雙管正激小功率電源設計

本文介紹一款基于固定頻率脈寬調制控制芯片TL494的30W電源，分析了該電路的結構，給出了具體的電路設計和實(shí)驗波形。通過(guò)實(shí)驗樣機測試表明，該電路實(shí)用可靠，工作穩定。

正激變換由于拓撲簡(jiǎn)單，升/降壓范圍寬，廣泛應用于中小功率電源變換場(chǎng)合。正激變換器的輸出功率不象反激變換器那樣受變壓器儲能的限制，因此輸出功率較反激變換器大，但是正激變換器的開(kāi)關(guān)管電壓應力高，為兩倍輸入電壓，有時(shí)甚至超過(guò)兩倍輸入電壓。過(guò)高的開(kāi)關(guān)管電壓應力成為限制正激變換器容量繼續增加的一個(gè)關(guān)鍵因素。驅動(dòng)芯片TL494是一種價(jià)格便宜、驅動(dòng)能力強、死區時(shí)間可控，同時(shí)帶有兩個(gè)誤差放大器，當負載變化時(shí)來(lái)進(jìn)行電壓和電流反饋PI調節，這樣進(jìn)一步加強了電源的穩定性。

1 雙管正激變換器電路

雙管正激變換器電路如圖1所示。

該主電路拓撲結構有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)克服了單端正激變換器中開(kāi)關(guān)電壓應力高的缺點(diǎn)。
(2)不需要采用特殊的磁通復位技術(shù)，避免復雜的去磁繞組的設計和減少高頻變壓器的體積，使電路變得簡(jiǎn)潔，也不需要加RCD來(lái)進(jìn)行復磁箝位，并能對電源進(jìn)行饋電，提高了效率。
(3)與全橋變換器和半橋變換器相比，每一個(gè)橋臂都是由一個(gè)二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的問(wèn)題，可靠性高。

2 PWM驅動(dòng)芯片TL494的特點(diǎn)

TL494是典型的固定頻率脈寬調制控制集成電路，它包含了控制開(kāi)關(guān)電源所需的全部功能，可作為雙管正激式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源的控制系統。它的工作頻率為1~300kHz，輸入電壓達40V，輸出電流為200mA，其內部原理圖如圖2所示。

TL494內部設置了線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率f =1.1/(RC)，它可由兩個(gè)外接元件R和C來(lái)調節(分別接6腳和5腳)。TL494內設兩個(gè)誤差放大器，可構成電壓反饋調節器和電流反饋調節器，分別控制輸出電壓的穩定和輸出過(guò)流的保護；設置了5V 1%的電壓基準(14腳)，它的死區時(shí)間調節輸出形式可單端，也可以雙端，一般是作為雙端輸出類(lèi)型的脈寬調制PWM，TL494作為一種PWM控制芯片有如下特點(diǎn)：

(1)控制信號由IC外部輸入，一路送到死區時(shí)間控制端，一路送到兩路誤差放大器輸入端，又稱(chēng)PWM比較器輸入端。
(2)死區時(shí)間控制比較器具有120mV有效輸入補償電壓，它限制最小輸出死區時(shí)間近似等于鋸齒波周期時(shí)間的4%。在死區時(shí)間控制端，設置固定電壓時(shí)(范圍0~0.3V)就能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區時(shí)間。
(3)在輸出控制13腳接地時(shí)，這將使最大占空系數為已知輸出的96%，而在輸出控制13腳接參考電平時(shí)，占空比則是給定輸出的48%。
(4)脈寬調制比較器、誤差放大器能調節輸出脈寬。

圖4是對直流側輸出的電壓進(jìn)行采樣， 其中光耦選擇至關(guān)重要。我們選用TLP521， 內部是兩只光耦集成在一個(gè)芯片中， 其傳輸特性幾乎完全一致， 根據電流相等的原理， 這樣就能夠實(shí)現高精度的直流高壓隔離采樣。

由電路圖可知輸入輸出比：

當反饋電壓3腳從0.5V~ 3.5V時(shí)，輸出脈寬從被死區時(shí)間控制輸入端確定的最大導通時(shí)間里下降到零。

3 電源電路

3.1 電源主電路

從圖3可以看出，電路結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，并在MOSFET橋臂增加了霍爾傳感器，以保證輸出反饋電流環(huán)的要求。為了增加電路的通用性，設計的電路板增加了雙路輸出的功能，只要改變變壓器的設計，即可以完成多路輸出。當兩個(gè)主功率開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，原邊繞組的電壓極性相反，使另外一橋臂的兩個(gè)二極管導通，電壓被箝位在輸入電壓值。因此開(kāi)關(guān)管承受的電壓與輸入電壓相同。在輸入電壓最大值低于350V時(shí)，開(kāi)關(guān)管只需要選擇450V的耐壓值即可。這里我們選用N溝道MOSFET，IRF830(4.5A/500V)。

3.2 直流側電壓采樣

只要合理選擇電阻的參數值，就可以把高壓側的輸出電壓降為需要的采樣電壓值。

3.3 流過(guò)主電路開(kāi)關(guān)管的電流采樣

圖5中4R1接主電路上的霍爾傳感器，有效地避免因變壓器原邊電流過(guò)流而可能出現燒壞主電路功率開(kāi)關(guān)管的現象。為此，必須對流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)管的脈沖電流大小進(jìn)行采樣。當發(fā)生過(guò)流時(shí)，系統應能夠快速反應做出相應的保護措施。流過(guò)MOFET脈沖電流經(jīng)開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器轉換為電壓信號，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RC濾波和同相比例放大器得到需要的電流采樣值。

3.4 主控制電路

主控芯片電路如圖6。TL494的13腳接到高電平，運行在推挽輸出模式。10腳作為驅動(dòng)信號輸出接口，驅動(dòng)電流可達500mA。4腳外圍電路是軟啟動(dòng)部分。由于TL494內部放大器15、16、3腳組成的放大器構成了過(guò)流保護電路，一旦檢測到電流過(guò)流，則3腳輸出高電平封閉了1、2、3腳組成的放大器。同時(shí)，使得PWM輸出占空比減少，保證主電路開(kāi)關(guān)管的安全。

反饋電壓的PI調節部分的LM324內部的一個(gè)放大器組成的電壓閉環(huán)。TL494的1、2、3腳組成的內部放大器構成了電流閉環(huán)。當輸出電壓偏高時(shí)，經(jīng)過(guò)了電壓閉環(huán)電路后，ULOOP變小，經(jīng)過(guò)了電流閉環(huán)后，FB端口電壓變大，輸出PWM脈寬變小，輸出電壓調低。當變壓器原邊電流增大時(shí)，經(jīng)過(guò)了電流閉環(huán)后，FB端口電壓變大，輸出PWM脈寬變小，電流值減小，可見(jiàn)構成的雙環(huán)系統可以穩定的運行。

3.5 MOSFET驅動(dòng)電路

主電路的兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管要求同時(shí)開(kāi)通，同時(shí)關(guān)閉。主控芯片TL494發(fā)出的控制信號，要一分為二來(lái)驅動(dòng)MOSFET。驅動(dòng)信號經(jīng)過(guò)推挽電路，再經(jīng)過(guò)脈沖變壓器可以很方便的得到一對同相位的控制信號。

4 試驗波形

通過(guò)調壓器在供電電源端輸入110V的交流電壓，使得系統穩定的工作在30V、1A的負載下，觀(guān)察TL494電源芯片輸出的驅動(dòng)信號波形、MOSFET開(kāi)關(guān)管Ugs、Uds、負載正常工作時(shí)的波形、以及突然加載、突然掉載情況，其試驗波形如圖7。

5 結束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源最重要的兩個(gè)部分就是DC-DC變換器和控制電路。文中通過(guò)樣機測試表明，該電路實(shí)用可靠，工作穩定。其不足之處是在提倡環(huán)保技術(shù)的今天，沒(méi)有進(jìn)行PFC和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)設計。