大功率可调开关电源

！

题目： 可调稳压器

大功率可调开关电源

指导老师：陈德胜

队员及年级：罗国颖 徐业 刘胜玥 张军光 王凤华 李飞（2007级） 学校及院系：陕西理工学院物理系

摘要

本系统稳压与限流部分均用TL494控制，系统层次简洁明了，电路结构简单且所采用电子元件均是常用的，市场上均有销售，使电路实现更具有可行性。本系统电压可调范围0—33V，电流可调范围0—5A，最大输出功率120W，整机效率63.99%。主要适用于对输出电流和输出功率要求大，但对电压调整率和负载调整率不是很高的电子设备。由于采用了开关式控制，为了提高效率,调整管就要用高频开关管。又因为输出电流要求大，所以我们采用复合的方式。经过考虑，我们采用了IRFP9240高频开关场效应管和2SC3320高频开关三极管复合而成。在实际设计过程中，可调电压部分我们采用了LM317作为可调基准与TL494内部的误差放大器构成误差放大环节；可调电流部分，我们利用TL494内部的控制比较放大器和其内部基准电压组成误差放大环节，电路简单而性能优越。在输出电压和电流显示方面，我们采用高精度数字表头；在散热方面我们采用风扇和金属散热板辅助。 一、0V~+33V稳压电源 1、方案选择

（1）串联式稳压电源方式

我们首先想到的是用三端可调稳压器先提供稳定电压和小电流，再经过三极管扩流方式达到大功率输出。且集成可调稳压器具备了各种保护功能，所以外围电路就可简化。但由于本系统要求输出电压范围较大，电流也大，这种方式的输出电流与流过集成可调稳压器电流相同，当输入与输出压差太大时，集成可调稳压器的发热量也相当大，也降低了效率。若选此种方案，应考虑采用换档切换调压方式，以减少输入与输出电压差。但这样未免增加了系统的复杂性，效率同样难以达到理想效果。

（2）开关电源方式

这种方式的电源效率高，但一般纹波较大。而我们要求的重点是高效率，所以根据实际情况，综上后，我们决定采用了方案（2）。经过此选择，开关控制方式采用PWM，而控制IC采用TL494。

电路结构图如下图所示

(电路结构图)

2、分析与计算 电路图如下图所示

(电路图)

本电路由核心芯片TL494作控制的单端PWM降压型开关稳压电路。TL494 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。电路图中R7与C3决定开关电源的开关频率。电阻R12为限流保护电阻，其上的压降接入控制比较放大器的同相输入端，控制比较放大器的反相输入端通过5.1K电阻接到片内基准，然后再通过RP1和RP2两电位器接地。其片内误差放大器的反相输入端（2脚）接可调三端稳压器的输出端（2脚），其同相输入端(1脚)直接接输出电压的正极输出端。

（TL494内部结构示意图）

工作原理：在恒定频率的PWM通断中，控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压UCON与锯齿波信号相比较而产生的。控制电压则是通过偏差获得的。锯齿波的峰值固定不变的，其重复频率就是开关的通断频率。在PWM控制中，这一频率保持不变，本电路频率为f

1.1ct.Rt



1.1

100010

12

3210

3

35KHz。当锯齿波电压大于控制信号期间才会

被选通，否则开关处于关断状态。当后级反馈电压高于LM317可调基准（0~33V）时，片

内误差放大器输出电压增加，将导致TL494内T1和T2管导通时间减小，使输出电压下降到与基准电压基本相等，从而维持输出电压稳定，反之亦然。可调稳流部分的原理与其相同。

（1）整流滤波电路

我们采用可承受大电流和耐高压冲击的BR104的桥堆进行桥式整流，整流后经LC滤波网输出，其中电感是用可承受大电流环型电感，电感量为760uH，电容采用63v/10000uF的电解电容，这种滤波方式的特点是可抑制整流管的冲击电流，R1的作用是释放电容与电感所存储的能量，以保护桥堆和调整管。

整流滤波后v10=1.2×40v=48v。电源v20是TL494和LM317的专用电源；功率要求低，但稳定度要求高，故V2整流滤波后经LM317稳压输出，况且LM317具有各种保护功能，为其提供一个良好而安全的电源环境，也简化了外围电路。 （2）采样电阻计算

因为V2整流滤波后为42v，而v20要求为38v，又v201.25×

R2v201.25

180381.25

R3R2

，即

R3

==5.4K

而实测R3取4.87K比较接近。

对于可调基准，其输出电压最高要求为33v，则 33v≈则算得

RP3RP4≈4.4k

但经过实测RP3=500，RP4=2K已可满足条件。这可能是由于电子元件的参数漂移引起的。

由于LM317的最低输出电压为1.25v，所以为了使基准能调到0v，设当RP3RP4=0时，串入一个电阻Rx，使得LM317输出电压为5v，即

5v≈

RxR9

R10RP3RP4

R9

1.25，令R10=360，R9=180，

·1.25，解得:Rx=720，

但经实测Rx取360已可满足。然后用一个负端5v三端稳压管（7905）串在LM317的1脚，即可抵消，使LM317输出为0v。

（3）调整管参数的计算

I。=5A，则要求Ice>5A，设推动管Q1的 =3，则I=

I



1.7A，而TL494内部驱

动管最大电流为500mA（并联后），因此考虑用一个大功率高频开关场效应管与其复合。Q2的VGS（th）=－10v，IDS=－12A，R4为Q2的偏置电阻，R6为限流电阻。令R6=150，则算得R4=47。所以，此时对于R4上的功率:

P1=

UR4R4

2

≈2.8w

R6上的功率:

P2≈

UR6R6

2

≈10.0w

'

又最大占空比为5000，所以R4采用p1>p1=1.4W，R6采用p'2>p2=5W的电阻。

(4) 储能电感和回路二极管

储能电感用可承受大电流的铁氧体高频环型电感；回路二极管要用大功率硝特基高频二极管。注意问题：Q1、Q2开关管和回路二极管都应加装散热片，纹波抑制方面，我们在稳压电源输出端并上大电容（10000uF）,经过实测，在大功率输出时纹波果然得到有效的抑制。 数字电压、电流表头要另外用独立电源供电，否则表头工作不正常甚至烧坏。 二：限流电源

基本思想是把反馈信号和TL494内部基准电压比较通过其内部控制比较放大器把差值放大后去控制电流使其恒定。其中R12为限流电阻，取其为0.5/5W，限定最大电流为5A，满载时，VR12=0.1×5=0.5V，则在控制比较放大器反相输入端的基准电压

V'=

RP2RP1R8RP1RP2

×5V，

'

令R8=5.1K，V=0.5V，解得RP1+RP2600，所以取粗调为500，微调为100。

三：测试方法与过程 ⑴ 输出电压范围测试

调节RP3与RP4，用数字万用表测出两端的输出电压最小值为0V，最大值为36.6V。 ⑵ 最大电流测试

将输出电压调至30V，输出端短路，测得最大输出电流为6.35A。 ⑶ 电压调整率测试

将调压变压器输出端稳压电源输入端，将稳压电源输出电压调至33V，调节调压变压器，使其输出从165V至265V，用数字万用表测量稳压电源输出端电压，测得最大电压变化量为0.05V，计算得电压调整率为0.15%。 ⑷ 负载调整率测试

空载时将输出电压调至30V，在负载端接入300/200W的变阻器，将变阻器从8调至100，用数字万用表监视输出电压的变化，测得最大电压变化量0.4V，因此负载调整率为1.33%。 ⑸ 纹波电压测试

将电压输出调至30V，外接8大功率变阻器，将示波器置于AC/0.1V输入档，测得负载上纹波电压为150mV。

⑹ 效率测试

将电压输出调至30V，外接8/200W变阻器，测得交流输入电压为235V，输入电流为0.75A，输出电压为29.6V输出电流是3.81A，所以整机效率=（29.6×3.81）/（235×0.75）×100%63.99%。

⑺ 过流保护功能测试（限流）

将电压调至30V，限流电位器旋到最大值（顺时针方向），再将输出端短路，测得电流6.35A，然后逆时针旋转，电流从最大到零。说明限流功能正常。

四、经验总结： 通过这次比赛，我们更觉团队合作的重要性，队员们都充分发挥自己的特长。市场调查、资料收集、电路设计与制作、外观设计等。各施其职，有条不紊。在实际制作过程中我们也发现了自己还有许多的不足。理论分析的很透彻了，但实际制作中还是遇到了很多问题，很多应用知识都不是很了解，经常遇到这样那样的问题，有时为了解决一个小问题，更是通宵达旦不知疲倦地工作。这次比赛我们收获很大，不但知识层面上有所提高了，团队合作能力也提高了许多。

附录

:

这是本作品的正面操作面板示意图。a旋钮为输出电压的粗调，b旋钮是输出电压的微

调；c旋钮是输出电流的粗调，d旋钮是输出电流的微调；K是电源开关，中间的是USB电源输出端，最右边的是电源输出端口。

附件1

附件2