值为100kΩ左右，2脚电平高于3脚电平，1脚便输出低电平。当温度升高到近100℃时，热敏电阻阻值降为低于10kΩ。2脚电平低于3脚电平，输出翻转，保护动作，红色发光二极管亮。电容C712作为开机保护用，开机瞬间C712充电，而使2脚电平低于3脚电平，这时保护动作，红色发光二极管亮。当C712充电完毕，2脚电平高于3脚电平，1脚翻转为低电平，红色发光二极管熄灭，保护撤消，工作正常，只有绿色发光二极管亮。TL494的14脚参考电压由12脚提供，12脚经二极管D712连接汽车电源锁，只有当汽车打开电源锁后，12脚才有工作电压，电源工作才正常。TL494的9脚和10脚输出由Q703和Q702缓冲后推动场效应管工作，再由变压器升压，并经整流和滤波后以稳定的正负电源形式向音响供电。作为开关管作用的Q702和Q703接法为无直流偏置。当TL494的9脚和10脚输出驱动信号为高电平时，信号分别经二极管D711和D710加到FET栅极，这时Q703和Q702反偏截止。当驱动信号为低电平时，Q703和Q702导通，蓄积在FET栅极电容中的电荷快速放电，使FET关断。

在元器件选择和电路制作方面应考虑高频率、大电源、高效率以及汽车音响方面的特

定需要。

开关功率管选用金属氧化物场效应管，相对双极晶体管，功率FET有很多优点：

1.驱动功率较小，驱动电路简单，能使电路结构紧凑和小型化；

2.截止频率高，并且不需要加反向偏置； 3.可实行简单并联； 4.不会产生二次击穿； 5.不存在存储时间； 6.不会有热击穿。

由于蓄电池供电电压只是12V，故主要考虑导通所能承受的电流值，功率较大时开关管应采用多管并联形式。MOSFET在Vgs超过导通门限电压后，漏极电流和栅极电压的比值呈线性增长，漏极电流对栅极电压的变化率即跨导Gfs在漏极电流较大时实际上是一个常数，从图4跨导Gfs与漏极电流关系图可看出，跨导的上升使MOSFET管的增益正比例提高，即导致漏极电流的增大，而这种情况又增大了输入电容，因此，增设推动级使得有足够电流对输入电容充电，减小上升和下降时间，提高MOSFET的开关速度。推动级又有足够低的输出阻抗避免电路正反馈振荡。另外，MOSFET在高频工作时容易产生振荡，所以，在电路板设计时应尽可能减小与MOSFET管脚连接线的长度，特别是栅极引线的长度。否则须用一个小电阻与MOSFET管脚串接，并使小电阻尽量靠近管子栅极。本电路采用100Ω电阻与栅极串接，另加两组RC回路R728、C707和R727、C708来改变MOSFET管的负载曲线，并吸收多余关断MOSFET的能量，

作为MOSFET管的开关保护电路。

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Crs III

变压器的制作方面，首先必须根据输出功率确定磁芯及其横截面积S，它主要决定开关电源的效率。应保证变压器在磁化曲线线性区工作。并确定最大磁通密度Bmax，最佳的起点是Bmax=Bsat /2。然后再根据所需功率选择导线，再由N=V×104 / 4f×Bmax×S确定初级线圈圈数，其中f为工作频率，V为工作电压。并根据次级所

需电压确定次级线圈圈数。 不同音响所需电压高低不同，可适当改变初、次级线圈圈数，及取样电阻R717和R718阻值来获取所需合适电压。功率整流器不能采用普通整流二极管，由于开关电源工作于高频状态，故整流器应采用高效快速恢复二极管、超快速恢复二极管或肖特基势垒

整流二极管等。

4.2采用开关电源技术的电动自行车充电器

(1)山东GD36充电器

电路原理图见图12所示。该充电器为半桥式充电器.主要性能指标为：输入电压：170-260V；输出电压：44 V(可调)；最大充电电流：1.8A；浮充充电电流：200～100mA。

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1)电路原理

本充电器电路主要由市电整流滤波、自激加他激半桥转换、PWM控制、电压控制、电流控制、输出整流滤波六部分组成。

整流滤波 市电220V/50Hz经二极管D1～D4桥式整流、电容C5～C7滤波，得到310V左右的直流电压，作为开关变换器的电源。

自激加他激半桥输出电路主要由Q1、Q2、B2、B3等元件组成。

自激启动该电路的特点是自激启动，控制电路所需辅助电源由其本身提供，无需另设。自激振荡是利用磁心饱和特性产生的，具体过程为：接通电源，C5、C6上的150V电压经R5、R7、R9、R10给开关管Q1、Q2提供基极偏压。设Q1由TR5偏压而微导通，则推动变压器B2的②-④绕组感应出极性是②脚正、④脚负的电压，于是①-②绕组感应出①脚正、②脚负电压加到Q1的发射极，加速Q1的导通。这是一个十分强烈的正反馈过程，Q1迅速饱和导通。与此同时，③-⑤绕组感应出③脚正、⑤脚负的电压，使Q2截止。

Q1饱和导通后，150电压给B3①-②主绕组充电储能，线圈中的电流和由它产生的磁感应强度随时间线性增加。但当磁感应强度增大到饱和点Bm时，电感量迅速减小，Q1的集电极电流急剧增加，增加的速率远大于其基极电流的增加，Vce升高，于是Q1退出饱和进入放大区，推动变压器B2的②-④、①-②、③-⑤绕组感应电压将反向。这又是一个强烈的正反馈过程，结果是Q1截止、Q2饱和导通。此后，这种过程重复进行而形成振荡。 工作原理如下：

他激振荡：自激振荡过程中，B3的次级输出电压经D9、D10全波整流、C19滤波，建立起PWM控制电路芯片TL494所需的工作电源。TL494开始工作，由Q3、Q4输出相位差为180°的PWM脉冲，经B2⑥-⑦、⑦-⑧绕组感应至①-②或③-⑤绕组。于是Q1、Q2便由自激转为在他激PWM脉冲驱动下轮流导通。B3的次级⑨-⑦、⑨-⑧绕组输出电压经D15全波整流、C21滤波得到+44V电压给蓄电池充电。 D6、D7是两只钳位二极管.保护开关管Q1、Q2。保护机理是泄放B3初级的反

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激能量和漏感储能，消除反峰电压。当Q1由导通变为截止而Q2又尚未导通时，D7导通，把反激能量再生给C6充电；当Q2由导通变为截止而Q1又尚未导通时，D6导通，把反激能量再生给C5充电。这样，一方面消除了反峰电压，另一方面因反激能量回送电源而极大地提高了电源的效率。

PWM控制以TL494为核心组成。C12、R19与内部电路形成振荡，当这两只阻容元件参数为图标数值时，振荡频率约为50kHz。(13)脚接+5V，脉冲输出方式被设置为推挽输出。⑧、(11)脚输出的推挽调宽脉冲，经驱动电路放大后送半桥输出级，控制Q1、Q2轮流导通。 R20、R24分压值设定死区控制端④脚的电位，限定最大导通占空比小于45％。C18是缓启动电容，接通电源后，C18两端电压为零，④脚的电位近似为+5V，输出脉冲占空比为零。随着C18的充电，④脚电压逐渐降低，导通占空比逐渐增大，输出电压逐渐受控。

电压、电流控制：R26和R27是电压负反馈取样电阻，R26与R27分压，对输出电压进行取样，加到TL494的①脚进行电压控制。R3是电流取样电阻，取样电压经R13加到TL494的(15)脚进行电流控制。电流控制的实质也是控制输出电压。 推挽驱动：由Q3、Q4、B2等元件组成。这是一种典型的变压器推挽式功率放大电路。D11、D14的作用与D5、D7相似，保护Q3、Q4，把B2初级的反激能量回送电源。

充电状态指示主要由运放LM358、LED1、LED2等元件组成。当充电电流较大时，电流取样电阻R3上端电压大大低于地电位，LM358的②脚电位低于③脚电位，①脚输出高电平，电池充电指示灯LED1点亮；当充电电流较小(小于200mA)时，+5V经R36、R30、R3分压，R3上端电压略高于地电位，LM358②脚电位高于③脚，①脚输出低电平，电池充电指示灯LEDl熄灭，⑦脚输出高电平.在充满后指示灯LED2点亮。充电过程中的某一期间存在LEDl、LED2同时点亮的过渡状态。 2)调试

输出电压开路输出电压为44V，改变R26或R27可校准此值。夏天电压应比44V低1V，如果是胶体电池电压还要低，否则可能会充鼓包。 输出电流短路时输出电流为1.8A，改变R13可校准此值。

状态指示调试当充电电流为200mA时，蓄电池充满指示灯LED2应开始点亮。改变R30可校准该状态。

3)小结

很多半桥式充电器，以TL494为核心，结构十分类似，TL494内部包含了振荡、锯齿波形成、PWM、运放等基本单元电路，稳压和限流反馈都加到运放端。另以一块比较器集成电路为辅助，进行电流分段控制，这些集成电路工作需要电源、通电起始、启动电路工作为它们供电，然后由辅助电源逐步建立稳定的电源，为这些集成电路工作提供能量。

这些充电器有些故障类同，例如空载有较低输出电压，带负载输出消失。多数是TL494损坏，或者供电电路有故障。空载有输出说明自激正常，但是没有建

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立起正常的控制系统，带负载自激条件被破坏停振，输出电压消失。

对于空载无任何输出的半桥式充电器，在保险管损坏的情况下，首先怀疑两只开关管是否击穿，在更换NPN管的同时，检查2.2Ω等周边元件是否损坏。更换零件后通电检查，仍然空载，但要在市电输入端串联一只普通的100W白炽灯泡，当开机时，白炽灯泡闪亮一下变暗，同时半桥式充电器各种发光管正常发光，说明基本修好了，可以进行其他项目了；如果白炽灯泡常亮不变暗，说明充电器有其他故障。

有一类开关管的损坏原因是TL494完好，正向通道往后直到开关管正常。但是稳压反馈系统有问题。TL494输出到开关管的脉冲占空比失控(增加)，造成开关管的损坏。因此，最好在换开关管后，用稳压电源给集成电路供电，模拟改变稳压反馈系统反馈电压，用示波器观察占空比是否相应变化。

维修充电器安全问题很重要，一定要搞清楚电路中哪里带市电，哪里不带市电再下手，不要带电触摸内部线路和零件。用万用表测试时，要拔掉蓄电池和市电插头，对电容放电后再进行，对滤波电容放电可用普通白炽灯泡进行。 充电器的调整很重要，直接影响电池使用寿命。以12V电池为例，浮充电压13.5V~13.9V可长期进行，一般输出电压不要超过14.2V，否则易使电池失水。需要提醒的是：在控制充电压时胶体电池电压应低一些；夏天电压应低一些，降低幅度为每格(12V电池为6格)每℃4mV。维修充电器，关键是找到电压负反馈的电压取样电阻。熟练掌握减小取样电阻上半部分电阻值，输出电压降低；增大取样电阻上半部分电阻值，输出电压升高。或者反过来，减小取样电阻下半部分电阻值，输出电压升高；增大取样电阻下半部分电阻值，输出电压降低的方法。其次是找到充电电流取样电阻，以及电流检测比较器，掌握改变各阶段充电电流的方法。

参考地电位，在分析电流检测比较器电路时十分重要。这是因为充电器电流检测比较器的集成电路是单电源供电，比较器的一端接地，比较器的另一端接取样电阻，而取样电阻上的电压一般为负电压。 (2)石家庄某公司单激式充电器

充电器的原理图见图13。单激式充电器启动电路和半桥式不同，一般直接取自市电整流滤波后的平滑直流电，集成电路也以UC3842、UC3845和UC3844N为主，也有采用电路更加简洁的三端开关式TOP226集成块，UC38xx是电流控制PWM单输出专用芯片。广泛用于电脑显示器电源、电动车充电器等电源类产品。

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UC38xx和TL494类似，内部含有振荡器(OSC)，误差放大器、脉宽调制(PWM)，参考电压产生等PWM专用芯片必备的内电路。还具有三个特点，图腾柱式输出电路，输出电流可达1A，可直接驱动功率开关VDMOS管：具有内部可调整的参考电源。可以进行欠压锁定；这个带锁定的PWM，可以进行逐个脉冲的电流限制，也叫逐周(期)限制。

图13中R18、D5、N5等组成启动和供电电路。加电瞬间。市电整流滤波后的平滑直流电通过R18给UC3845⑦脚以启动供电，此时D5反偏截止。UC3845工作后，开关变压器各绕组有感应电压，副绕组电压经D4整流供N5进行稳压，D5导通，给UC3845提供稳定的工作电压，完成启动和供电。图中LM393是一个变形的施密特电压比较器，用作市电过压保护，当市电过压时，比较器翻转，①脚呈低电平，D3导通将UC3845关闭。输出稳压的负反馈系统由光电耦合器、基准电源N6、RV1、R27、R26、R23等组成。稳压过程：输出电压由于某原因上升时，流经光电耦合器发光二极管电流增加，光强增加，光电耦合器光电三极管加剧导通。内阻减小，使UC3845的②脚电压升高，减小PWM占空比，拉低输出电压。反之，增大PWM占空比，使输出电压拉高，起到自动稳定输出电压的作用。 1)过流(过载)保护

开关管过流信号取自电阻R3、R4。一旦开关管过流，UC3845的③脚电压超过1V，内部电路就会关闭输出，实现过流(也叫过载)保护。增大取样电阻，就是降低了起控电流的动作点，电源输出功率也相应减小。 2)过压保护

电源输出端的LM339四个电压比较器A、B、C、D反相端电位均固定在+5V。A和B检测输出电压，当输出端电压较低时即充电初始阶段，A的②脚为低电平，低压灯LOW亮，B的①脚也为低电平，高压灯HI也亮；当充电电压升高时。A翻转，低压灯LOW熄灭，高压灯HI继续亮，当电池将充满时，电池电压升高，B翻转，①脚为高电平，高压灯HI熄灭。同时，C的(13)脚为高电平，D的(14)脚也

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为高电平，N7导通，J1吸合，J1-1(常闭)断开将取样电阻R4接入，增大了电流取样电阻，开始起控使输出电流下降，进人浮充电阶段。N4、W1、R8、R7构成12V稳压电源，为12V的继电器提供电源。 (3)天能TN-1智能负脉冲充电器

图14是天能TN-1智能负脉冲充电器电路图。这个充电器主要部分是典型的半桥式两段充电器，和前面介绍的图12充电器基本一样。这里主要介绍负脉冲充电部分的工作原理。这部分电路由放电开关、负脉冲加载控制、脉冲振荡器三部分组成。

放电开关是三极管Q6、Q6导通，其集电极和发射极将电瓶短路，电瓶放电。Q6截止，电瓶恢复充电。Q5和Q6是直接耦合，俗称达林顿管。Q6受加载负脉冲控制和振荡器联合控制。加载负脉冲控制由IC3的C和D构成。D接成反相器(电路中，与非门两个输入并联看作一个非门)，只有C的两个输入都为高电平时，③脚为低电平，经D反相使Q6导通，给电瓶放电。C的②脚来自多谐振荡器的每秒1个(脉宽3ms)正脉冲，C的①脚来自两阶段电流检测电路IC2的①脚，恒流充电时①脚为高电平。此时，负脉冲才起作用。

脉冲振荡器由IC3的A和B以及C24、C25、两只100kΩ电阻构成典型的多谐波振荡器，其充放电时间常数不同，高电平3ms，低电平1250ms。负脉冲充电，可提高充电接受能力，降低充电温度；国内还有可以消除硫化延长电瓶寿命的讲法。上述充电器在放电时，并没有断开充电电路。

4.2有工频变压器的电动自行车充电器

(1)快乐牌KLG智能充电机

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快乐牌KLG智能充电机是一款货运三轮常用的大功率带环牛变压器的充电机。电路原理图见图15所示。

变压器T初级有一个抽头.次级有两个独立绕组.下边14V是辅助电源绕组.给控制电路供电；上边充电绕组有个抽头，供36V电瓶充电使用.上边是供48V电瓶(未用)。市电通过继电器常闭触点J-1接在初级抽头A上时，是恒流充电位置，输出43.2V；通过继电器常开触点接在初级上端B时，是涓流充电位置，输出37.5V～43.2V。

U3、G2组成滞后型电瓶电压检测电路，电瓶电压通过电压取样电阻W2、R2和R3加到U3B的⑤脚，当电瓶电压升到43.2v时，U3B翻转，⑦脚输出高电平，U3A翻转，其①脚输出高电平，导致G2导通，使U3基准电位下降，产生滞迟闭锁效应。此时由于U3A的①脚输出高电平，G1导通，继电器J得电，继电器常开触点接在B点上，进入涓流充电位置，输出37.5V～43.2V。调整W2可以改变切换电压。R6、C6是积分电路，延时一分钟左右。

该充电器用于48V电瓶充电时，只需做两处改动：充电主绕组由抽头改接到上端；增大电压取样电阻上半部分。如有必要则更换电压表头。

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第5 章 总结

5.1用TL494开关稳压电源的意义

高效开关稳压电源技术室一门应用半导体功率器件实现电能的高效率转换、将粗电变成精电，以满足供电质量要求的技术。由于在高效开关稳压电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率、高功率密度。高可靠性。正是因为高校开关电源的突出优点，开关电源更替线性电源的必然趋势，因此研究高效开关稳压电源有着很重要的意义和实用价值。

研究现状电源是各种电子设备不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源盒开关电源两大类。由于开关电源本身消的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛应用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。开关电源被誉为高效节能型电源，它代表文雅电源的发展方向文雅电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。在20世纪0年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源种的控制电路实现了集体化。20世纪80年代问世的单片机开关稳压器，从本质上讲仍属于AC/DC电源变换器。随着各种类型单片机开关电源集成电路的问世。AC/DC电源变换器。随着各种单片机开关电源集成电路的问世，AC/DC电源变换器的集成化变为现实。

随着全球能源问题的重视，电子产品的耗能问题愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。创痛的线性稳压电源虽然电缆结构简单、工作可靠，但它存在着效率低、体积大、铜铁消耗量大、工作温度高及调整范围小的缺点。

开关电源的效率比线性电源效率高很多。这样就节省了能源，因此它受到了人们的欢迎，但它也有缺点，就是电路复杂维修困难对于电路的污染严重。电源噪声大，不舍适合用于某些低噪声电路。开关电源技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：小型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要由储能原件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能原件的体积。在一定范围，这样就节省了能源，因此它受到了人们的青睐。但它也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路污染严重，电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。开关电源的技术追求和发展趋势课概括为以下四个方面：

1)小型化、薄型化、轻量化高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减小电容、电感及变压器的尺

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寸，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。

2)高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要提高系统可靠性。

3)低噪声。开关电源的缺点是噪声大，单纯的追求高频化，噪声也化随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上课以听高频率又可降低噪声，所以，尽可能降低噪声是开关电源的发展方向。

4）采用计算机辅助设计和控制。采用CAA和CDD技术设计最新变换扩扑和最佳参数，使开关电源具有最简洁结构。在电路中引入微机监测和控制，课构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。

5）低输出电压技术，随着半导体技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来DC/DC变换器能够提供低输出电压以适应电子设备的供电要求。

参考文献

[1]任中民主编.数字电子技术.北京：北京交通大学出版社，2005. [2]王平主编.数字电子技术.北京：北京化学工业出版社，2007.

[3]朱凤芝，裴咏枝编著.数字电子技术.北京：北京师范大学出版社，2005. [4]杨少昆，高兰恩主编.数字电子技术.北京：中国水利电出版社，2004.

[5]康华光主编.电子技术基础（数字部分）.第4版.北京：高等教育出版社.2000 [6]王成华，王友仁，胡志忠.电子线路基础教程.北京：科学出版社，2000. [7]张晔，王玉民.单片机应用技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]徐煜明，韩雁.单片机原理及应用教程[M].北京：电子工业出版社，2003. [9]朱运利.单片机技术运用[M].北京：机械工业出版社，2005. [10]倪志莲.单片机应用技术.北京理工大学出版社.2007.

[11]黄仁欣.单片机原理及应用技术.北京：清华大学出版社，2005.

[12]胡锦，蔡谷明，梁先宇.单片机技术实用教程.北京：高等教育出版社，2003 [13]李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.北京：电子工业出版社，2005. [14]薛钧义.微型计算机原理及应用Intel80×86 系列[M].北京：机械工业出版社.2002

[15]朱清慧.PROTEUS教程—电子线路设计、制版与仿真.北京：清华大学出版社.2008.

致谢

感谢我的室友们，有你们在行动和思想上的支持和鼓励，才使得我这次毕业设计能顺利完成。感谢此次指导我完成这篇论文的老师，正因为有你们的指导和修改才有我这篇论文的完成。感谢我的母校郑州铁路职业技术学院，尤其是电子系城控专业所有的老师们,在这片净土读书三载，无形中塑造了我生命的气质、生活的方式，

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也练就了我乐观的心态和一颗感恩的心，没有你们悉心的指导和讲解，我不可能完成此次设计。

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