TL494+LM393+7805 組成的 ATX 電源電路設(shè)計(jì)方案

1. 概述

ATX 電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制設(shè)備，其核心功能是提供穩(wěn)定的多路輸出電壓（+12V、+5V、+3.3V 等）。本文將基于 TL494、LM393 和 7805 設(shè)計(jì)一款 ATX 電源電路，并詳細(xì)分析各元器件的作用、選擇依據(jù)及功能實(shí)現(xiàn)。

2. 方案概述

本方案的特點(diǎn)：

1. TL494 作為 PWM 控制器，實(shí)現(xiàn)電源的開關(guān)調(diào)節(jié)功能。

2. LM393 作為電壓比較器，實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓保護(hù)以及電流檢測功能。

3. 7805 作為線性穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定的 +5V 供電，主要用于 MCU 或邏輯電路的工作電壓。

4. 設(shè)計(jì)包含輸入整流、功率變換、反饋調(diào)節(jié)和保護(hù)電路，確保電源的穩(wěn)定性和安全性。

3. 主要元器件選擇

3.1 TL494 PWM 控制器

TL494 是一款經(jīng)典的 PWM 控制芯片，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源設(shè)計(jì)。

選擇 TL494 的理由：

• 內(nèi)部集成兩個(gè)誤差放大器、PWM 比較器、振蕩器和參考電壓源，功能完整

• 工作頻率可調(diào)，適用于不同功率等級的開關(guān)電源

• 具有死區(qū)控制功能，可優(yōu)化開關(guān)管的驅(qū)動信號，減少功耗

在電路中的作用：

• 產(chǎn)生 PWM 驅(qū)動信號，控制功率 MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷

• 通過反饋調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能

3.2 LM393 電壓比較器

LM393 是一款雙通道低功耗電壓比較器，主要用于電壓檢測和保護(hù)。

選擇 LM393 的理由：

• 低功耗設(shè)計(jì)，適合長期運(yùn)行

• 具備開漏輸出，可用于驅(qū)動 LED 指示或控制繼電器

• 響應(yīng)速度快，能夠快速檢測異常情況

在電路中的作用：

• 檢測輸出電壓是否過壓或欠壓，確保電源穩(wěn)定性

• 作為過流保護(hù)電路的一部分，檢測負(fù)載電流變化

3.3 7805 線性穩(wěn)壓器

7805 是一款常見的 5V 線性穩(wěn)壓器，可提供穩(wěn)定的 5V 輸出。

選擇 7805 的理由：

• 電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)

• 輸出電壓精度高，紋波小，適用于 MCU 和邏輯電路供電

• 具有過熱保護(hù)和短路保護(hù)，提高電源可靠性

在電路中的作用：

• 供電 ATX 電源內(nèi)部的控制電路，包括 TL494 和 LM393

• 供電外部負(fù)載，如風(fēng)扇、電源指示燈等

4. 電路框圖

電路框圖包括以下部分：

• 輸入整流與濾波：AC-DC 轉(zhuǎn)換，提供穩(wěn)定的直流輸入

• PWM 控制部分（TL494）：控制功率 MOSFET，調(diào)節(jié)輸出電壓

• 電壓檢測與保護(hù)（LM393）：監(jiān)測輸出電壓，提供保護(hù)功能

• 線性穩(wěn)壓部分（7805）：為低壓控制電路供電

以下是該 ATX 電源電路的框圖：

A detailed block diagram of an ATX power supply circuit using TL494, LM393, and 7805. The diagram should include the following labeled blocks: AC input, rectifier and filter, PWM control (TL494), voltage comparator (LM393), linear regulator (7805), and output voltage rails (+12V, +5V, +3.3V). Indicate feedback loops and protection mechanisms.

5. 詳細(xì)電路設(shè)計(jì)

以下是各部分的詳細(xì)電路設(shè)計(jì)，包括關(guān)鍵元器件的參數(shù)選擇和工作原理。

5.1 輸入整流與濾波

輸入采用 220V AC 經(jīng)過橋式整流和電容濾波，得到穩(wěn)定的 DC 供電電壓。

元器件選型：

• 整流橋：GBU806（8A 600V），保證足夠的電流承載能力

• 濾波電容：2× 470uF/400V 電解電容，減少電壓紋波

5.2 PWM 控制與功率變換

TL494 產(chǎn)生 PWM 信號驅(qū)動功率 MOSFET，實(shí)現(xiàn) DC-DC 變換。

元器件選型：

• PWM 控制芯片：TL494

• MOSFET：IRF3205（55V 110A），低導(dǎo)通電阻，降低損耗

• 變壓器：EE42 變壓器，適用于 200W 級開關(guān)電源

• 續(xù)流二極管：MUR860（8A 600V 快恢復(fù)二極管），降低開關(guān)損耗

5.3 反饋調(diào)節(jié)與保護(hù)

LM393 監(jiān)測輸出電壓，并在異常時(shí)觸發(fā)保護(hù)。

元器件選型：

• 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)：精度 1% 電阻，提高電壓檢測精度

• 光耦反饋：PC817，隔離 TL494 和高壓部分

5.4 線性穩(wěn)壓與輔助供電

7805 負(fù)責(zé)提供 5V 低壓供電。

元器件選型：

• 穩(wěn)壓芯片：7805（TO-220 封裝），帶散熱片

• 輸入電容：470uF/35V

• 輸出電容：100uF/10V

6. 電路工作原理解析

6.1 TL494 PWM 控制工作原理

TL494 作為本設(shè)計(jì)的核心，負(fù)責(zé)產(chǎn)生 PWM 信號來驅(qū)動功率開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓功能。其工作流程如下：

1. 內(nèi)部振蕩器設(shè)定開關(guān)頻率：

• TL494 內(nèi)部振蕩器通過外部電阻（RT）和電容（CT）設(shè)定振蕩頻率。

• 計(jì)算公式：$$f = frac{1.1}{RT imes CT}$$f=RT×CT1.1

• 例如，選擇 RT = 10kΩ，CT = 10nF，則工作頻率約為 10kHz。

2. 誤差放大器調(diào)節(jié)占空比：

• TL494 內(nèi)部有兩個(gè)誤差放大器（EA1、EA2），用于比較輸出電壓與參考電壓，并調(diào)節(jié) PWM 占空比。

• 當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，占空比減小，降低功率傳輸；當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，占空比增大，提高功率傳輸。

3. PWM 信號驅(qū)動功率 MOSFET：

• 通過外部推挽驅(qū)動級，TL494 輸出的 PWM 信號控制 IRF3205 MOSFET 的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn) DC-DC 轉(zhuǎn)換。

• 由于 TL494 輸出電流較小（最大 200mA），通常需要額外的驅(qū)動級，如使用 NPN+PNP 組成的推動電路。

4. 反饋控制與穩(wěn)壓：

• 輸出電壓通過分壓電阻反饋到 TL494 的誤差放大器輸入端，使系統(tǒng)維持穩(wěn)定的電壓輸出。

• 采用光耦 PC817 進(jìn)行反饋，提高電路的隔離性和安全性。

6.2 LM393 過壓/欠壓保護(hù)原理

LM393 作為雙通道電壓比較器，可用于檢測輸出電壓，并在異常情況下觸發(fā)保護(hù)。

1. 過壓保護(hù)（OVP）

• 設(shè)定參考電壓 Vref，例如 12V 電壓輸出，設(shè)定過壓閾值 13V。

• 當(dāng)輸出電壓 > 13V 時(shí)，LM393 輸出低電平，觸發(fā)關(guān)斷信號，停止 TL494 工作。

• 保護(hù)電路通常通過三極管或 MOSFET 實(shí)現(xiàn)切斷電源。

2. 欠壓保護(hù)（UVP）

• 設(shè)定欠壓閾值 10.5V。

• 當(dāng)輸出電壓 < 10.5V 時(shí)，LM393 輸出低電平，通知 TL494 停止工作，防止電源損壞。

3. 電流檢測

• 在電源輸出端串聯(lián)一個(gè)低阻值電流檢測電阻（如 0.01Ω），檢測負(fù)載電流。

• 當(dāng)負(fù)載電流超出設(shè)定值（如 15A），LM393 觸發(fā)保護(hù)，關(guān)斷 MOSFET，防止過流損壞電源。

6.3 7805 低壓供電工作原理

7805 線性穩(wěn)壓器提供 +5V 電壓，為控制電路和外部負(fù)載供電。其工作方式如下：

1. 輸入端接入 +12V 電壓，輸出穩(wěn)定的 +5V

• 通過內(nèi)部穩(wěn)壓電路，將輸入電壓降至 5V。

• 需要配備散熱片，防止長時(shí)間工作時(shí)過熱。

2. 濾波電容的選擇

• 輸入端采用 470μF/35V 電容，減少高頻紋波。

• 輸出端采用 100μF/10V 電容，提高穩(wěn)定性并減少噪聲。

7. 詳細(xì)電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

7.1 TL494 振蕩頻率計(jì)算

TL494 的 PWM 頻率由 RT 和 CT 設(shè)定，其計(jì)算公式如下：

$$f = frac{1.1}{RT imes CT}$$f=RT×CT1.1

選用 RT = 10kΩ，CT = 10nF，則：

$$f = frac{1.1}{10kΩ imes 10nF} = 11kHz$$f=10kΩ×10nF1.1=11kHz

通常 ATX 電源的工作頻率在 20kHz~50kHz，可調(diào)整 RT 和 CT 以優(yōu)化效率。

7.2 MOSFET 選型及散熱計(jì)算

• 選用 IRF3205（55V 110A），其 Rds(on) = 8mΩ，開關(guān)速度快。

• 假設(shè)工作電流 10A，導(dǎo)通損耗：$$P_{MOS} = I^2 imes R_{ds(on)} = 10^2 imes 8mΩ = 0.8W$$PMOS=I2×Rds(on)=102×8mΩ=0.8W

• 采用散熱片，確保 MOSFET 溫度低于 80°C。

7.3 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

• 采用 EE42 變壓器，匝數(shù)比按 12V 輸出設(shè)計(jì)：$$N_{pri} : N_{sec} = V_{in} : V_{out} = 300V : 12V = 25:1$$Npri:Nsec=Vin:Vout=300V:12V=25:1

• 選用 0.3mm 漆包線繞制初級，0.8mm 線繞制次級，提高電流承載能力。

8. 設(shè)計(jì)優(yōu)化與調(diào)試

8.1 PCB 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 功率走線盡量加寬，減少電阻損耗。

• 信號地與功率地分開，防止高頻干擾影響控制電路。

• 濾波電容靠近負(fù)載放置，減少電壓波動。

8.2 效率優(yōu)化

• 提高開關(guān)頻率：在 50kHz 附近優(yōu)化效率，同時(shí)控制 EMI 干擾。

• 使用低損耗整流二極管：如采用肖特基二極管 MBR20100，提高效率。

• 采用同步整流：可以使用 MOSFET 代替二極管，減少功率損耗。

8.3 故障調(diào)試方法

• 無輸出電壓：檢查 TL494 是否工作，MOSFET 是否導(dǎo)通。

• 輸出電壓過高/過低：調(diào)整 TL494 誤差放大器的反饋電阻值。

• 電源過熱：增加散熱片或降低 PWM 頻率減少開關(guān)損耗。

9. 方案總結(jié)

本設(shè)計(jì)方案基于 TL494、LM393 和 7805，實(shí)現(xiàn)了一款高效的 ATX 開關(guān)電源。

• TL494 負(fù)責(zé) PWM 控制，精確調(diào)節(jié)輸出電壓。

• LM393 監(jiān)測電壓和電流，提供過壓、欠壓和過流保護(hù)。

• 7805 提供穩(wěn)定 5V，為控制電路供電。

本電源適用于 200W 級負(fù)載，可用于計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等場合。通過優(yōu)化 PCB 布局、提高功率器件效率，可以進(jìn)一步提升性能。

后續(xù)可以增加 PFC（功率因數(shù)校正）和更高效的同步整流技術(shù)，進(jìn)一步提升電源效率，降低功耗。