基于TL494太陽(yáng)能降壓充電電路設(shè)計(jì)

【摘要】介紹了太陽(yáng)能充電電路的原理與工作特性，分析了基于Tl494芯片的降壓型電路，設(shè)計(jì)了降壓型充電電路，并制作了實(shí)物。該方案電路簡(jiǎn)單，可靠性高，轉(zhuǎn)換效率高，可用于多種常用電器的充電。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能;光伏發(fā)電;降壓電路;TL494

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，世界各國(guó)對(duì)傳統(tǒng)能源的開(kāi)發(fā)步伐也越來(lái)越大，傳統(tǒng)能源變得越來(lái)越緊缺和昂貴，新能源，特別是可再生能源有著廣闊的發(fā)展前景。近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)在越來(lái)越多的場(chǎng)合得到了應(yīng)用。由于太陽(yáng)能有著取之不盡，用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，并且綠色環(huán)保。世界各國(guó)均在太陽(yáng)能技術(shù)研究開(kāi)發(fā)投入極大的科技力量，從而在未來(lái)的發(fā)展更有優(yōu)勢(shì)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電充電器是一種利用太陽(yáng)能作為能源，通過(guò)光伏電池轉(zhuǎn)換為電能，并進(jìn)一步通過(guò)直流斬波電路變?yōu)槟繕?biāo)電器設(shè)備所需的電壓。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其實(shí)太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光的照射下可以產(chǎn)生20V左右的電壓，降壓電路把20V的電壓變?yōu)?2V以下電壓，在輸出端有反饋電路將輸出電壓信號(hào)與給定電壓進(jìn)行比較，并通過(guò)控制回路實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)控制。這樣的降壓充電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，因此這種降壓充電電路具有良好的市場(chǎng)前景。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電充電電路結(jié)構(gòu)

1.降壓斬波電路的工作特性

降壓斬波電路是基本的直流變換器之一。目前的大部分太陽(yáng)能光伏發(fā)電變換器輸出電壓一般在20V左右，而普通電子設(shè)備輸入電壓一般為12V以內(nèi)，輸出電壓小于輸入電壓，因此關(guān)于降壓型斬波變換電路研究非常重要。

圖2是降壓拓?fù)涞碾娐穲D。電路中的開(kāi)關(guān)管MOS1采用MOSFET;二極管D1起續(xù)流作用，在MOS1關(guān)斷時(shí)為電感L1電流提供續(xù)流通路;L1為能量傳遞電感，C1為濾波電容，R1為負(fù)載;VDC1為輸入直流電源。

圖2 降壓拓?fù)潆娐穲D

當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源向電感充電，電感電壓左正右負(fù);而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時(shí)在R與L之間的二極管由于承受反偏電壓而截止。電感充電電流為線性上升。另外，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)電容向負(fù)載放電，由于電容已經(jīng)被充電且容量很大，所以負(fù)載電壓基本保持恒定值。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能電感兩端電勢(shì)極性變成左負(fù)右正，二極管轉(zhuǎn)為正偏，電感與電源一起為電容充電，同時(shí)向負(fù)載提供能量。

當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)，根據(jù)電感充放電時(shí)吸收和釋放的能量守恒，有：

（1）

進(jìn)行變化可得輸入輸出電壓關(guān)系，D為占空比。可以看出輸出電壓與輸入電壓和占空比成簡(jiǎn)單比例比例關(guān)系，可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓或占空比來(lái)控制輸出電壓的打小。

（2）

而電感電流不連續(xù)電時(shí)輸出電壓會(huì)升高，這時(shí)輸出電壓與輸入電壓并不符合（2）式，這種情況必須重新設(shè)計(jì)電路與調(diào)整參數(shù)。本文電路設(shè)計(jì)為電流連續(xù)工作模式。

2.TL494集成電路主要特征

TL494集成電路是一種固定頻率脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源電路自動(dòng)控制所需的大多數(shù)功能，廣泛應(yīng)用于降壓電路、升壓電路以及隔離型開(kāi)關(guān)電源電路。TL494有SO-16和PDIP-16兩種常用的封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。TL494內(nèi)部電路如圖3所示。TL494內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器和誤差放大器，并且自帶5V參考基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的0-70℃溫度范圍50mV溫漂下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。輸出由功率晶體管提供推拉兩種輸出方式，可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，其工作頻率通過(guò)外置振蕩元件（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）來(lái)調(diào)整。其振蕩頻率如下：

（3）

3.基于TL494降壓電路設(shè)計(jì)

圖4是一個(gè)為工作電壓5V的電子設(shè)備設(shè)計(jì)的電路圖。太陽(yáng)能光伏電池板得到的開(kāi)路電壓為20V左右，必須進(jìn)行降壓才能供電。而工作過(guò)程中太陽(yáng)能光伏電池板的電壓會(huì)發(fā)生變化，因此必須設(shè)計(jì)控制回路。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬輸出的脈沖寬度。兩個(gè)誤差放大器具有從較大的共模輸入范圍，通過(guò)回饋電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而調(diào)整占空比，進(jìn)而得到穩(wěn)定的輸出電壓。

在降壓電路工作模式下，為獲得更大的驅(qū)動(dòng)電流輸出，將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，將輸出控制模式腳接地以停止雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。若誤差放大器的輸出端口處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)管的工作。

圖4 輸出5V的降壓電路圖

圖5 輸出電壓與電感電流仿真波形

圖6 實(shí)際電路

圖7 TL494鋸齒波

4.仿真與電路制作

仿真軟件為電力電子的專(zhuān)用軟件PSIM，輸入電壓為20V，輸出為5V，采用了圖2的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為21kHz，負(fù)載為10歐姆的電阻。電感工作于連續(xù)模式，仿真結(jié)果如圖5所示。

實(shí)際電路根據(jù)圖4進(jìn)行制作，為獲得更大的輸出功率，采用了兩塊太陽(yáng)能電池板進(jìn)行了并聯(lián)。如圖6所示。

圖8 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖7為T(mén)L494鋸齒波，其工作頻率即為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率。圖8為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，可以看出，開(kāi)關(guān)管?chē)?yán)格工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

5.結(jié)論

分析仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，雖然太陽(yáng)能電池板的輸入電壓不是恒定值，但是通過(guò)電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，輸出電壓相當(dāng)穩(wěn)定。此外，開(kāi)關(guān)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身耗能非常小，因此太陽(yáng)能電池板所獲得的大部分能量可以轉(zhuǎn)換為電能供給負(fù)載。通過(guò)對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行測(cè)試分析，電路長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象，可以適合多種電子設(shè)備。

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[6]MOTOROLA TL494 Datasheet 1996.

基金項(xiàng)目：廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目 （項(xiàng)目編號(hào)：2012B091100042）。

作者簡(jiǎn)介：

羅如山（1980—），男，講師，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和科研工作，研究方向：電機(jī)與電器，電力電子。

劉美（1967—），女，廣東石油化工學(xué)院自動(dòng)化系教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和科研工作，研究方向：控制理論與控制工程。