摘要本設計是對2023年全國大學生電子競賽的e題。電路的設計是利用併聯型開關穩壓電源的拓撲結構，通過分析以ictl494晶元為核心的pwm控制器的工作原理，實現了dc—dc變換。得出適合於設計要求的主電路的結構，並在此基礎上設計出控制電路、保護電路、驅動電路。
運用調節占空比的大小自動控制輸出電壓，並對各部分電路的原理進行分析。設計出電路的閉環控制系統，使電源工作在乙個穩定的系統，並留出20%較大的控制餘量。根據設計要求以及主電路的結構，對電路中各引數進行計算。
最後對電路進行測試，並根據其進行改進。
關鍵詞：開關穩壓電源 pwm ictl494晶元驅動電路
1．題目分析與方案論證：
圖1 電源框圖
a. 題目分析: 題目給出的框圖如圖1所示。
該方案是通過變壓器降壓，再經過整流電路、濾波電路得到直流電，再經過dc-dc的變換控制電路，得到要求的直流電。要使電路能達到設計要求，dc-dc變換的關鍵是pwm控制。它是開關電源的核心部分，由功率變換和高頻整流兩部分組成。
題目需要將直流電源轉換成大於輸入電壓的穩定的輸出電壓。串聯型穩壓電路是降壓型的電路，併聯型穩壓電路是公升壓型的電路。所以我們採用的併聯型開關穩壓，通過公升壓電路，能使得輸出電壓大於輸入電壓。
通過調節占空比使輸出電壓為30v-36v可調。
b. 方案論證：
圖2 方案一框圖圖3 方案二框圖
方案一的電路簡單，清晰，易於操作除錯。且pwm的的外圍引數設定方法多樣。易控制
方案二的優點是線性可調，但是高頻變壓器繞制要求較高，整體配置除錯難度大。
因此，我們選擇方案一。
2．橋式整流電路與電容濾波電路
圖4 橋式整流電路與電容濾波電路
首先把交流電轉化成直流電。這裡採用橋式整流。橋式整流與半波整流的相比，輸出電壓的脈動小很多。
由於還需要進行dc-dc的確變換，對直流的要求不是很高，所以在整流後只加上乙個電容進行濾波，以減小整流後直流電中的脈動成分。
圖5 整流與濾波後的電壓波形圖
3. dc-dc主迴路的拓撲結構
併聯開關型穩壓電路的拓撲結構如圖6所示。其中輸入電壓的為直流供電電壓，電晶體t為開關管，開關管的基極訊號為矩形波（也是pwm的輸出），電感l和電容c組成濾波電路，d為續流二極體。
a. 控制方法與實現方案
圖7中，t管的工作狀態受的控制。當為高電平時，飽和導通，通過t給電感l充電儲能，充電電流幾乎線性增大;d因受到反壓截止;濾波電容c對負載電阻放電，等效電路如(b)所示，各部分電流如圖標註。當為低平時，t截止，l產生感生電動勢，其方向阻止電流的變化，因而電流與同方向，兩個電壓相加後通過二極體d對c充，等效電路如(c)所示。
所以，無論t和d的狀態如何，負載電流方向始終不變。
經過分析，可以得出控制訊號，電感上的電壓和輸出電壓的波形，如圖(c)。從波形分析可知，只有當l足夠大時，才能公升壓;並且只有當c足夠大時，;輸出電壓的脈動才可能足夠小;當的週期不變時，其佔比愈大，輸出電壓將愈高。在其工作原理下，當開關電晶體導通期間，輸入電壓加到儲能電感l的兩端(這裡忽視了v的飽和壓降)，二極體因被反向偏置而截止。
在此期間流過l的電流為近似線性增加的鋸齒形電流如(b)，並以磁能的形式儲能存在l中。在這期間的變化值為△=:在開關電晶體v截止時，儲能電感l兩端的電壓極性相反，此時二極體被正向偏置而導通。
儲能在l中的能量通過二極體的輸送給負載電阻和濾波電容。在此期間l中的洩放電流是鋸齒形電流的線性下降部分(圖c)所示，這期間電流變化△=。同理，。
只有這樣才能達到動態平衡，才能給負載電阻提供乙個穩定的輸出電壓。所以有
△=△．即是又=。因為=t*q和=t*(1-q)。
整理得: =。占空比:設電晶體 v的開關轉換週期t,導通其的時間為,截止期的時間為,占空比為q(q=)。是輸出電壓與輸入電壓的關係。
b. 提高效率的方法及實現方案
由=。是輸出電壓與輸入電壓的關係。所以大於。要高dc-dc的變換效率應該綜合考慮各種因素。
①提高開關的變換速度，因任何乙個電晶體和二極體的導通到截止和從截止到導通的轉換過程都需要一定的轉換時間。可以採用反向恢復時間短，導通時間快的肖特基二極體、快恢復的二極體作為續流二極體。也可以在續流二極體的電路中的串乙個電感很小的電感，則利用電感的電流不能突變的特性來抑制二極體的反向恢復期間內的反向電流。
進而提高效率。
②提高工作效率，開關穩壓電源的效率與儲能電感l上的損耗功率也有反比例的關係，所以在提高電源輸出率的過程中，要選擇適宜的儲能電感。
c. 採用以ictl494晶元為核心的pwm控制器的dc-dc變換。tl494是乙個固定頻率的脈衝寬度調製電路，內建乙個線性鋸齒波振盪器， 振盪頻率可通過乙個外部電阻和乙個電容進行調節。
①具有完整的脈寬調變控制電路；②片內有兩個誤差放大器；③片內有5v的基準電壓；④死區時間控制可以調節；⑤輸出級電晶體額定電流可達500ma；⑥輸出控制可用於推挽、半橋或單端工作電路；⑦具有欠壓封鎖功能。。工作溫度範圍：tl494為-40℃～85℃，tl494c為-20℃~85℃。
圖8 tl494內部結構電路圖
4. 電路設計與引數計算
a.主迴路器件的選擇及引數計算
①開關電晶體t的選擇:併聯型原理圖(圖6)可見，開關管v上所承受的最大電壓。又因為上式的輸出和輸入電壓之間的關係。
考慮到輸入電壓有10%的波動，電感l上的反峰尖刺電壓為穩定壓值的確20%。開關電晶體v上所承受的電壓實際為1.1*1.
2=1.3。通常選擇時對管子的有一定的裕量。
所以取其工作電為80%的額定電壓值，則有1.32=0.85。
即是= (1.32/0.8)=1.65=1.65*。
=1.65*3660v
②電極電流的計算:同理從併聯型原理圖可見。 在電晶體導通期間，流過開關電晶體v的電流也就是在該期間內流過儲能電感l中的電流，也就是輸入電流從。
如果，不考慮電路中的其它耗散功率時， ==當選擇管子在實際工作時，也考慮一定的裕量，應該把工作電流取為80%額定電流值。所以0.8=。
所以=1.25=1.25*=1.
25*22.5a
③極管的選擇。反相電壓的計算:在開關電晶體v 導通期間，二極體因反相偏置而截止，此時上所受的電壓為輸出電壓。
此外，在選擇二極體時，都應該有一定的裕量，一般留20%的裕量，所以二極體的反向耐壓為: ==1.25=1.
25*3645v，正嚮導通電流=1a
④濾波電容c的選擇:併聯型開關穩壓電源達到穩定狀態後，輸出電壓穩定在所設計的恆定電壓值u。上，處處支流電流i。
。由於在開關管v導通期間全部負載電阻上的電流i。都是由電容c供給的，所以這時候電容c上的電流就等於電源的輸出電流，並且在這期間電容c上的電壓變化量為輸出電壓的波紋電壓值△u。
，此時我們就如下的關係式
△u。==1v。所以c==2200uf=
b. 耐壓值u。的計算:
當開關管v截止時間，加在濾波電容c的兩端的電壓為輸入電壓ui；當開關管v導通期間，加在電容c上的電壓為輸出電壓u。，（儲能電感l上的電壓降和二極體vo的正嚮導通壓降這裡都被忽略了）而併聯開關電源的特徵是輸入電壓為ui比輸出電壓u。小，這裡就輸出電壓u。
，在確定電容耐壓的標稱值時應留有50%的餘量。所以，濾波電容c的耐壓值應由下式決定。3*36=110v
c. 能電感l的選擇:在分析併聯型開關穩壓電源的工作原理時已經講過，在開關管v1導通的t期間，儲能點感l的電源的增量應於開關官v截止的時間t漸漸儲能電感l上的電流的減少量相等，所以有i（+）=（-）
式中，（+）表示增加量，（-）表示減少量，即兩中變化的數值相等，極性（方向）相反。給出類儲能電感l上的電流的增量，又給出了儲能點感l上的電流的減少量，現在就可以計算出儲能電感l上的電流在乙個轉換週期內的變化的峰值為：
l==10150uh
5. 控制電路
控制電路是與tl494晶元為核心。 tl494是一種效能優良的脈寬調變控制電路，可作為推挽式、全橋式半橋式開關電源控制器，工作額定頻率為10khz—300khz，輸出電壓可達40v。
它具有（1）具有完整的脈寬調變控制電路；
（2）片內有兩個誤差放大器；
（3）片內有5v的基準電壓；（4）死區時間控制可以調節；（5）輸出級電晶體額定電流可達500ma；（6）輸出控制可用於推挽、半橋或單端工作電路；（7）具有欠壓封鎖功能。。工作溫度範圍：tl494為-40℃～85℃，tl494c為-20℃~85℃
首先由於，1、2腳和15、16腳分別為兩個比較器輸入端；由於該電源只對一路電壓輸出，所以只需要一組比較器，及把15、16腳分別接、地，遮蔽掉。然後1腳接反饋，2接標準電壓，通過比較1、2腳地電位，來控制占空比。
在本控制器中只用到了tl494的誤差放大器i，故將誤差放大器h的in十(16腳)接地、in—(15腳)接高電平。為保護tl494的輸出三極體，經r26和r25分壓，在4腳加接近0．3v的間歇期調整電壓。r13、c14和c6組成了閉環校正網路，
然後通過分析得出該電源的工作頻率為30khz，又因為5、6腳為振盪器的、輸人端，決定工作頻率。其公式如下: r－端的電阻（）
c—端的電容（）
6. 驅動電路
開關穩壓電源中的開關管v要求在關斷的時候就能迅速關斷，並能維持關斷期間的漏電電流近似等於零;在道統時要能迅速道統，並能維持導通期間的管壓降近也近似等於零。開關管v趨於關斷時的下降時間和趨於導通時的上公升時間的快慢是降低開關電晶體v損耗功率，提高壓電源效率的主要因素，要縮短這兩個時間，除了選擇高反壓，高速度，大功率開關管以外，主要還取決於加在開關管基極的驅動訊號。這裡我們採用了互補驅動電路。
保護電路：為了實現保護電源工作，需要乙個保護電路。為了使電路排除故障後，電源能自動恢復為正常的狀態。所以在設計電路時應該採用限流式過流保護。
7. 測試方法與資料：
測試方法 :輸出電壓檢測法;最大輸出電流檢測法; 電壓調整率檢測法;負載調整率檢測法;輸出雜訊紋波電壓峰-峰值檢測法; dc-dc變換器的效率檢測法;動作電流檢測法;
開關穩壓電源設計報告
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目錄1 實訓目的3 2 設計要求3 3 方案選擇與論證3 3.1課題分析 3.2穩壓電路方案選擇 3.2.1分立元件串聯型穩壓電路 3.2.2整合穩壓塊穩壓電路 4 單元電路的設計 4.1橋式整流電路 4.2濾波電路 4.3穩壓電路 5 pcb板設計 5.1設計要點 5.2 pcb板的製作 6 安裝...