基于TL494太阳能降压充电电路设计

【摘要】介绍了太阳能充电电路的原理与工作特性，分析了基于Tl494芯片的降压型电路，设计了降压型充电电路，并制作了实物。该方案电路简单，可靠性高，转换效率高，可用于多种常用电器的充电。

【关键词】太阳能;光伏发电;降压电路;TL494

引言

随着社会经济的发展和人口的增加，世界各国对传统能源的开发步伐也越来越大，传统能源变得越来越紧缺和昂贵，新能源，特别是可再生能源有着广阔的发展前景。近年来，太阳能光伏发电已经在越来越多的场合得到了应用。由于太阳能有着取之不尽，用之不竭的优点，并且绿色环保。世界各国均在太阳能技术研究开发投入极大的科技力量，从而在未来的发展更有优势。

太阳能光伏发电充电器是一种利用太阳能作为能源，通过光伏电池转换为电能，并进一步通过直流斩波电路变为目标电器设备所需的电压。其结构如图1所示。其实太阳能电池板在阳光的照射下可以产生20V左右的电压，降压电路把20V的电压变为12V以下电压，在输出端有反馈电路将输出电压信号与给定电压进行比较，并通过控制回路实现电压的自动控制。这样的降压充电电路结构简单、成本较低，因此这种降压充电电路具有良好的市场前景。

图1 太阳能光伏发电充电电路结构

1.降压斩波电路的工作特性

降压斩波电路是基本的直流变换器之一。目前的大部分太阳能光伏发电变换器输出电压一般在20V左右，而普通电子设备输入电压一般为12V以内，输出电压小于输入电压，因此关于降压型斩波变换电路研究非常重要。

图2是降压拓扑的电路图。电路中的开关管MOS1采用MOSFET;二极管D1起续流作用，在MOS1关断时为电感L1电流提供续流通路;L1为能量传递电感，C1为滤波电容，R1为负载;VDC1为输入直流电源。

图2 降压拓扑电路图

当开关管导通时，电源向电感充电，电感电压左正右负;而负载电压上正下负，此时在R与L之间的二极管由于承受反偏电压而截止。电感充电电流为线性上升。另外，开关管截止时电容向负载放电，由于电容已经被充电且容量很大，所以负载电压基本保持恒定值。在开关管关断时，储能电感两端电势极性变成左负右正，二极管转为正偏，电感与电源一起为电容充电，同时向负载提供能量。

当电感电流连续时，根据电感充放电时吸收和释放的能量守恒，有：

（1）

进行变化可得输入输出电压关系，D为占空比。可以看出输出电压与输入电压和占空比成简单比例比例关系，可以通过调节输入电压或占空比来控制输出电压的打小。

（2）

而电感电流不连续电时输出电压会升高，这时输出电压与输入电压并不符合（2）式，这种情况必须重新设计电路与调整参数。本文电路设计为电流连续工作模式。

2.TL494集成电路主要特征

TL494集成电路是一种固定频率脉冲宽度调制（PWM）电路，它包含了开关电源电路自动控制所需的大多数功能，广泛应用于降压电路、升压电路以及隔离型开关电源电路。TL494有SO-16和PDIP-16两种常用的封装形式，以适应不同场合的要求。TL494内部电路如图3所示。TL494内置线性锯齿波振荡器和误差放大器，并且自带5V参考基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0-70℃温度范围50mV温漂下，该基准电压源能提供±5%的精确度。输出由功率晶体管提供推拉两种输出方式，可提供500mA的驱动能力。

图3 TL494内部结构图

TL494内置了线性锯齿波振荡器，其工作频率通过外置振荡元件（一个电阻和一个电容）来调整。其振荡频率如下：

（3）

3.基于TL494降压电路设计

图4是一个为工作电压5V的电子设备设计的电路图。太阳能光伏电池板得到的开路电压为20V左右，必须进行降压才能供电。而工作过程中太阳能光伏电池板的电压会发生变化，因此必须设计控制回路。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽输出的脉冲宽度。两个误差放大器具有从较大的共模输入范围，通过回馈电压与基准电压进行比较，从而调整占空比，进而得到稳定的输出电压。

在降压电路工作模式下，为获得更大的驱动电流输出，将Q1和Q2并联使用，这时，将输出控制模式脚接地以停止双稳态触发器的工作。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。若误差放大器的输出端口处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲控制的双稳态触发器进行计时，同时停止输出驱动管的工作。

图4 输出5V的降压电路图

图5 输出电压与电感电流仿真波形

图6 实际电路

图7 TL494锯齿波

4.仿真与电路制作

仿真软件为电力电子的专用软件PSIM，输入电压为20V，输出为5V，采用了图2的电路结构，设置开关频率为21kHz，负载为10欧姆的电阻。电感工作于连续模式，仿真结果如图5所示。

实际电路根据图4进行制作，为获得更大的输出功率，采用了两块太阳能电池板进行了并联。如图6所示。

图8 开关管驱动电压波形

图7为TL494锯齿波，其工作频率即为开关管的开关频率。图8为开关管的驱动电压波形，可以看出，开关管严格工作于开关状态。

5.结论

分析仿真和实验结果可以看到，虽然太阳能电池板的输入电压不是恒定值，但是通过电路的自动调节占空比，输出电压相当稳定。此外，开关管工作于开关状态，本身耗能非常小，因此太阳能电池板所获得的大部分能量可以转换为电能供给负载。通过对实际电路进行测试分析，电路长时间工作稳定，无过热现象，可以适合多种电子设备。

参考文献

[1]翟佳洁.太阳能路灯控制硬件电路设计[J].绿色科技，2014（2）.

[2]何朝阳，戴军，吴丽琴.太阳能路灯控制器的设计[J].电子技术，2006（12）.

[3]崔容强，赵春江，吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].化学工业出版社，2007-7.

[4]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理[M].化学工业出版社，2009-3.

[5]罗玉峰，陈裕先，李玲.太阳能光伏发电技术[M].江西高校出版社，2009-6.

[6]MOTOROLA TL494 Datasheet 1996.

基金项目：广东省教育部产学研结合项目 （项目编号：2012B091100042）。

作者简介：

罗如山（1980—），男，讲师，主要从事电气工程及其自动化专业的教学和科研工作，研究方向：电机与电器，电力电子。

刘美（1967—），女，广东石油化工学院自动化系教授，硕士生导师，主要从事自动化专业的教学和科研工作，研究方向：控制理论与控制工程。

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