1、第 1 页 共 46 页开关稳压电源设计摘要传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器，滤波器的体积和重量也很大。于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。本设计采用TL494固定频率脉宽调制电路，控制功率开关管HUF75652G3，与铁氧体电感构成BOOST拓扑DCDC升压主回路。采用C8051单片机作为主控制器，利用AC-DC变换电路完成对输出电压、电流的检测并通过控制TL494固定频率脉宽调制电路完成对输出电压值的设定。输出电压的稳定则由软件反馈控制TL494固
2、定频率脉宽调制输出脉宽变化实现。系统采用12864点阵的LCD作为输出显示，操作灵活，界面友好。实现输出电压3036可调、过流保护、输出电流、输出电压和输出功率的显示等功能。关键字：TL494CN固定频率脉宽调制，BOOST拓扑，C8051，软件反馈第 2 页 共 46 页Switching power supply designAbstractTraditional transistors adjustment Power Supply series, is the control of linear regulators for power, the traditional power s
3、upply technology more mature. But their needs are usually big and bulky size of the frequency transformers, filter the size and weight are great. So it difficult to meet the requirements of the development of electronic equipment. Leading to a high efficiency, small size, light weight of the rapid d
4、evelopment of the power switch. This design uses TL494 fixed-frequency PWM circuit, control of power switches HUF75652G3, and a ferrite inductors BOOST topology DC-DC Boost main circuit. C8051 SCM used as a main controller, the use of AC-DC conversion circuits to complete the output voltage and curr
5、ent through the detection and control TL494 fixed-frequency PWM output voltage circuit to complete the set value. The stability of the output voltage from software feedback control TL494 fixed-frequency PWM output pulse to achieve change. System uses 128 64 dot-matrix LCD as the output, operational
6、flexibility, user-friendly. To achieve the output voltage adjustable 30 36 V, over-current protection, output current, output voltage and power output of the show, and other functions.KEYWORDS: TL494 fixed-frequency PWM, BOOST topology, C8051, software feedback第 3 页 共 46 页1 绪论1.1 引言21 世纪 ，是人类全面进入信息电
7、子化的时代。在这个信息技术(包括计算机技术，通信技术及传感器伎术)高度发展的时代，随着电子技术的发展，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，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。开关电源是一种利用开关功率器件并通过功率变换技巧而制成的直流稳压电源。它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变革适应性强、输出电压保持时光长、有利于计算机信息保护等长处，因而普遍利用于以电子计算机为主导的各种终端装备、通讯装备，是当今电子信息产业飞速发展不可短缺的一种电源。开关电源又被称为高效能节能电源，内部电路工作在高频开关状况，自身消费
8、的能量很低，一般电源效力可达 80%左右，比普通线性稳压电源进步一倍 1。本设计是针对开关稳压电源的设计，即通过对外加芯片电路的调整、调试，使传统的稳压电源数字化，智能化，使其能以更高的精度，更快的速度输出更准确的结果，并适宜于同其他数字化设备连接，便于下载和调试。1.2 国内外开关电源技术现状及发展趋势1.2.1 开关稳压电源的特点开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达 70%95%。而功耗小，散热器也随之减小，同
9、时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为 220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从 110V260V 范围内变化时，都可获得稳定的输出电压 2。1.2.2 我国开关稳压电源技术现状第 4 页 共 46 页自六十年代起，第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，
10、直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。 我国在此方面的起步较晚， 1973 年才开始这方面的研究工作，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅速。在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。因此，直流稳压电
11、源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距 3。1.2.3 近年来开关稳压电源地发展动向1955 年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957 年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，年美国科学家们提出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，终于做成了千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产
12、业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，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，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用 R-C 或 L-C 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌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
13、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 4。目前对第 5 页 共 46 页这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆 Hz 的变换器的实用化研究。1.3 开关稳压电源的发展开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM 开关电源问世，它的特点是用 2
14、0kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有 3040。因此，用工作频率为 20 kHz 的PWM 开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为 20kHz 革命。 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高
15、，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步 3。1.3.1 初始阶段的电源传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有 45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子
16、设备发展的要求 10。1.3.2 新型电源开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。电路由开关第 6 页 共 46 页K（实际电路中为三极管或者场效应管） ，续流二极管 D，储能电感 L，滤波电容 C等构成。当开关闭合时，电源通过开关 K、电感 L 给负载供电，并将部分电能储存在电感 L 以及电容 C 中。由于电感 L 的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感 L 的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用） ，将保持电路中的电流不变，即从
17、左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管 D 的正极，经过二极管 D，返回电感 L 的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即 PWM脉冲宽度调制） ，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的 7。1.4 本设计要研究或解决的问题在目前的工业现场中，开关电源大都采用传统的晶体管串联调整稳压电源，它是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点，但也存在很多问题：（1）其通常都需要体积大且笨重的工频变压器，滤波
18、器的体积和重量也很大。（2）调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右 。（3）由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。因此本文要实现以下三个目标：1、能实现电源的小型化，智能化，采用 C8051 单片机作为主控制器，利用AC-DC 变换电路完成对输出电压、电流的检测2、采用脉宽调制(PWM)技术，提高电源效率，它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%，而线性电源的效率只有3040。 ；3
19、、采用 BOOST 型 DC-DC 升压方式，使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁。电压型推挽方式加正激变压器升压方式，虽然升压容易第 7 页 共 46 页实现，但控制不好会使两个开关管占空比不一致，造成单管发烫，影响效率；或死区时间达不到要求，有烧毁开关管的危险，且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担 13。1.5 论文章节分配第一章 绪论：回顾稳压电源的发展趋势，其中对传统的电源与新型开关稳压电源的区别做了详细的阐述，并对开关稳压电源的智能化发展进行了系统的说明。第二章 开关稳压电源的总体设计：介绍了开关稳压电源的基本技术指标，并对整个系统结构及各自的功能块做了总体的
20、介绍。第三章 数字部分的硬件实现：详细介绍开关稳压电源的硬件器件的选择设计，与计算。第四章 开关稳压电源的主程序流程图。第五章 开关稳压电源的测试与创新：对开关稳压电源的技术指标的测试方法做了详细的介绍。第六章 总结与展望：整篇论文的总结。第 8 页 共 46 页2 开关稳压电源的总体设计2.1 总体方案概述本设计采用TL494固定频率脉宽调制电路，控制功率开关管HUF75652G3，与铁氧体电感构成BOOST拓扑DCDC升压主回路。采用C8051单片机作为主控制器，利用AC-DC变换电路完成对输出电压、电流的检测并通过控制TL494固定频率脉宽调制电路完成对输出电压值的设定。输出电压的稳定则
21、由软件反馈控制TL494固定频率脉宽调制输出脉宽变化实现。系统采用12864点阵的LCD作为输出显示，操作灵活，界面友好。实现输出电压3036可调、过流保护、输出电流、输出电压和输出功率的显示等功能。2.2 DC-DC主回路拓扑开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题 12。DC/DC 变换 ：DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是
22、脉宽调制方式 Ts 不变，改变 ton(通用)，二是频率调制方式，ton 不变，改变 Ts（易产生干扰）。当今软开关技术使得 DC/DC 发生了质的飞跃，美国 VICOR 公司设计制造的多种ECI 软开关 DC/DC 变换器，其最大输出功率有 300W、600W、800W 等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（8090）。日本 NemicLambda 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列，其开关频率为（200300)kHz，功率密度已达到 27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET 代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到 90。 AC/DC
23、 变换 第 9 页 共 46 页AC/DC 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为 50/60Hz 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如 UL、CCEE 等）及 EMC 指令的限制（如 IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加 EMC 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制 AC/DC 电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决 EMC 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的
24、要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了 AC/DC 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度 6。 由题意，输出电压最小值为 30V，U in最大值为 212V，略小于 30V，能判断DC-DC 部分可做成升压模块。 方案一：采用电压型推挽方式加正激变压器方式升压。升压容易实现，但控制不好会使两个开关管占空比不一致，造成单管发烫，影响效率；或死区时间达不到要求，有烧毁开关管的危险，且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担。方案二：BOOST型DC-DC升压方式，如图1。使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较
25、为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。第 10 页 共 46 页图1 BOOST升压方案选择：根据题目要求可知，最大功率约为为70W，属于中小功率范围，可以不采用隔离变压器，故折衷考虑，采用较为简洁的方案二。图2DC-DC升压原理图BOOST型DC-DC升压原理：如图2当开关S闭合时，电源通过开关S 、电感L 给负载供电，并将部分电能储存在电感L 以及电容C 中。由于电感L 的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L 的自感作用（可以比较形象的认为电感中
26、的电流有惯性作用） ，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D,返回电感L 的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM脉冲宽度调制 ） ，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感 。二极管D 在开关断开期间，负责给电感L 提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管 。 在实际的开关电源中，开关K 由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小
27、，所以发热功率UI 就会很小。这就是开关电源效率高的原因。2.3 控制方案第 11 页 共 46 页2.3.1 DC-DC模块控制方案方案一 脉冲宽度控制 脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调治用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要
28、么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于 10Hz，通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间 9。脉冲宽度控制是指开关工作频率(即开关周期)固定的情况下直接通过改变导通时间来控制输出电压大小的一种方式。因为改变开关导通时间就是改变开关控制电压的脉冲宽度，因此又称脉冲宽度调制(PWM)控制。 方案二 脉冲频率控制 脉冲频率控制是指开关控制电压的脉冲
29、宽度不变的情况下，通过改变开关工作频率(改变单位时间的脉冲数，即改变 T)而达到控制输出电压大小的一种方式，又称脉冲频率调制(PFM)控制。PWM 控制方式因为采用了固定的开关频率，因此，设计滤波电路时就简单方便,而脉冲频率控制方式开关频率不确定，滤波电路较复杂，对硬件要求高。所以采用方案一 作为控制方法。2.3.2 反馈控制方案方案一：采用硬件反馈的方式。采样电压与基准在误差放大器中比较，产生直流电平改善输出 PWM 波的占空比以稳定输出电压，电路简单，容易实现，但由于硬件反馈灵敏，容易造成环路增益的不稳定，产生自激，输出纹波变大，效率下降。试验后发现，要想精确控制，调节困难。方案二： 采用
30、软件反馈的模式。单片机对输出电压采样，与设定电压对比后，由 DA 输出控制电平调节 PWM 波，对输出电压进行控制，还可进行电流采样，第 12 页 共 46 页实现过流保护与输出电压电流显示。此方案需要大量的软件调试，但反馈稳定，不会造成系统自激。缺点是反馈调节速度较慢。方案选择：根据题目要求，硬件反馈容易自激，可能会带来效率的下降与系统的不稳定，权衡下选用方案二。2.3.3 数字控制方案方案一：采用通用 89S52 单片机作为系统的控制核心。因为其通用性，很容易找到相关资料，使用容易，但其处理速度不够快。方案二：采用 8051 单片机，编程容易，速度快，可以轻松完成对输出电压，电流的检测，并
31、与电源管理模块搭配控制输出电压的步进，完成对系统的过流保护与重启。方案选择：从高效，稳定，简洁的角度出发，我们选用方案二。2.4 提高效率的方法方案一：对 MOSFET 采用零电压开启，关断的方式，避免开关管在硬开关条件下的过大损耗，从而大大提高效率。方案二：在电路设计时精益求精，选择合适的开关管与续流二极管等器件，注意减少电感的铜损与铁损，并注意绕制电感的方法，减小磁芯损耗。在不操作键盘的情况下，关闭 LCD 显示以节能，从细微处出发提高系统效率。方案选择：从题目及选择的 DC-DC 主回路拓扑出发，尽量做到方案一与方案二都可以采纳并运用的设计中，所以采用两种方案结合的方式提高效率。第 13
32、 页 共 46 页3 核心电路设计与参数计算3.1 主回路电路设计及参数计算主回路电路框图如图 3 所示：Uin 储能电感 L 滤波MOSFETPWM产生软件反馈 单片机VCCPWM输出图 3 主回路电路框图3.1.1 器件的选取单片机：本设计采用8051单片机，其编程容易，速度快，通用性强，可以通过与A/D转换器AD574的连接轻松完成对输出电压，电流的检测，并与电源管理模块搭配通过控制TL494固定频率脉宽调制电路完成对输出电压值的设定，完成对系统的过流保护与重启。8051单片机的详细引脚功能图4，引脚功能如下：单片机的 40-个引脚大致可分为：电源、时钟、控制和 I/O 引脚，8051
33、共有4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。P3 还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号。（1）主电源引脚 Vss 和 Vcc Vss 接地第 14 页 共 46 页 Vcc 正常操作时为+5 伏电源（2）外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2 内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚 RST/VPD，ALE/ ， 和 /Vpp RST/VPD 当振荡器
34、运行时，在此引脚上出现两个机器周器的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在 Vcc 掉电期间，此引脚可接上备用电源，由 VPD 向内部提供备用电源，以保持内部 RAM 中的数据。 ALE/ 正常操作时为 ALE 功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时木的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个 LSTTL 电路。 对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚接收编程脉冲（的动能） 外部程序存储
35、器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八 LSTTL 输入。 /Vpp 、 /Vpp 为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。第 15 页 共 46 页图4单片机8051引脚功能8051 的上电复位电路和外部时钟电路如图 5，通过外部的晶体震荡对 8051提供时钟，通过 MAX708 对 8051 进行上电复位，MAX708 是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。复位信号可由 VCC 电压、手动复位输入、或由
36、独立的比较器触发。独立的比较器可用于监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能。这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报、或电源切而考虑的。MAX708 提供 SO-8 或 TSSOP-8 的表面封装形式，有 3 种域值电平可供选择。特性：RESET 信号、/RESET 信号输出；域值值为 1.25V、用于电源失效或低电源警告的独立比较器；手动复位输入；需要 100uA 的电源电流；复位域值为：2.63V、2.93V、3.08V；在 VCC=1V 时能提供有效的 RESET 信号。第 16 页 共 46 页图5单片机8051外部时钟和上电复位电路MOSFET（金属-氧
37、化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管）：图6金氧半场效晶体管MOSFET的特点：MOSFET在数位电路上应用的另外一大优势是对直流（DC）讯号而言，MOSFET的栅极端阻抗为无限大（等效于开路），也就是理论上不会有电流从MOSFET的栅极端流向电路里的接地点，而是完全由电压控制栅极的形式。这让MOSFET和他们最主要的竞争对手BJT相较之下更为省电，而且也更易于驱动。MOSFET在导通时的通道电阻低，而截止时的电阻近乎无限大，所以适合作为类比讯号的开关（讯号的能量不会因为开关的电阻而损失太多）。MOSFET作为开第 17 页 共 46 页关时，其源极与漏极的分别和其他的应用是不太相同
38、的，因为讯号可以从MOSFET栅极以外的任一端进出。对NMOS开关而言，电压最负的一端就是源极，PMOS则正好相反，电压最正的一端是源极。MOSFET开关能传输的讯号会受到其栅极源极、栅极漏极，以及漏极到源极的电压限制，如果超过了电压的上限可能会导致MOSFET烧毁。MOSFET开关的应用范围很广，举凡需要用到取样持有电路（sample-and-hold circuits）或是截波电路（chopper circuits）的设计，例如类比数位转换器（A/D converter）或是切换电容滤波器（switch-capacitor filter）上都可以见到MOSFET开关的踪影。当NMOS用来做
39、开关时，其基极接地，栅极为控制开关的端点。当栅极电压减去源极电压超过其导通的临界电压时，此开关的状态为导通。栅极电压继续升高，则NMOS能通过的电流就更大。NMOS做开关时操作在线性区，因为源极与漏极的电压在开关为导通时会趋向一致。PMOS做开关时，其基极接至电路里电位最高的地方，通常是电源。栅极的电压比源极低、超过其临界电压时，PMOS开关会打开。MOSFET是开关电源里的核心器件，为了达到效率的要求，应尽量选取导通电阻小，漏极开关时间短的器件。储能电感：储能电感是BOOST升压拓扑的心脏，对感量，磁芯的选取都有严格的要求，设计中采用PQ3230铁氧体磁芯，PQ型具有最佳的体积与辐射表面和线
40、圈窗口面积之比。因磁芯损耗正比于磁芯体积，而散热能力正比于辐射表面，这些磁芯在给定输出功率下具有最小的温升，对提升效率大有好处，且EMI（电磁波与电子元件作用，产生干扰现象）较小。还便于绕制。第 18 页 共 46 页图7PQ3230 铁氧体磁芯固定频率脉宽调制电路TL494：控制电路以脉宽调制电路 TL494（图 8）为控制核心。其内部功能框图与基本单元电路如图 9 所示。TL494 是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应用在各种开关电源中，是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于开关电源的各种拓扑结构。图 8 TL494CN（1
41、）TL494 主要特征：具有两个完整的脉宽调制控制电路，是 PWM 芯片。两个误差放大器。一个用于反馈控制，一个可以定义为过流保护等保护控制。带 5VDC 基准电源。死区时间可以调节。输出级电流 500mA。输出控制可以用于推挽、半桥或单端控制。具备欠压封锁功能。第 19 页 共 46 页（2）TL494CN 其引脚主要功能如下：1 A 检测放大器正输入 9 驱动管 A 发射极 2 A 检测放大器负输入 10 驱动管 B 发射极 3 脉宽调制比较器输入 11 驱动管 B 集电极 4 死区时间控制 12 正电源 5 谐振电容 13 输出方式控制 6 谐振电阻 14 基准 5V 电压输出 7 地
42、15 B 检测放大器负输入 8 驱动管 A 集电极 16 B 检测放大器正输入（3）芯片内部电路包括振荡器、两个误差比较器、5VDC 基准电源、死区时间比较器、欠压封锁电路、PWM 比较器、输出电路等。振荡器提供开关电源必须的振荡控制信号，频率由外部 RT、C T决定。这两个元件接在对应端与地之间。取值范围：RT：5-100k，CT：0.001-0.1uF。振荡频率：f=1/R TCT。形成的信号为锯齿波。最大频率可以达到 500kHz。死区时间比较器：这一部分用于通过 0-4VDC 电压来调整占空比。当 4 脚预加电压抬高时，与振荡锯齿波比较的结果，将使得 D 触发器 CK 端保持高电平的时
43、间加宽。该电平同时经过反相，使输出晶体管基极为低，锁死输出。4 脚电位越高，死区时间越宽，占空比越小。由于预加了 0.12VDC，所以，限制了死区时间最小不能小于 4%，即单管工作时最大占空比 96%，推挽输出时最大占空比为 48%。（4）PWM 比较器及其调节过程：由两个误差放大器输出及 3 脚（PWM 比较输入）控制。当 3 端电压加到 3.5VDC 时，基本可以使占空比达到 0，作用和 4 脚类似。但此脚真正的作用是外接 RC 网络，用做误差放大器的相位补偿。常规情况下，在误差放大器输出抬高时，增加死区时间，缩小占空比；反之，占空比增加。作用过程和 4 脚的死区控制相同，从而实现反馈的
44、PWM 调节。0.7VDC 的电压垫高了锯齿波，使得 PWM 调节后的死区时间相对变窄。单管工作方式时，V CK直接控制输出，输出开关频率与振荡器相同。当 13 脚电位为高时，封锁被取消，触发器的 Q、Q 非 端分别控制两个输出管轮流导通，频率是单管方式的一半。第 20 页 共 46 页（5）5VDC 基准电源：这个 5VDC 基准电源用于提供芯片需要的偏置电流。如 13 脚接高电平时，及误差放大器等可以使用它。基准电源精度 5%，电流能力 10mA，温度范围 0-70 度。（6）误差放大器：两个误差放大器用于电源电压反馈和过流保护。这两个放大器以或的关系，同时接到 PWM 比较器同相输入端。
45、反馈信号比较后的输出，送 PWM 比较器，以和锯齿波比较，进行 PWM 调节。由于放大器是开环的，增益达到 95dB。加之输出点 3 被引出，使用时，设计者可以根据需要灵活使用。（7）UC 封锁电路：用于欠压封锁，当 Vcc 低于 4.9VDC，或者内部电源低于 3.5VDC 时，CK 端被钳位为高电平，从而使输出封锁，达到保护作用。（8）输出电路：输出电路有两个输出晶体管，单管电流 500mA。其工作状态由 13 脚（输出控制）来决定。当 13 脚接低电平时，通过与门封锁了 D 触发器翻转信号输出，此时两个晶体管状态由 PWM 比较器及死区时间比较器直接控制，二者完全同步，用于控制单管开关电
46、源。当然，此时两个输出也允许并联使用，以获得较大的驱动电流。当 13 脚接高电平时，D 触发器起作用，两个晶体管轮流导通，用于驱动推挽或桥式变换器。第 21 页 共 46 页振荡器双稳态触发器 1 1 1基准电压调节6541 23 1 5 1 61 471 21 01 1981 3V c cV c cR TC T死区时间控制误差放大 1 反馈 P W M比较器输入误差放大 2基准电压地死区时间比较器0 . 1 2 V0 . 7 V0 . 7 m AP W M比较器过压锁定D QQC kV T 1V T 24 . 9 V图9 TL494CN内部功能框图与基本电路图10 TL494CN应用原理图如
47、图所示本设计 fosc=40KHz, 根据有源简单低通滤波电路选取 C1，据得 fos=1.1(C1R1)T1.fosc=RC可得 R1续流二极管：第 22 页 共 46 页续流二极管的选取也比较严格，一般来说肖特基导通压降小，损耗小，是理想的选择。但是系统中如果会有高于 100V 的冲击电压出现，这样就会发生击穿，故我们选取大功率快速恢复二极管。整流二极管是一种最普通的二极管.它在正向电压时导通,反向电压时载止.所以用在直流稳压电源内用这种管子将交流电转化成直流电,即作整流之用.但要注意的是,普通整流二极管只能将低频如 50 周交流变成直流 7。但经过开关电源电路后输出的电压就要用开关二极管
48、或快速恢复二极管来整流。否则就会损坏二极管甚至其他部件。快速关断（阶跃恢复）二极管 (Step Recovary Diode) ，是一种具有 PN 结的二极管。其结构上的特点是：在 PN 结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成“自助电场” 。由于 PN 结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在 PN 结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值（反向饱和电流值） 。阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中 7。A/D转换器AD5
49、74：本设计采用8051单片机通过与A/D转换器的连接来完成对输出电压，电流的检测，转换精度是衡量转换器的基本要求，为了提高数据转换精度，常采用10位、12位或更多位的A/D转换器。A/D574是一个完整的12位逐次逼近型带三态缓冲器的A/D转换器，有高精度的数据转换能力，所以选择其对输出电压进行检测。A/D574性能特点和工作时序如下：A/D574 性能特点：A/D574 是一个完整的 12 位逐次逼近型带三态缓冲器的 A/D 转换转换器。集成了 3 个模拟量输入、6 条控制线、3 条测试/调零线和 3 条电源线，具有低噪声、低功耗、高精度、高分辨率和高采样率的优点。其性能特点表现为以下三个方面：（1）内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，非线形误差小，一次转换时间为 25 微秒，可直接与单片机借口，不需要外部时钟电路。（2）输入模拟电压即可以是单机型又可以是双机型。第 23 页 共 46 页（3）数字两的位数可以设定为 8 位，也可以设定为 12 位。其真值表如图 11 所示，根据表中数据可实现不同转换要求。图 11 A/D574 的真值表CE CSR8
