TL494逆变器之详细设计论文

- I - 摘要DC/AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成交流电能的一种变流装置，供交流负载使用。因此，逆变技术在开发和利用的领域中有着至关重要的地位。本设计则针对车载逆变电源， 系统地论述了 DC/AC车载逆变器技术的现状、 发展、制作过程及应用。其中通过采用芯片 TL494CN构成了该逆变电源的核心控制电路，以及在电路中选用了 EI33 型的高频变压器，大大降低了该逆变电源的成本及重量，逐步改善了逆变器的性能。整个电路将输入的 12V 的直流电通过二次频变转换成 220V/50Hz 的交流电后输出，并且具有输出过压保护，输入过压保护以及过热保护等功能。关键词： 逆变器， TL494CN，高频变压器- II - 目录摘要 . I 第一章 绪论 1 1.1 课题选题背景 . 1 1.2 逆变技术的现状及趋势 . 1 1.3 采用逆变技术的目的 . 1 1.4 采用逆变技术的优越性 . 2 第二章 课题有关内容的研究现状 4 2.1 逆变器主电路的基本形式 . 4 2.2 逆变电源的关键问题 . 4 2.3 车载逆变电源的现状 . 5 2.4 本章小结 . 6 第三章 车载逆变电源原理 7 3.1 车载逆变电源的介绍 . 7 3.2 主要芯片介绍 . 7 3.2.1 TL494 芯片简介 7 3.2.2 TL494 各引脚功能 9 3.2.3 TL494 工作原理 . 10 3.3 逆变电源工作原理 12 3.3.1 逆变原理部分 12 3.3.2 保护电路部分 17 3.4 本章小结 18 第四章 原理图绘制和电路板调试 . 19 4.1 PROTEL99介绍 19 4.2 原理图的绘制 19 4.3 PCB图的绘制 . 20 - III - 4.4 实物的制作及调试 21 4.5 本章小结 22 第五章 毕业设计总结 . 23 致 谢 . 24 参考文献 25 附录一 元器件参数表 . 26 附录二 封装库清单表 . 27 附录三 实物图 . 29 - 1 - 第一章 绪论1.1 课题选题背景近年来， 电子电力技术发展迅猛， 逆变电源广泛应用于日常生活， 车载系统，邮电通信等领域。现代社会中，有车族在户外需要使用的电子设备越来越多 , 例如车用 DVD、车用冰箱、手提电脑、手机充电器和各种电源适配器。在发达国家车载逆变电源是每辆车必须具备的。而在国内配备这种转换器的车辆还很少 , 加之每年汽车销售量居高不下 , 因而车载逆变电源转换器在国内将会有很大的市场前景。1.2 逆变技术的现状及趋势一般认为，逆变技术的发展可以分为如下两个阶段：1956~1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器开始出现。1980 年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以 PWM为主，体积重量小，逆变效率高。正弦波逆变技术发展日趋完善。 [1]1.3 采用逆变技术的目的采用逆变技术的目的使为了获得不同或变化形式的电能。 例如：(1) 由蓄电池中的直流电源获得交流电 如不间断电源 （ UPS） 、 应急灯电源等。(2) 由蓄电池中的直流电源获得多路稳定的直流电 如程控电话交换机的二次电源等各种通用 DC/DC变换器。(3) 获得可变频率的交流电源 如交流电动机调速变频器等。(4) 实现电能量回馈，如电动机制动再生能量回馈有源逆变系统等。(5) 使电源设备小型化，高效节能，获得更好的稳定性和调节性能，如各种类型的直流电源变换器。- 2 - (6) 利用感应涡流产生热量，如中频炉和高频感应加热（电磁灶等） 。 [2]1.4 采用逆变技术的优越性在现代逆变技术的应用领域中，许多用电设备和系统都有一个发展的过程。由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控管（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式，这不仅是因为现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的条件，更重要的还是因为采用逆变技术有很多优越性：(1) 灵活的调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路， 我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例， 从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备的工作要求来灵活的变化。(2) 将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电例如， 不间断断电源设备再电网停电时， 将蓄电池中的直流电逆变成交流电，供计算机等用电设备使用，不间断其工作，从而不会造成太大损失。(3) 明显的减少设备的体积和重量，节省材料很多用电设备中，变压器和电抗器再很大程度上决定了其体积和重量 . 对于变压器有以下公式：U=KfNSBm （ 1-1 ）式中： U―绕组电压K ―波形系数（正弦波为 4.44 ，方波为 4）F ―工作频率（ HZ）N ―绕组线圈匝数S ―变压器铁心的有效横截面积（ ㎡ ）Bm ―铁芯工作最大磁密度（ T）由（ 1-1 ）公式可知，当 U， K 和 Bm都不变时， NS与 f 成反比关系，既NS=U/ KBmf （ 1-2 ）在功率变换电路中， U一般为市电级电压，变化不会太大，各种磁性材料允许的磁通密度也不会相差太大。 但是， 如果能将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效横截面积之积就会显著减小。比如，如果 f有 50HZ增加到 50KHZ，提高 1000 倍，则 NS将会减小为原来的千分之一， ，假设N变为原来的 1/40 ， S 变为原来的 1/25 ， 可见变压器的体积和重量明显的减小了，当然也节约了制作变压器的刚材和磁性材料。- 3 - (4) 高效节能例如， 传统的、 采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在 0.5 至0. 8 之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。现代功率因数概念由式给出 :（ 1-3）式中 PF —功率因数 (Power Factor ) P —有功功率 (W) S —视在功率 (VA) U —输入电压有效值 (V) I —输入电流有效值 (A) I 1 —输入电流基波有效值 (A) φ 一输入电流基波与电压波形的相位角我们把 定义成为谐波因数，把 cosφ 叫做相位因数，这样功率因数就等于谐波因数与相位因数的乘积。 在逆变器中， 对输入电压进行全波不控整流再进行 逆 变 ， φ 很 小 ， cos φ ≈ 1， 如 果 采 用 功 率 因 数 校 正技 术 (Power Factor Corrector ， PFC )，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使 y≈ l 。这样，PF≈ 1，节能的效果也是非常明显的。(5) 动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路得工作频率高，调节周期短，使得电源设备得动态响应或者说动态特性很好。(6) 保护快由于逆变器工作频率高， 控制速度快， 对保护信号的反应也快， 从而增加了系统的可靠性。 [2]因此， 研究一种体积小、 可靠性高， 动态响应速度快的新型逆变电源在理论上和实际应用中都有着十分重要的意义。 无论是在国内还是在国际上， 对逆变电源得研究一直被人们所重视， 况且前人在这领域也已经取得了很多非常有学术价值和应用价值得研究成果。- 4 - 第二章 课题有关内容的研究现状2.1 逆变器主电路的基本形式常用逆变器主电路的基本形式有三种分类方法 : 按照相数分类，可分为单相和三相 ; 按照直流测波形和交流侧波形分类， 可分为电压源型和电流源型逆变器，按电路拓扑结构， 可以分为单端正激 (Forward) 、 单端反激 (Flyback) 、 升压 (Boost式、降压 (Buck) 式、推挽 (Pull-push) 拓扑结构、半桥 (Half-bridge) 结构、全桥(Full-bridge) 结构等。理想的逆变器， 从直流变到交流的功率总是一定值而没有脉动， 直流电压波形和电流波形中也不应该产生波动。 而在实际逆变电路中， 因为逆变器的脉动数值有限， 因而逆变功率是脉动的。 当逆变器的逆变功率的脉动波形由直流电流来体现时， 称之为电压源型逆变器， 直流电源是恒压源。 电压源型逆变器直流侧有较大的直流滤波电容。 当逆变器的逆变功率的脉动波形由直流电流来体现时， 称之为电流源型逆变器， 直流电源是恒流源。 电流源型逆变器直流侧接有较大的滤波电感。此外，控制逆变器输出量 ( 电压或电流 ) 有两种方法，一种是脉冲幅度调制PAM，其特点是保持脉冲宽度不变而改变脉冲幅值 : 另一种是脉冲宽度调制 PWM，其特点是保持脉冲幅值不变而改变脉冲宽度。 [3]2.2 逆变电源的关键问题(1) 高频变压器的稳定性：很难采购到符合自己要求的变压器。对于工业产品， 应当有一个在规定范围内通用的规范化的参数， 这对磁性元件来说是非常困难的。而表征磁性元件的大多数参数（电感量，电压，电流，处理能量，频率，匝比，漏感，损耗）对制造商是无所适从的。可综合考虑成本，体积，重量和制造的困难程度，在一定的条件下可获得较满意的结果。(2) 推挽电路中的驱动电路由于推挽结构的偏磁而无法避免偏磁现象的产生， 但可采用一些办法来减轻偏磁现象。 主要解决方法有 :1 ， 采用峰值电流控制，这是目前最有效的抑制偏磁的办法。 2，设计变压器的时候，注意初级两个绕组的对称性要良好。 [ 4]- 5 - (3) 克服或减轻偏磁主要还是从其开关管的驱动方式着手，即采用电压电流型 PWM控制。常用的控制芯片有 KA7500B, SG352, TL494 等。在 PWM逆变器中，软开关技术的研究。目的是要实现脉宽调制软开关技术，就是将软开关技术引进到 PWM逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关工作。 [ 5]2.3 车载逆变电源的现状目前市场上的车载逆变器的分类主要按输出的波形分， 主要分为两大类： 一类是方波逆变器， 另一类是正弦波逆变器。 其中纯方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生（如图 2-1 ） ，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的 40 － 60 ％， 不能带感性负载。 如所带的负载过大， 方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大， 严重时会损坏负载的电源滤波电容。 而正弦波逆变器中包括修正正弦波逆变器和纯正弦波逆变器。 其中修正正弦波逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔（如图2-1 ） ，使用效果非常不错。 [ 6]虽然纯正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载， 但技术要求和成本均比较高。 况且修正正弦波逆变器输出的电压可以满足我们绝大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。图 2-1 各种逆变器产生的波形图方波纯正弦波 修 正 正 弦波- 6 - 2.4 本章小结本章详细介绍了逆变器的主要结构形式和逆变电源遇到的关键问题， 同过对三种波形的逆变器的比较， 决定设计一个修正正弦波的逆变器。 在低成本的车载逆变器市场中方波逆变器占了很大一部分， 设计一个低成本的修正正弦波逆变器正是现在市场的主流趋势，其应用前景是非常广阔的。- 7 - 第三章 车载逆变电源原理3.1 车载逆变电源的介绍车载逆变电源可以把汽车上的 12V/24V 直流电转变成大多数电器所需要的220V交流电。 功率开关把输入的直流电压转变成脉宽调制的交流电压 , 然后利用推挽逆变器和高频变压器把交流电压升高 , 再用全波整流把交流电压转换成直流 ,最后由全桥变换器把高压直流逆变成所需交流电。 电源转换器可作为移动交流电源在车辆、 船舶上使用 , 也适合与太阳能电池配合使用 , 能够方便地为这些电器设备提供交流电。3.2 主要芯片介绍3.2.1 TL494 芯片简介图 3-1 TL494 芯片管脚图电压型脉宽调制 (PWM)控制电路 TL494CN是单片双极型线性集成电路，包含- 8 - 了脉宽调制型开关电源的所有控制部分。它内部包括有 5V 参考电源、两个误差放大器、触发器、输出控制电路、脉宽调制比较器，死区时间比较器和一个振荡器。 它的开关工作频率为 1.0 KHZ至 300KHZ,输出电压可达 40V,工作温度范围为0-70 ℃， TL494CN的封装形式为 16 线塑封双列直插式。特点：(1) 内部经过修调的 5V 基准电压源精度达到 1% (2) 未相连的输出晶体管具有 200mA的陷电流和灌电流能力(3) 输出控制以适应推挽输出和单端输出(4) 通过死区时间控制可调整占空比周期(5) 完整得 PWM控制线路(6) 片上振荡器可进行主从型工作(7) 内部控制线路可禁止双脉冲出现在任何一个输出端。功能描述：振荡器的振荡 ( 开关 ) 频率由外接的定时电阻 (RT) 和定时电容 (CT) 决定。锯齿波的幅度与误差放大器的输出电压由脉宽调制 (PWM)比较器进行比较 .PWM比较器的输出送到脉冲驱动触发器和输出控制逻辑。误差电压由误差放大器产生，误差放大器将输出电压和 5V 内部参考源之间的电压差放大。第二个误差放大器通常用来完成电流限制功能。输出控制逻辑 (13 脚 ) 用来选择输出功率管是推挽输出还是单端输出死区时间控制用来防止两个输出晶体管的通态交叠。如果死区时间控制 (4脚 ) 接地，死区时间约占总周期的 3-5%。可以用外接电阻和电容来改善误差放大器的频响。 这些外接元件通常接在补偿端 (3 脚 ) 和误差放大器的反向输入端 (2 脚或 15 脚 )) 之间。两个或更多的 TL494CN的开关频率能够进行同步 ( 主从方式 ) 。 充电电流由主片来提供，放电电流由所有的从片来完成，仅主片需要定时电阻 RT。- 9 - 3.2.2 TL494 各引脚功能图 3-2 是 TL494内部结构图图 3-2 TL494 芯片内部结构图第（ 1）脚为第一组误差放大器的同相输入端。第（ 2）脚为第一组误差放大器的反相输入端。从第（ 14）脚输出的 5V 基准电压经 R14、 R20 分压得到约 4V 的电压，与第（ 1）脚电压进行比较。由于输 +5V 电压升高时第（ 1）脚取样 , 电压成比例升高，当此电压超过 4V 时，误差放大器输出高电平，通过 IC 内部比较器控制输出 , 脉宽减小，以使 5V 电压下降，达到稳压的目的。第（ 3）脚为第一误差放大器输出的引出端。外接 C19、 C20、 C21、 R11 组成的频率校正网路，以防止放大器发生自激。第（ 4）脚为死区控制端。当 IC 工作在推挽状态时，其两组输出脉冲使两只推挽开关管依次导通和关断。 为了避免开关管的滞事效应造成瞬间导通而击穿开关管， 在脉冲的序列之间留 有一定的空隙， 称为死区。 改变第 （ 4） 脚的电压，可改变死区时间。 当第 （ 4） 脚电压大于 5V 基准电压时， 输出脉冲关断。 在 0-5V，死区时间成比例增大。基准稳压器10E2 PWM 比较器振荡器≥ 1 4 死区时间控制7GND 5CT16 同相输入14VREF6RT12Vcc 15 反相输入3 补偿 /PWM 比较输入3.5VDC D Q 死区时间比较器≥ 1 ≥ 1 & & UV 封锁4.9VDC 0.7mA 0.7V 0.12V VT1 VT2 11C2 9E1 8C1 13 输出控制1 同相输入 2 反相输入- 10 - 第（ 5）脚内部振荡电路，外接定时电容 C18，第 （ 6） 脚为外接定时电阻 R9。 此 RC 的值决定 TL494 输出脉冲的重复频率，其值为 FKHZ=1.2/R 欧姆 .C（ UF） 。按图中数据，此电源的工作频率为 30KHZ。第（ 7）脚共地端，也是供电的负极端。第（ 8） （ 11）脚为两路输出放大管的集电极。第（ 9） （ 10）脚为内部驱动放大管的发射极，接地。第（ 12）脚为供电端，其允许输入电压可达 8-40V，因此无需外部稳压器。第（ 13）脚为工作状态设定端。当第（ 13）脚为 5V 基准电压时，两路输出脉冲相差 180 度，每路输出量 200mA 的驱动电流，用于驱动推挽或半桥、桥式电路。当第（ 13）脚接地时，两路输出脉冲为同相位，为 8-40V 时，第（ 14）脚均输出 5± 0.25V 的稳定基准电压。第（ 14）脚内部基准电压源。在 IC 供电组误差放大器的反向输入端，在该电源中作为过流保护取样输入。3.2.3 TL494 工作原理芯片内部电路包括振荡器、 两个误差比较器、 5VDC基准电源、 死区时间比较器、欠压封锁电路、 PWM比较器、输出电路等。 [7]1．振荡器：提供开关电源必须的振荡控制信号， 频率由外部 RT、 CT决定。 这两个元件接在对应端与地之间。取值范围： RT： 5-100k ， CT： 0.001-0.1uF 。振荡频率： f=1/RTCT。形成的信号为锯齿波。最大频率可以达到 500kHz。2．死区时间比较器：这一部分用于通过 0-4VDC电压来调整占空比。当 4脚预加电压抬高时，与振荡锯齿波比较的结果，将使得 D触发器 CK端保持高电平的时间加宽。该电平同时经过反相，使输出晶体管基极为低，锁死输出。 4脚电位越高，死区时间越宽，占空比越小。由于预加了 0.12VDC，所以，限制了死区时间最小不能小于 4%，即单管工作时最大占空比 96%，推挽输出时最大占空比为 48%。图 3- 3给出了死区时间比较器单独作用时的工作相关波形。- 11 - 图 3-3 4 脚输出波形3． PWM比较器及其调节过程：由两个误差放大器输出及 3脚（ PWM比较输入）控制。当 3端电压加到 3.5VDC时，基本可以使占空比达到 0，作用和 4脚类似。但此脚真正的作用是外接 RC网络，用做误差放大器的相位补偿。常规情况下， 在误差放大器输出抬高时， 增加死区时间， 缩小占空比； 反之，占空比增加。 作用过程和 4脚的死区控制相同， 从而实现反馈的 PWM调节。 0.7VDC的电压垫高了锯齿波，使得 PWM调节后的死区时间相对变窄。如果把 3脚比做 4脚， 则 PWM比较器的作用波形和图 3-2 类似。 然而， 该比较器的占空比调节，要在死区时间比较器的限制范围内起作用。单管工作方式时， VCK直接控制输出，输出开关频率与振荡器相同。当 13脚电位为高时，封锁被取消，触发器的 Q、 Q非端分别控制两个输出管轮流导通，频率是单管方式的一半。4． 5VDC基准电源：这个 5VDC基准电源用于提供芯片需要的偏置电流。 如 13脚接高电平时， 及误差放大器等可以使用它。基准电源精度 5%，电流能力 10mA，温度范围 0-70度。5．误差放大器：两个误差放大器用于电源电压反馈和过流保护。这两个放大器以或的关系，同时接到 PWM比较器同相输入端。反馈信号比较后的输出，送 PWM比较器，以和锯齿波比较，进行 PWM调节。由于放大器是开环的，增益达到 95dB。加之输出点 3被引出，使用时，设计者可以根据需要灵活使用。6． UC封锁电路：t t t 4 脚电位振荡器 5 脚信号VCK 死区封锁时间VQ- 12 - 用于欠压封锁，当 Vcc低于 4.9VDC，或者内部电源低于 3.5VDC时， CK端被钳位为高电平，从而使输出封锁，达到保护作用。7．输出电路：输出电路有两个输出晶体管，单管电流 500mA。其工作状态由 13脚（输出控制）来决定。当 13脚接低电平时，通过与门封锁了 D触发器翻转信号输出，此时两个晶体管状态由 PWM比较器及死区时间比较器直接控制，二者完全同步，用于控制单管开关电源。当然，此时两个输出也允许并联使用，以获得较大的驱动电流。当 13脚接高电平时， D触发器起作用，两个晶体管轮流导通，用于驱动推挽或桥式变换器。3.3 逆变电源工作原理3.3.1 逆变原理部分主要思路是先将 12V 的直流电逆变为 220V/50KHZ的交流电 (DC/AC)， 然后利用桥式整流和电容的充电快放电慢的特性整流出 220V的直流电 (AC/DC)， 最后再逆变为 220V/50HZ交流电，由 XAC插座输出到负载上。电路图如图 3-4 。下面将把整个电路原理图按三个主要逆变部分详细说明。- 13 - 图 3-4 逆变电路原理图- 14 - (1)DC/AC 逆变电源部分图 3-5 DC/AC 部分电路图12V直流到 220V/50KHZ交流电部分由图 3-5 中 TL494CN芯片 IC1 控制晶体三极管 VT1、 VT3和场效应管 VT2、 VT4,和变压器共同完成。 IC1 的 5 脚外接电容C4 和 6 脚 外 接 电 阻 R7 为 脉 宽 调 制 器 的 定 时 元 件 ， 脉 宽 调 制 频 率 为F=1.1/(0.047*4.3)KHZ=50KHZ ，即 IC1 控制 VT1、 VT2、 VT3、 VT4工作在 50KHZ的频率。 IC1 正向输入时， IC1 内置三极管 VT1 工作在放大状态， VT2工作在截止状态， 此时 IC1 的 9 脚外围晶体二极管 VD3导通， 因此场效应管 VT2栅极电压达到一定值， VT2为饱和导通状态；当 IC1 内置三极管 VT1工作在截止状态时，IC1 的 9 脚外围晶体二极管 VD3截止， VT3基极为低电平，所以 VT3为饱和导通- 15 - 状态， VT3为饱和导通状态时， VT4因栅极无正偏压而处于截止状态，此时直流电经变压器初级线圈上半部分通过 VT2 接地，经过变压器放大形成上半周期电流。当 IC1 反向输入时，同理 IC1 控制场效应管 VT2截止、 VT4饱和导通，此时直流电经变压器初级线圈下半部分通过 VT4接地， 经过变压器放大形成下半周期电流。 因此， 经变压器初级线圈的电流相当于 12V/50KHZ的交流电， 变压器次级输出为 220V/50KHZ交流电。先将 12V 直流电逆变为 12V/50KHZ交流电的目的有2 个： 一、 这样可以将变压器做的很小很轻； 二、 人耳能听见的最高频率为 20KHZ，小于 20KHZ人耳将会听见吱吱的声音。（ 2） AC/DC逆变部分图 3-6 AC/DC 部分电路图为了满足大功率场效应管 VT6、 VT9能正常工作， 再将 220V/50KHZ交流电用桥式整流法逆变为 220V支流电，图 3-6 将完成这部分功能。此部分功能由 VD5、VD6、 VD7、 VD8， C12 共同组成桥式整流，利用电容充电快放电慢的特性整流出220V 直流电。桥式整流的工作原理是，四个整流二极管组成一个电桥，变压器次级线圈和 C12 接到电桥的两个对角线位置。当 T1 输出为正半周期时，二极管VD8和 VD5导通， VD6和 VD7截止，电流沿 VD5经 VD8指向电容 C12；当 T1 输出为负半周期时， VD8和 VD5截止， VD6和 VD7导通状态，电流沿 VD6经 VD7指向- 16 - C12， 由于 T1 输出的 2 个半周期中经过电容 C12的电流方向相同， 实现了全波整流， 再利用电容的充电快放电慢的特性， 成功将电流整流为直流 (220V 直流电 ) 。（ 3） DC/AC逆变部分图 3-7 DC/AC 部分电路图最后由 TL494CN芯片的 5 脚外接点容 C8和 6 脚外接电阻 R14决定脉宽频率为 F=1.1÷ (0.1 × 220)KHZ=50HZ控制 VT5、 VT8、 VT6、 VT9工作在 50HZ的频率下，将 220V 直流电逆变为 220V/50HZ 的交流电，图 3-7 将完成这部分功能。 TL494正向时， IC2 控制 VT5为饱和导通状态， VT8为截止状态，由于 VT5为饱和导通状态，则 VT6为饱和导通状态。由于 VT8处于截止状态， VT9因栅极无正偏压而处于截止状态，同时 VT7因栅极无正偏压而处于截止状态， VT10 为饱和导通状态。 此时 220V直流电经 VT6沿 XAC插座到负载再经 VT10接地， 形成正半周期电流；反向时， IC2 控制 VT5为截止状态， VT8为饱和导通状态，由于 VT5为截止状态，则 VT6因栅极无正偏压而处于截止状态，由于 VT8为饱和导通状态， VT9处于饱和导通状态，同时 VT10处于饱和导通状态， VT7 因栅极无正偏压而处于截止状态。此时 220V直流电经 VT9沿 XAC插座到负载再经 VT7接地，形成负半周期电流； 这样接将 220V直流电成功转变为 220V/50HZ交流电输出供负载使用。- 17 - 3.3.2 保护电路部分图 3-4 中 IC1、 IC2 采用两只 TL494CN芯片构成了该逆变电源的核心控制电路。 TL494CN是专用的双端式开关塑封结构， 工作温度范围为 0－ 70° C， 极限工作电源电压为 7－ 40V，最高工作频率为 300KHZ。TL494CN芯片内置 5V 基准源，稳压精度为 5V 5％，负载能力为 10mA，通过其 14 脚输出供外部电路使用。 TL494CN芯片还内置 2 只 NPN功率输出管，可提供 500mA的驱动能力。 TL494CN内部电路如图 3-2 所示。图 3-4 电路中 IC1 的 15 脚外围电路 R1、 C1组成上电软启动电路， 上电时电容 C1两端的电压由 0V逐步升高， 当 C1端电压达到 5V 以上时， 允许 IC1 内部的脉宽调制电路开始工作。当电源断电后， C1通过电阻 R2放电，保证下次上电时软启动电路能正常工作。IC1 的 15 脚外围电路的 R1、 R2、 Rt 组成的过热保护电路， Rt 为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在 150－ 300 欧姆范围内任选，适当选大些可提高过热保护电路启动的敏感度。IC1 的 15 脚的对地电压值 U是一个比较重要的参数，图 3-4 电路中 U＝ VCC× R2÷（ R1+R2＋ Rt） V，常温下的计算值为 U＝ 6.2V。结合图 3-2 ﹑图 3-4 可知，正常工作情况下要求 IC1 的 15 脚的电压应略高于 16 脚电压 （芯片的 14 脚相连为 5V） ，常温下 6.2V 大小正好满足要求，并略留有一定的余量。当电路工作异常的时候， MOS功率管 VT2或 VT4的温度大幅提高，热敏电阻Rt 的阻值超过 4K欧姆时， IC1 内部比较器 1 的输出将由低电平翻转为高电平，IC1 的 3 脚也随即转为高电平状态， 致使芯片内部的 PWM比较器、 或门、 或非门输出均发生翻转， IC1 内置功率管输出三极管 VT1和三极管 VT2均转为截止状态。当 IC1 内的两只功率输出管截止时，图 3-4 电路中的 VT1、 VT3将因基极为低电平而饱和导通， VT1、 VT3导通后，功率管 VT2和 VT4因栅极无正偏压而处于截止状态，逆变电源电路停止工作。IC1 的 1 脚外围电路的 DZ1、 R5、 VD1、 C2、 R6构成 12V 输入电源过压保护电路。稳压管 DZ1的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值， VD1、 C2、 R6还组成保护状态维持电路， 只要发生瞬间的输入电压过压现象， 保护电路就会启动并维持一段时间， 以确保后级功率输出管的安全。 考虑到汽车行驶过程中电瓶电压的正常变化幅度大小， 通常将稳压管 DZ1的稳压值选为 15V或者 16V较为合适。- 18 - IC1 的 3 脚外围电路的 C3、 R5 时构成上电软启动时间维持以及电路保护状态维持的关键性电路。实际上不管是电路软启动的控制还是保护电路的启动控制， 其最终结果均反映在 I 的 3 脚的电平状态上。 当电路上电或保护电路启动时，IC1 的 3 脚为高电平，对电容 C3沿 R5支路进行充电。当导致保护电路启动的诱因消失后， C3通过 R5支路进行放电，因放电所需时间较长，故电路的保护状态仍得以维持一段时间。当 IC1 的 3 脚为高电平时，将沿 R8、 VD4支路对电容 C7进行充电，同时将电容 C7两端的电压提供给 IC2 的 4 脚，使 IC2 的 4 脚保持为高电平状态。从图3-2 的芯片内部电路可知，当 4 脚为高电平时，将抬高芯片内死区时间比较器同相输入端的电位， 使该比较器输出保持为恒定高电平， 经或门、 或非门后使内置的三极管 VT1和三极管 VT2均截止。 当 IC2 内置三极管 VT1和三极管 VT2截止时，图 3-4 电路中的 VT5和 VT8处于饱和导通状态， VT5、 VT8导通后， 其后级的 MOS管 VT6和 VT9将因栅极无正偏压而都处于截止状态，逆变电源电路停止工作。IC1 的 5 脚外接电容 C4和 6 脚外接电阻 R7为脉宽调制器的定时元件， 所决定的脉宽调制频率为： F=1.1÷ (0.0047 × 4.3)kHz=50kHz. 即电路的三极管 VT1、VT2、 VT3、 VT4、变压器 T1 的工作频率均为 50KHZ左右，因此 T1 应选用 EL33型的高频铁氧体磁心变压器，变压器 T1 的作用是将 12V脉冲升压为 220V的脉冲，其初级匝数为 20× 2, 次级匝数为 380。IC2 的 5 脚外接电容 C8和 6 脚外接的电阻 R14为脉宽调制器的定时元件，所决定的脉宽调制频率为： F=L1÷ (C8× R14)=1.1 ÷ (0.1 × 220)kHz=50Hz。R29、 R30、 R27、 C11、 DZ2、组成 XAC插座 220V输出端的过压保护电路，当输出电压过高时将导致稳压管 DZ2击穿，使 IC2 的 4 脚的对地电压上升，芯片IC2 内的保护电路动作，切断输出。3.4 本章小结这一章 主要 介绍 了车 载逆 变电源 的原 理以 及在 原理 中应 用到主 要芯片TL494CN。逆变电源的主要思路是以 TL494CN为控制核心，通过二次频变，分三个步骤来实现。 其中电路保护的设计要求有点高， 是在王老师的指导下完成设计的。- 19 - 第四章 原理图绘制和电路板调试随着电子工业的发展， 新型器件尤其是集成电路的不断涌现， 电路板设计越来越复杂和精密， 手工设计越来越难以适应形势发展的需要。 计算机的普及和发展很好地解决了这个问题。 人们可以利用 CAD辅助设计软件进行辅助设计。 这些软件有一些共同的特征： 他们都能够协助用户完成电子产品线路的设计工作， 比较完善的电子线路 CAD软件至少具有自动布线的功能，更完善的还应有自动布局、逻辑检测、逻辑模拟等功能。 Protel 就是这类软件中的杰出代表。4.1 PROTEL99介绍Protel99 的一个最大的特点就是它采用了“客户 / 服务器”这样的架构。用户在设计大型系统原理图时， 可采用自上而下的模块化设计方案。 用户可以先分别对各基本块进行设计， 全部完成后再按照各个基本块之间的关系将他们再组织起来形成一个整体， 从而完成系统的整个设计过程。 相反， 用户也可以实现自下而上的设计。Protel99 的 PCB设计组件具有强大的设计自动化功能、编辑功能以及完善的库元件管理等。 它能提供交互式的全局编辑， 对象属性的修改操作同原理图一样。 PCB设计组件的设计自动化是借助于自动布线组件实现的，同时他还具备在线式的设计检查功能 （ DRC） ， 以修正违反设计规则的错误。 它同时也具备了完善的库元件管理功能， 用户可以方便地创建一个新的 PCB元件。 通过网络还可以共享更多用户库。在 Protel99 中，实现自动布线的组件是 Route 5.0 ，它主要为 PCB设计组件实现设计的自动化功能而服务。 该方法基于人工智能， 可以对 PCB版面进行优化。 [8]4.2 原理图的绘制先新建一个 DATABASE。然后在 Documents中建立 sch 文件。就可以在原理图文件中绘制原理图了。首先要在 Libraries 中添加 lib 文件。常用的 lib 在 目录下- 20 - 的 Miscellaneous Devices.ddb 文件和 Protel DOS Schematic Libraries.ddb文件中都有了。 电阻的 Filte 是 RES1， 电解电容的 Filte 是 CAPACITOR， 瓷片电容的 Filte 是 CAP， IC1， IC2 的 Filte 是 DIP— 16，可变电阻的 Filte 是 POT1，SW1的 Filte 是 SW DIP-4，稳压二级管的 Filte 是 DIODE VARACTOR，三级管的Filte 是 NPN， 发光二极管的 Filte 是 LED， 变压器的 Filte 是 T1， MOS管的 Filte是 NPN，其他没的就需要在 DATABASE中新建 lib 文件。把器件挪到图纸上， 双击它， 可以修改它的属性。 在 Desianation 中写入器件的名称，在 Part 中写入器件的数值，在 Footprint 中写入器件的封装。只要把这些元件放在合适的位置，再按照设计的电路图把器件用线连起来就可以了。最后只要加以修改，使得图纸变得美观。4.3 PCB 图的绘制在该 DATABASE中新建 PCB文件。 在 Design 栏中的 Options 选项中的 Layers页中，选中 TopLayer 和 BottomLayer ，在 Silkscreen 中选择 TopOverlay 和BottomOverlay ， 在 Other 中选择 Keepout 和 Multilayer 。 其中 Keepout 和 Mech层规定了 PCB板的电气界限和物理界限。Protel99 提供了众多的工作层， 我们需要对它们有一定的了解。 如 Signal Layer （信号层） 、 Internal Plane （内部电源 / 接地层） 、 Mechanical Layer （机械层） 、 Drill Layer （转孔层） 、 Solder Mark （阴焊层） 、 Paste Mark （防锡膏层） 、 Silkcreen （丝印层） 、 Others （其他层） 。其中 Signal Layer （信号层）由 16 个子层组成，包括 TopLayer（顶层） 、BottomLayer（底层） 、 Mid1（中间层 1） 、 Mid2（中间层 2） 、 Mid3（中间层 3） 、 , . 、Mid14（中间层 14） 。信号层中的顶层和底层主要用于放置元件和信号的走线，中间层主要用放置信号的走线。Mechanical Layer（机械层） 也有四个。 分别为 Mech1、 Mech2、 Mech3、 Mech4。他们主要用于放置有关制作和装配的信息。和绘制原理图一样，要在 Beowse PCB 的边框中选择 Libraries ，增加Library\Pcb\Generic 目 录 下 的 Advpcb.ddb 文 件 和Miscellaneous.ddb 文件。常用的封装在这里都有了。电解电容的 Footprints 是 E5-10, 瓷片电容的 Footprints 是 E5-10, 电阻的Footprints 是 0805, D2 LED的 Footprints 是 RAD 0.2, 三极管的 Footprints 是- 21 - E5-10，可变电阻 Rt 还有 CK4的封装是自己由 BNC的基础上修改的。 SW DIP-4的 Footprints 是绘制在 Topoverlay 层上的。绘制的方法也 和原理图 一样，把器 件拖到 PCB 图上后，双 击。可以在Component对话框中 Designator 中对器件命名。可以自己手动布线，也可以在原理图中生成网络表， 再由网络表产生 PCB图。 确定了物理和电气界限后就可以自动布线了。在原理图中的 Reports 中的 Bill of Material ，选择 Sheet、 Footprint 、Description 就可以生成网络表。然后在 PCB的界面下选 Design 的 Load Nets ，便可以载入网络表了。再使用 Auto Route 工具就可以自动布线了