一種適合教學的開關電源設計及調試
引言
線性穩壓電路具有結構簡單，調整方便，輸出電壓脈動小的優點，但缺點是效率低，一般只有20％～40％，并且比較笨重。開關型穩壓電路能克服線性穩壓電源的缺點，具有效率高，一般能達到65％～90％，并且體積小，重量輕，對電網電壓要求不高，因而在實際生活中得到廣泛應用。也正因為其應用的廣泛性，相應專業的學生就更應該深刻和熟練地掌握它，在此以設計脈沖寬度調制型開關電路(PWM)為基礎，詳細解說該系統的調試過程。
1 系統設計原理
PWM型的開關電源整體框圖如圖1所示。變壓、整流、濾波模塊處理起來比較簡單，只要采用相應的變壓器、單相全波整流、電容式濾波即可實現，這里不用更多的篇幅介紹。此系統的核心模塊是方框圖中的閉合(負反饋)模塊。如果直接采用Boost型DC-DC升壓器，實現起來簡單，但輸出／輸入電壓比太大，占空比也大，而將使輸出電壓范圍變小，難以達到較高的指標，且為開環控制。對此采用Maxim公司生產的專用開關芯片TL494芯片，它采用開關脈寬調制(PWM)，效率高，外圍電路也較簡單，可以方便實現閉環控制。
1.1 TL494工作原理
TL494內部結構如圖2所示，它是一種固定頻率可自行設置，并應用脈空調制的控制電路，其中，振蕩頻率fosc=1．1／(RTCT)。具體來講，由于誤差放大器輸入口1，2(或3，4)的值不等，產生偏差，偏差送入PWM比較器與鋸齒波(鋸齒波的頻率由振蕩頻率確定，幅值是定值)比較，在偏差大于鋸齒波范圍內時，9口(或10口)輸出低電平，在偏差小于鋸齒波范圍內時，9口(或10口)輸出高電平。若偏差值越大，TL494輸出高電平的區間越小。由此可見，通過調整誤差放大器輸入口的偏差可改變占空比。
1.2 升壓變換器的工作原理
如圖3所示，通過控制開關管Q1的導通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。它的工作原理是：設開關管Q1由信號VG控制，當VG為高電平時，Q1導通，反之，Q1關斷。當Q1導通時，電感兩端電壓VL=Vi，電感儲能增加，同時負載由電容供電。當Q1斷開時，因電感L上的電流不能突變，故電感電流iL向電容和負載供電，電感上儲存的能量傳遞到電容、負載側。此時，iL減小，L上的感應電動勢VL<0，所以Vo>Vi。由此，當Q1導通的時間越長(即占空比越大)，電感上儲存的能量越多，Vo也越大。
2 系統總體設計
基于前面的分析，設計的系統接線圖如圖3所示。
誤差放大器的反相端2口輸入給定值(可用單片機實現，限于篇幅，不做介紹)，用來控制輸出電壓；同相端1口輸入／輸出電壓的反饋電壓，形成閉環控制。當輸出電壓高于期望值時，反饋輸入1口的電壓升高，誤差放大器的輸出增加，占空比減小；當輸出電壓減小時，基本可以做到與期望值相等，從而維持輸出電壓的穩定。若想增大輸出，可升高2口的電壓。控制過程如下：原系統穩定，當升高2口電壓，1口電壓瞬時不變，誤差放大器輸出減小，占空比變大，電壓升高。若想減小輸出，可降低2口的電壓。
3 系統調試
在確定上述總體設計后，采用分模塊的調試方法進行電路調試。
3.1 TL494性能測試
按圖4接線，測試2口的輸入電壓(誤差放大器反相端2口采用基準電壓輸入)，改變1口的輸入電壓，觀察9，3口的輸出波形。由實驗可以得到：TL494的基準電壓是3．5 V；輸出波形為PWM波；誤差放大器工作在非線性區，只有當輸入(1，2)口的偏差在零到幾十個毫伏之間時，PWM才是可調的；改變1口的電壓，可改變PWM的占空比。
3.2 升壓變換器的工作性能測試
按圖5接線，給1口加入使開關管達到飽和的方波信號：
(1)改變方波信號的占空比和方波信號的頻率；
(2)給輸出端加上負載。
由實驗可以得到，改變占空比，可以改變輸出電壓的大小;加上負載，電壓降低，但通過調節占空比，可使電壓升高；方波信號的頻率越大，改變占空比，調節輸出電壓的范圍越小。
3.3 聯調
在上述兩步都能得到準確信息之后，將兩模塊進行聯調，見圖4。若無誤，即可實現輸出端穩定的電壓輸出，且可通過改變2口的給定值實現在一定范圍內(升壓)改變輸出電壓。具體范圍與所選擇電感、電容和系統工作的頻率有關，限于篇幅，這里不做介紹。
3.4 加入MOSFET(IRF640)驅動
完成上述電路后，接下來要考慮系統的性能指標，除上述電容、電感、工作頻率的參數外，性能指標的優越還與MOSFET有關。為此，在TL494的9口和IRF9540開關管之間加入驅動電路IR2111，如圖6所示。
4 結語
按上述步驟進行系統設計，不僅電路簡單，可以比較深刻地掌握TL494的工作原理、開關電源的工作原理、負反饋的工作原理等，而且查找電路錯誤也比較方便。對于該電路的性能指標測試，由于元器件的參數不同，指標略有不同，但基本上各參數的指標都較高，如DC-DC變換器的效率可達85％以上。
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