降压型直流开关稳压电源张文亮

降压型直流开关稳压电源张文亮

张文亮

(中北大学朔州校区)

摘要:本作品通过TL494主控芯片产生PWM调制信号，利用高精度、高效率的TL494芯片完成常用DC-DC电能的转换，并且做到输出端电压可调、稳定行好，电源效率高，纹波范围小。输入端加入了同步整流技术，使用IR2104驱动主电路的MOSFET管进行工作，提高了电源的利用率。前级采用了推挽拓扑，高效地为后级提供稳定的直流电压。采用OP07芯片进行负载识别，电路设计简单。过流保护采用STC12C5A60S单片机采用程序控制，精度高功耗小。

关键词：BUC；同步整流；DC-DC变换；TL494

一、前言

本题目要求完成输出电压为5V，输出电流为3A的直流电且电压输出保持不变的BUCK电源。电路采用较为简单的BUCK拓扑结构和同步整流技术，同时还加入STC12C5A60S最小系统进行过流保护和OP07放大器进行负载识别。经过一段时间的研究制作，已完成题目的大部分要求，较好的实现了既定功能。

二、总体方案设计

2.1控制电路

方案一：以同步降压控制器LM5117P作为电路控制核心，Buck电路为主拓扑结构，将输入、输出电压分别进行滤波之后，降压输出，其中芯片连接过流保护电路，输出电压通过采样电路反馈调节占空比进行稳压。

方案二：以STC12C5A60S2单片机结合BUCK电路，多次采集电压值，进行ADC转换，实时调整占空比，控制开关管的通断调节电压实现目的。

方案三：TL494控制的同步整流Buck电路。通过全脉宽调制芯片TL494调制输出固定频率PWM波，由驱动IR2104放大后输出高端和低端两路PWM波交替导通两个MOS管经储能电感充放电实现降压。

综合考虑，方案三电路设计简单，整体电路效率较高并且可以进行单模块测试，且TL494自带稳压功能，操作方便，具有良好的稳定性。同时具备DC5V基准电源、死区时间可调、两个高精度误差比较器（方便设计稳压及过流）等特征

2.2滤波方案

方案一：RC滤波与LC滤波主要由无源元件电阻、电容、电感组成。可用于大电流电路本身消耗较低的电路中的效率同时可以提高功率因素。且在电路中设计简单，总体质量较轻。

方案二：采用EMI滤波电路滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时也起到减少开关电源本身对外界的电磁干扰。实际上它是利电感和电容的特性，将高频干扰杂波滤除，低频可以通过，而高频则被滤除。

方案三：通过高频滤波电容及磁珠组合减小纹波和噪声，高频滤波电容滤除纹波，磁珠减小噪声。

考虑到题目对纹波的要求，以及电路的效率，最后选择方案三。该方案组合简单，更符合题目要求，能保证效率。

2.3过流保护

方案一：采用MAX471电流检查电路进行电流检测，结合集成电路TL431，控制继电器的接通与关断，实现过流保护。

方案二：单片机程序控制实现过流保护。取样电阻两端电压检测放大输出给单片机。由单片机与设定的门阀值大小进行比较，若高于设定电压，输出低电平给IR2104的3脚控制矩形波停止输出，使MOS管关断。

相对程序控制的过流保护具有良好的性能且可以轻松达到题目中的过流保护的要求，并且可以改善效率在本题目中体现出很高的优越性。所以，综合题目要求和现实意义，选择使用单片机控制的过流保护效果更好。

2.4负载识别

采用UPSOp07芯片进行负载识别，两个OP07供电构成运放电路。第一个OP07通过调整电压放大倍数让负载阻值以输出电压形式体现，第二个OP07运放，电压放大倍数为-1，调整输出电压方向。

三、各单元模块功能介绍及电路设计

3.1DC-DC变化主电路

3.1.1

电源输入16V主电路供电，通过TL494调制从9、10脚输出相应的PWM波，经驱动IR2104放大，交替导通主BUCK电路中的两个MOSFET实现降压。再将输出电压通过反馈电阻分压反馈至TL494内部比较器进行比较，从而调节PWM波占空比来调整输出电压，实现稳压输出。

3.1.2稳压原理

TL494的{2}脚经与基准电压+5V相连,维持较好的稳定电压,而{1}脚则与取样电阻、与+5V、+12V相连接,正常的情况下,{1}脚电平与{2}脚电平相等或略高.当输出电压升高时(无论+5V或+12V),{1}脚电平高于{2}脚电平,c比较器输出误差电压与锯齿波振荡脉冲在PWM比较器b进行比较使输出脉冲宽度变窄,输出电压回落到标准值,反之则促使振荡脉冲宽度增加,输出电压回升.由于494内的放大器增益很高,故稳压精度很好.从稳压的原理,我们可以得到电源输出电压偏高或偏低的维修方法.如果输出电压偏低,可在494的{1}脚对地并联电阻,或是把电阻增大.要是电源的输出偏高,则可在{2}脚对地并联电阻,也可以用增大R或取下R来降低输出电压.

3.1.4主要电路元件的计算

定值电阻RT的计算

较高频率的应用体积小，但损耗也高。我们选定频率为小尺寸和高效率之间的合理折中方案，计算开关频率以及开关频率下RT的值：

输出电感L0的选取

已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压，代入公式计算：

电流检测电阻RS的选取

考虑到误差和纹波电流，最大输出电流应高于所需输出电流的20%至50%。电流检测电阻值可以用公式计算：

输出电容C0的选取

输出电容器可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源。具有最大ESR的输出纹波电压的基本元件近似值：

过流保护电路中检流电阻的选取

IN282进行检测电流，最大增益为50倍，共模抑制比较高，选择外接20的电阻完成精准测试。只需由于单片机最高可输入信号的最大电压为3.3V，且降压电路输出电流最大为3.2A，采用0.02欧电阻进行电流取样。

四、系统调试

4.1调试方法：

边安装边调试。把一个总电路按框图上的功能分成若干单元模块电路，分别进行安装和调试，在完成各单元格的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整体调试。对于新设计的电路，此方法既便于调试，又可及时发现和解决问题。

调试内容：

(1)通电前检查

整体制作完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源，信号线，元器件引脚之间有无短路，期间有无接错。

(2)通电检查

接入电源观察电路中各部分器件有无异常现象，如果出现异常现象，应立即关掉电源，待排除故障后方可重新通电。

(3)单元电路调试

在调试单元电路时应明确本单元的工作要求，按工作要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整体联调准备条件。电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试要求。

(4)整体联调

各单元电路调试完成后就为整体调试打下了基础，整体联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。

五、设计总结

5.1小结

我们采用TL494主控芯片产生单极性pwm正弦脉宽调制信号调制信号，利用电路的高精度，高效率完成了常用的5V3A直流电的输出。在设计与制作过程中遇到的难点就是对后级变化的纹波的滤波方法以及如何提高整个电路的效率。最后我们通过优良的焊接技术以及在官网学习的滤波方法同时实现了这两个性能指标。