基于TL494的开关电源智能化改造

0引言

开关电源[1]以其效率高、体积小、重量轻等优点,在通信、计算机、工业控制等领域得到了广泛应用。TL494作为一种常用的固定频率脉宽调制(PWM)电路,具有集成度高、功能全、价格低等特点,被广泛应用于各种开关电源中。然而,传统的基于TL494的开关电源大多采用模拟控制方式,存在控制精度低、灵活性差、智能化程度不高等问题,难以满足现代工业对电源的高性能要求。因此,对基于TL494的开关电源进行智能化改造,具有重要的现实意义。

1TL494开关电源工作原理

1.1TL494芯片概述

TL494是一款固定频率脉宽调制电路,采用PDIP—16或SO—16封装形式。其内部结构及引脚功能如图1、图2所示。

由图1可知,TL494内部集成了线性锯齿波振荡器、误差放大器、5 V参考基准电压源、脉宽调制器等功能模块。线性锯齿波振荡器只需外接一个电阻和一个电容即可配置,其振荡频率可通过5、6脚外接的定时电容CT和定时电阻RT(图3中的C7和R15)进行调节 ,锯齿波振荡器频率fosc可由下式确定:fosc=1.1/(RTCT)。芯片内的功率晶体管能够提供高达500 mA的驱动能力,支持推或拉两种输出方式,适用于单端正激双管式、半桥式和全桥式等多种类型的开关电源[2—4]。

1.2 开关电源基本工作原理

一般基于TL494的开关电源主要由输入整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制电路、输出整流滤波电路等部分组成[5]。其工作原理为:输入的交流电压经过整流滤波后变为直流电压,该直流电压通过功率变换电路中的开关管在PWM控制信号的驱动下,交替工作在导通和截止状态,将直流电压转换为高频脉冲电压。高频脉冲电压经过高频变压器变压后,再通过输出整流滤波电路,将其转换为稳定的直流输出电压。

在PWM控制电路中,TL494芯片的线性锯齿波振荡器产生锯齿波电压,该锯齿波电压与误差放大器输出的控制信号进行比较,从而产生PWM控制信号。当误差放大器输出的控制信号增大时,PWM控制信号的脉冲宽度减小,开关管的导通时间缩短,输出电压降低;反之,当误差放大器输出的控制信号减小时,PWM控制信号的脉冲宽度增大,开关管的导通时间延长,输出电压升高。通过这种方式,实现对输出电压的稳定控制。

该电路上电后,TL494进入工作状态,8、11脚输出相位相反的PWM信号,经外部图腾柱电路驱动隔离变压器,最终控制半桥或全桥电路的MOS管工作。

TL494的1、2脚内部运放多用于稳定电压,外接电压基准和电压取样电路,取样电路返回来的代表输出电压大小的取样电压与基准相比较,经过内部电路控制8、11脚输出的PWM信号的脉冲宽度,进而稳定输出电压;15、16脚内部运放多用于恒流控制,外接电流基准电压分压电路和电流取样电路,取样电路返回来的代表输出电流大小的取样电压与电流基准相电压进行比较,经过内部电路控制8、11脚输出的PWM信号的脉冲宽度,进而控制输出电压,输出电流随之变化,达到恒流的目的。

无论全桥还是半桥电路,输出电路一般采用如图4所示的输出电路。

图4中T1、T2轮流工作,在开关变压器初级绕组中得到宽度可调的脉冲电压,在次级两个绕组中均得到相应电压,经过D1、D2整流并经过C1、C2、C3及电感组成的滤波电路滤波后,向负载提供稳定的直流电压。一般电流取样电阻串接于输出电路的负极,如图4中的R3,当输出电流变化时,R3上的电压随之变化,得到随输出电流变化而变化的电流取样电压。

2 智能化改造的必要性与可行性分析

2.1 必要性分析

1)提高控制精度:传统模拟控制方式易受环境温度、元件参数漂移等因素影响,导致控制精度有限。智能化改造后,采用数字控制技术,可有效提高控制精度,满足对电源输出精度要求较高的应用场景的需求。2)增强灵活性:模拟控制的开关电源功能相对固定,难以根据不同的应用需求进行灵活调整。智能化改造后,可通过软件编程实现多种控制策略和功能,如恒压控制、恒流控制、过压保护、过流保护、过热保护等,提高电源的适应性和灵活性。3)实现远程监控与管理:在现代工业自动化生产中,对电源的远程监控与管理需求日益增加。智能化改造后的开关电源可通过通信接口与上位机或物联网连接,实现电源工作状态远程监测、参数远程设置、故障远程诊断等功能,提高生产效率和管理水平。

2.2 可行性分析

1)硬件技术支持:随着半导体技术的不断发展,各种高性能、低功耗的微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)等芯片大量涌现,为开关电源的智能化改造提供了硬件基础。这些芯片具有强大的运算能力和丰富的接口资源,能够实现对TL494开关电源的精确控制和智能化管理。2)软件技术发展:软件编程技术的不断进步,如C语言、汇编语言等编程语言的广泛应用,以及各种开发工具和操作系统的不断完善,使得开发智能化开关电源的软件变得更加容易。通过编写相应的软件程序,可以实现对开关电源的各种控制策略和功能,并且方便地进行软件升级和维护。3)成本可控:虽然智能化改造需要增加一些硬件和软件成本,但随着电子元器件价格的不断下降和生产规模的扩大,智能化改造的成本在可接受范围内。同时,智能化开关电源的高性能和可靠性,能够提高设备的整体性能和稳定性,降低设备的维护成本和故障率,从长期来看具有较高的性价比。

3 智能化改造方案设计

3.1硬件改造方案

为了提高改造后整机性能,本设计为改造的电源增加以下几个附加功能。

3.1.1恒流、恒压状态指示

该电路如图5所示。

该电路将CPU输出的电流基准与电流取样电压一起分压与固定基准电压进行比较,进入恒流状态运放输出“高电压”,一方面送至TL494的16脚作为电流基准,同时经过R22返回CPU,CPU根据此电压高低,判断并显示电源工作于恒流还是恒压状态。

3.1.2散热及过热保护电路

该电路以运放U2为核心,如图6所示。电路设计时,U2A同相端电压小于U2B同相端电压,R40为温度检测器件,位于功率MOS散热器上,温度正常时,其阻值较大,两个运放均由于反相端电压高于同相端电压而输出低电平,风扇不工作,D6截止,对原电路无影响;当电源温度上升时,R40阻值逐渐变小,两个运放反相端电压随之下降,当温度上升到设定温度以上时,U2A反相端电压先低于同相端电压,U2A输出高电平,经过三极管控制风扇转动,整机温度开始下降;如果风扇故障,电源温度持续上升,U2B反相端电压也低于同相端电压,U2B随之输出高电平,经过D6加于TL494的4脚,使TL494停止工作,电源无输出,直至温度下降至允许值,电源恢复正常。

3.1.3初级过流保护电路

如图7所示,该电路以检流变压器与运放为核心构成,检流变压器初级串联在电源开关变压器初级电路中,正常工作时,检流变压器输出代表初级电流的电压,经过整流滤波后,达不到初级过流保护设计值,运放输出低电平,D5截止,对电路无影响;当电源初级过流时,运放输出高电平,经过D5加于TL494的4脚,使TL494停止工作,电源无输出,电源初级电流小于设计值时,电源恢复正常。

3.1.4控制器最小系统

1)增加微控制器:本电路选用一款高性能、低成本的微控制器M51FB9AE单片机作为智能化控制的核心。该单片机具有丰富的内部资源,工作频率最高24MHz,工作电压2.4~5.5V,包括16K位元组的Flash的RAM,18个通用I/O,内部具有计时器、看门狗计时器、ADC(模拟数字转换器)、PWM(脉宽调制)输出、I2C通信接口等,能够满足对开关电源的各种控制和监测需求。将微控制器的ADC输入引脚连接到开关电源的输出电压和电流采样电路,实时采集输出电压和电流信号;将DAC输出引脚连接到TL494芯片的控制信号输入端,通过微控制器输出的PWM(脉宽调制)信号经过积分后,控制TL494的PWM输出,从而实现对开关电源输出电压和电流的精确控制。

2)通信接口电路:为实现开关电源的远程监控与管理功能,增加通信接口电路。可选择RS485、CAN等通信方式中的一种或多种。例如,采用RS485通信接口,通过MAX485芯片将微控制器的串口信号转换为RS485差分信号,实现与上位机或其他智能设备的通信。通信接口电路的设计应考虑电气隔离和抗干扰措施,以保证通信的稳定性和可靠性。

3)人机交互电路:为方便用户对开关电源进行操作和监控,设计人机交互电路,包括电压/电流调节电路、显示电路等。通过编码器,用户可实现对开关电源的开关机、参数设置等操作;显示电路可采用数码管,实时显示开关电源的工作状态、输出电压、输出电流等参数。

3.2 软件设计方案

1)主程序设计:主程序主要完成系统的初始化工作,包括微控制器的初始化、ADC初始化、DAC初始化、PWM初始化、通信接口初始化等。然后进入循环检测状态,实时采集开关电源的输出电压和电流信号,根据预设的控制策略和用户设置的参数,计算出需要输出的PWM控制信号,并通过DAC输出控制信号给TL494芯片,实现对开关电源输出的闭环控制。同时,主程序还负责处理通信数据和人机交互事件,如接收上位机的指令、更新显示内容等。

2)中断服务程序设计:为提高系统的响应速度和实时性,设计中断服务程序。主要包括ADC中断服务程序、通信中断服务程序等。当ADC完成一次采样时,触发ADC中断,在中断服务程序中读取ADC采样值,并进行数据处理和存储;当通信接口接收到数据时,触发通信中断,在中断服务程序中对接收到的数据进行解析和处理,根据指令执行相应的操作,并将处理结果返回给发送方。

经过多次完善,最终确定系统流程图如图8所示。

3)控制算法设计:在软件设计中,采用合适的控制算法是实现开关电源智能化控制的关键。常用的控制算法有比例积分微分(PID)控制算法、模糊控制算法、自适应控制算法等。例如,采用PID控制算法对开关电源的输出电压进行控制,通过调节PID控制器的比例系数(kp)、积分系数(ki)和微分系数(kd),使输出电压快速、稳定地跟踪设定值,减小输出电压的波动和误差。

4 实验验证与结果分析

4.1 实验平台搭建

根据智能化改造方案搭建实验平台,主要包括基于TL494的开关电源、微控制器最小系统板(图9)、通信接口电路、人机交互电路、负载电阻等。

首先将控制器最小系统板与改造的电源进行连接:1)准备一辅助电源,将输出的12 V连接在控制器最小系统板上。2)拆下原电源TL494的2脚外围所有元件,将控制板基准电压端与TL494的2脚连接。3)拆下原电源TL494的16脚外围所有元件,将控制板基准电压端与TL494的16脚连接。4)将控制板电流取

样端连接于原电源电流取样电阻里侧(必要时可外加取样电阻)。5)将控制板地连接在电源输出负极。

6)将电流互感器串接在电源开关变压器初级绕组中。

7)接好风扇。将改造后的开关电源连接到负载电阻上,通过微控制器对开关电源进行控制和监测,并通过通信接口将数据传输到上位机进行分析和显示。

4.2 实验内容与结果

1)输出电压精度测试:在不同的负载条件下,设置开关电源的输出电压为不同的设定值,通过上位机实时监测开关电源的输出电压。实测结果如表1、表2所示。

实验结果表明,智能化改造后的开关电源输出电压误差在±0.1 V以内,满足高精度电源的要求。

2)动态响应测试:突然改变开关电源的负载大小,观察输出电压的动态响应过程。实验结果显示,改造后的开关电源在负载突变时,输出电压能够快速稳定,动态响应时间明显缩短,具有良好的动态性能。

3)通信功能测试:通过上位机发送控制指令给开关电源,设置输出电压、查询工作状态等,验证通信功能的正确性。实验结果表明,开关电源能够准确接收并执行上位机的指令,通信稳定可靠,实现了远程监控与管理功能。

4.3 结果分析

通过实验验证,智能化改造后的基于TL494的开关电源[6]在控制精度、动态响应、通信功能等方面都有显著提升。这主要得益于微控制器的精确控制和软件算法的优化,以及通信接口电路的稳定可靠。同时,实验结果也表明,本文提出的智能化改造方案是可行的,具有一定的工程应用价值。

5结论

本文对基于TL494的开关电源进行了智能化改造,通过分析其工作原理,阐述了智能化改造的必要性和可行性,并给出了具体的硬件和软件改造方案。实验结果表明,改造后的开关电源实现了智能化控制,提高了控制精度、动态响应性能,同时增加了通信功能,满足了现代工业对电源高性能、智能化的需求。该研究成果对于开关电源的智能化发展具有一定的参考意义,未来可进一步研究和优化控制算法,提高开关电源的效率和可靠性,拓展其应用领域。

[参考文献]

[1]张纯亚,何林,章治国.开关电源技术发展综述[J].微电子学,2016,46(2):255-260.

[2]王卫东.高频电子电路[M].2版.北京:电子工业出版社,2009.

[3]韩春光.模拟电子技术与实践[M].北京:电子工业出版社,2009.

[4]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[6]吴航.开关电源的EMI滤波器设计与实现[D].成都:电子科技大学,2015.

《机电信息》2025年第15期第7篇