1、本 科 毕 业 设 计基于 TL494 小功率开关电源设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要现在随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密切，然而电子设备都不可能离开可靠的电源。系统要求电源提供长期稳定的电压，而市电电压的不稳定性又使传统电源难以实现输出电压的长期稳定的功能，过大的电压偏差可能会导致设备的永久损坏。开关电源正是由于其输出电压长期稳定，并且轻巧、高效、高可靠新的优点，得到了越来越广泛的重视。因此新型低功耗、小型化、轻量化的开关电源的研究将变得十分的重要。本设计的小功率开关电源正顺应时代的潮流，开关
2、电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。因此，本设计的开关电源及其设计的方法在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。目前常用的电源有直流稳压电源和开关电源两大类。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高了一倍，被广泛应用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。开关电源（Switch Mode Power Supply,即 SMPS)被誉为高效节能型电源，它代表着文雅电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。本文首先介绍了小功率开关电源的工作原理，变压器的选用
3、以及相关的电路原理图介绍。在基于 TL494 控制的 PWM 脉冲调制的基础上设计的小功率开关电源。关键词：开关电源；小功率；TL494；变压器IIAbstractNow, with the rapid development of electric power electronic technology, electric power electronic equipment is getting more and more close to peoples work and life. However, electronic equipment cant work without reli
4、able electric power. System demands long and steady voltage from the electric power, but the instability of usual voltage makes the traditional electric power cant output long-time steady voltage. Big voltage warp may damage the equipment. Switch Mode Power Supply, is getting high attention because
5、it can output long-time steady voltage, as well as its legerity, high efficiency and high reliability. Therefore, the study of new low power consumption, small and light Switch Mode Power Supply, will be very important.This design of small power Switch Mode Power Supply, is complying with direction
6、of the times. High frequency of the Switch Mode Power Supply is the direction of it is development. Let the Switch Mode Power Supply, enter more comprehensive areas, especially in high-tech technical area. Promote the small and light of high-tech products. Therefore, this design of Switch Mode Power
7、 Supply, and its design methods will have important mean in saving energy sources, resources and environment protection.Now, there are two power supply, one is DC steady power supply, another is Switch Mode Power Supply. As Switch Mode Power Supply, has low power consumption, power supply efficiency
8、 increased one time as compared to usual line steady power supply. It is broadly used in computer, telecommunication and household electrical appliances. Switch Mode Power Supply SMPS is praised as high efficient energy saving power supply. It delegates the development direction of elegant power sup
9、ply. Now, it is the main products of steady voltage power supply.This text introduces the working theory of small power switch mode power supply, choose of transformer and related circuit principle chart. Design the small power switch mode power supply based on PWM impulse modulate, controlled by TL
10、494.Keywords: Switching Power Supply; Low power; TL494; TransformerIII目 录前言 .1第 1 章 绪论 .21.1 开关电源的研究现状 .21.2 开关电源的发展历程 .21.3 该课题研究的相关内容和意义 .31.3.1 研究的相关内容 .31.3.2 研究的意义 .4第 2 章 基于 TL494 小功率开关电源设计原理 .52.1 开关电源简介 .52.2 控制方法及实现方案 .62.4 TL494 芯片简介 .62.3 系统原理结构框图 .6第 3 章 开关电源各部分的设计 .83.1 变压器的设计 .83.1.1 变
11、压器简介 .83.1.2 主回路高频变压器的设计 .93.1.3 TL494 与主开关隔离的高频变压器的设计 .113.1.4 市电与整流电路隔离变压器的设计 .113.1.5 市电与 TL494 辅助电源隔离变压器的设计 .123.2 恢复电路设计 .123.3 主开关元件的设计 .143.3.1 MOSFET 简介 .143.3.2 主开关的选择 .143.4 DC/DC 变换器设计 .153.5 过电流保护及短路保护电路 .163.6 开关器件 MOSFET 驱动的设计 .173.7 输出二极管选用 .183.8 吸收电路的设计 .19IV3.9 整流电路设计 .203.9.1 桥式整流
12、电路简介 .203.9.2 整流电路中各参数的计算 .21第 4 章 开关电源性能改善及措施 .244.1 开关电源的效率的提高 .244.2 开关电源的噪声及其抑制 .244.2.1 噪声源 .244.2.2 噪声抑制方法 .24第 5 章 电路仿真结果 .25结语 .26致谢 .27参考文献 .28附录 .291前言随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，它们与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都不可能离开电源。因此，对于电源的要求变得更加的多样化。近年来，随着开关电源的耗能低、使用方便、重量轻、体积小等一些特点，使得人们在信息、航天、交通、
13、军事、家电等领域取得了显著效果，得到了普遍的应用。为了以更低的功耗获得更高的速度和更佳的性能，集成器件正向大电流、低工作电压方向发展，这已成为推动开关电源技术、开关电源元器件和开关电源设计方法不断更新和创新的动力。电子设备和集成器件的不断发展，对开关电源产品的设计和研发提出了更高的要求，使开关电源以轻、薄、小和高效率、高可靠性为发展方向，而开关电源的模块化、智能化已是当今电源技术发展的主流趋势。21 世纪能源危机越来越严重，人们也更加地重视电子产品的能耗问题。如何提高供电效率，如何降低待机功耗等一些绿色电子产品都已成为人们所要研究的内容，虽然传统的线性电源电路简单，工作可靠，但效率低，资源利用
14、率大，工作温度高成为了它的最大缺点。开关电源的效率比传统线性电源高很多。由于开关电源的节能它逐渐替代了传统线性电源。但它也有缺点，电路复杂，维修困难，电源噪声大也限制了它不能适合所有电路的电源。对此，研发开关电源来代替线性电源显得尤为迫切，用 TL494 控制 PWM 脉冲调制，它的适用性强，比较激动灵活。它还具有过流保护电路、过电压保护，输入欠压保护，等多种保护功能，电源可靠性高，运行安全。因此，基于 TL494 小功率开关电源可以可靠地运行，有稳定的输出电压，也有很不错的电压转换效率。2第 1 章 绪论1.1 开关电源的研究现状1955 年美国罗耶实现了高频转换控制电路的开端，他发明了自激
15、振荡推挽单变压直流变换器，1957 年美国科学家查赛发明了自激推挽双变压器，1964 年科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969 年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了 25 千赫的开关电源。目前，开关电源以体型小、重量轻和高效率的特点被广泛应用于各种通信终端设备、数字程控调度机等几乎所有的电子设备，是当今信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上的开关电源采用双极性晶体管所制成的 100kHz 电源、用 MOSFET 制成的 500kHz电源，虽然已得到广泛应用，但其频率还需
16、要提高。要提高频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止开关所发生的浪涌电压，可采用 R-C、L-C 缓冲器，而对用二极管所存储电荷所导致的浪涌电流，可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对 1MHz 以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。由于这种开关电源不需要提高开关速度就可以从理论上把损耗降为零，噪声也
17、小，能成为现代开关电源高频化的一种方式。随着现代逆变技术的发展，开关电源在航空航天、通信、计算机、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。小功率开关电源以其体积小、效率高、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性开关电源。开关电源现已普遍地应用到了各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地提高。高功率密度的定义从 1991 年的 25 瓦每立方英寸、1994 年 36 瓦每立方英寸、1999 年 52 瓦每立方英寸、2001 年 96 瓦每立方英寸,目前已高达数百瓦每立方英寸。由于开关电源中使用了大量的
18、大功率半导体器件,它们工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出将会影响开关电源的正常工作。为提高开关电源工作的可靠性,必须考虑到电源的散热问题。1.2 开关电源的发展历程开关电源从发明到现在已经经历了五代。70 年初，那时候从线性电源开始走向开关电源。第二代是 1976 开始取得 UL 安全规定认证。从 80 年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此通信电源的开发就不能局限在北美或者日本市场，输入电压要考虑 85265V 范围内，同时和其他安全规定都要考虑进来。第四代在 90 年中期，欧盟要求 EMC(电磁兼容)，包括 PFC方面的高次谐波要求，现在进入了第五代，2006 年 7
19、月，欧盟将强制执行关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令(Restriction of Hazardous Substances)条例，以限制有毒物质的使用，新一代的通信电源产品就这样诞生了。3开关电源的调整管工作效率有 7095%，稳定器的体积小、重量轻，调整管功率损耗小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作小功率，可选择小容量的电容以及电感。允许的环境温度也可以提高。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高等一些问题。也是它在一些场合受到了限制。开关电源的集成化与小型化正在变为现实，目前正在研制开发主开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块。然而，把功率开关与控制电路
20、包括反馈电路都集成于同一芯片上必须解决电气隔离与热绝缘的问题。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：1）高频化、小型化、轻量化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定的，因此开关电源小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小了电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能等，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出数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着手，尽可能的使用较少的器件，提高集成度，采用模块
21、化技术可以满足分布式电源系统需要提高系统的可靠性。3）低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。4）低输出电压技术。随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的 DC-DC 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。1.3 该课题研究的相关内容和意义1.3.1 研究的相关内容本文需设计一个小功率带变压器隔离的开关电源，主要的器件为 TL494，供电电源采用市电 220V。此开关电源满足下列
22、指标要求：1.输出电压 UO 可调范围：20V30V；2.最大输出电流 为 3A；0maxI3. 从 12V 变到 18V 时，电压调整率 SU2%（IO=3A） ；INU4.IO 从 0 变到 3A 时，负载调整率 SI5%（U2=15V） ；5.输出噪声纹波电压峰-峰值 UOPP1V（U2=15V,UO=30V,IO=3A） ；6.DC-DC 变换器的效率 70%；7.具有过流保护功能，动作电流 IO（th）=3.50.2A；8.设计出了电路图以及选用相应的元器件的方法（包括辅助器件选择及参数设计，最后利用软件仿真验证指标） 。41.3.2 研究的意义开关电源是利用现代电力电子技术，控制开
23、关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。5第 2 章 基于 TL494 小功率开关电源设计原理2.1 开关电源简介电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可
24、靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过变换才能适合适用的需要，例如交流变成直流，高电压变低电压等。按变换方式分，有 AC/DC(交流变换为直流)；AC/AC(交流变换成直流)，即改变频率；DC/AC(逆变)；DC/DC，即先将直流变换为交流后再变成直流，变换的方法是多种多样的。自20 世纪 60 年代起，人们研发出了二极管、晶体管等半导体器件后，就用半导体器件进行变换。所以，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态变换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在变换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源。当今开关电源被誉为高效节能电源，代表这今后电源的发展方向。开关电源通常
25、由五大部分组成，如图 2.1 所示。图 2.1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含低通滤波和一次整流环节，220V 交流电直流接低通滤波和桥式整流后得到的脉动直流电压 。iV第二部分是功率变换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把直流电压变换为受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第三部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出，此电压受控于输入电压的波动和输出负载大小的变化。第四部分是控制电路。 ，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大成为控制信号，它改变调制脉冲宽窄或频率高低，使输出电压保持稳定。第五部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。低通滤波输入电路一次整流功率 变换电子开关高频变压器二次整流平滑滤波采样输出比较器基准电压误差放大脉宽调制脉冲驱动控制电路频率振荡发生器交流输入电压输出电路直流输出 V0220V
