基于tl494的可調(diào)恒流源電路

現(xiàn)代電子設(shè)備中使用的直流穩(wěn)壓電源有兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。所謂線性穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)定性能好、輸出電壓紋波小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管的功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的需要。開關(guān)電源相對于線性電源具有效率、體積、重量等方面的優(yōu)勢，尤其是隨著脈寬調(diào)制技術(shù)和諧振變換技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，高頻開關(guān)電源正變得更輕，更小，效率更高，也更可靠，這使得高頻開關(guān)電源成為了應(yīng)用最廣泛的電源。

恒流源的設(shè)計(jì)思想

開關(guān)電源設(shè)計(jì)總是先進(jìn)行總體考慮，然后對電源各部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，接下來就是設(shè)計(jì)總體和輔助功能，最后進(jìn)行測試和設(shè)計(jì)優(yōu)化的。

開關(guān)電源是由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續(xù)流與濾波電路、保護(hù)電路、反饋電路、控制電路以及功率開關(guān)組成的。輸入整流濾波電路其作用是把電網(wǎng)存在雜波過濾，也是通過整流得到輸出所需要的直流電壓。高頻變壓器是開關(guān)電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件之一，在電路回路中起到電器隔離、變壓、儲能、變流或者是變阻等作用的。而輸出整流續(xù)流與濾波電路是通過整流續(xù)流功能得到輸出所需要直流電流，當(dāng)然還要通過濾波器把多余雜波給濾掉。反饋電路可以是電壓反饋，也可以是電流反饋，它是通過輸出端取樣的電流電壓值與控制器基準(zhǔn)電流電壓值相比較，起到反饋傳遞作用。控制器是通過反饋電路的信息在調(diào)整電路電流電壓的輸出的，輸出電流盡可能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。而功率開關(guān)管是由控制器PWM控制它的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)脈沖寬度從而也實(shí)現(xiàn)占空比大小調(diào)節(jié)的。

恒流和恒壓的關(guān)系十分密切，兩者相輔相成并可互相轉(zhuǎn)化。恒流源和恒壓源在電路上的差別反應(yīng)在兩者的采樣電路采集的對象不一樣。恒壓源為了保持輸出電壓的恒定，需要實(shí)時(shí)對輸出電壓跟蹤、控制，在負(fù)載變化的情況下使輸出電壓不隨負(fù)載的變化而變化，而恒流源是指在負(fù)載變化的情況下，控制器能根據(jù)負(fù)載的變化相應(yīng)調(diào)整輸出電壓.保持輸出電流不變，恒流源采樣電路采集的是輸出的電流信號，但實(shí)際上采集的是經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后反應(yīng)電流大小的電壓信號。

開關(guān)恒流源的工作原理

1、交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

2、通過高頻PWM信號控制開關(guān)管，將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級上;

3、開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;

4、輸出部分通過電流采樣電路反饋給控制電路，可以通過采樣電阻RS將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過PWM控制芯片調(diào)節(jié)占空比，以調(diào)節(jié)其輸出電壓，從而達(dá)到恒流的目的。RS可以用康銅絲。由于電流采樣電阻是在驅(qū)動回路之中，防止由噪聲引起的誤動作，在電流信號輸入端可以采用適當(dāng)?shù)腞C濾波器。

控制電路的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的功率主電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、輸出整流濾波電路組成。主電路的設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，并結(jié)合電路參數(shù)的計(jì)算，設(shè)計(jì)出合理的方案。由于篇幅原因，本文主要描述選用TLL494芯片的控制電路設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)脈寬控制芯片選用TLL494芯片。TL494是美國德克薩斯儀器公司開發(fā)的一款高性能固定頻率的電壓驅(qū)動型PWM脈寬調(diào)制控制電路，具有功能完善、工作性能穩(wěn)定、驅(qū)動能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它包含了控制開關(guān)電源所需的全部功能，可作為單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源的控制器。TL494廣泛于1000W以下的大功率開關(guān)電源中，它既可以驅(qū)動150W以下的單端式開關(guān)電源，也可以驅(qū)動300~1000W的橋式和半橋式電路?，F(xiàn)結(jié)合電路的工作特點(diǎn)，通過對電路要點(diǎn)的剖析，來闡述基于TL494芯片PWM控制電路檢測的方法和技巧。

TL494的電路結(jié)構(gòu)

TL494是有16引腳雙列直插式塑料封裝集成芯片，集成了全部的脈寬調(diào)制電路，內(nèi)置+5V參考基準(zhǔn)電壓源、欠壓保護(hù)電路、線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件一個(gè)電阻RT和一個(gè)電容CT、脈寬調(diào)制比較器、死區(qū)時(shí)間比較器、觸發(fā)器、兩個(gè)誤差放大器以及輸出控制器等電路組成。具有其工作頻率可在1~300kHz之間任選且輸出電壓高達(dá)40V，輸出電流為250mA。輸出方式有推拉或單端兩種。

TL494的工作原理

TL494的工作原理可簡述為：當(dāng)TL494的引腳5與引腳6接上電容與電阻后，集成在其內(nèi)部的振蕩器便使引腳5所接電容恒流充電和快速放電，在電容CT上形成鋸齒波，該鋸齒波同時(shí)加給死區(qū)時(shí)間控制比較器和PWM比較器，死區(qū)時(shí)間控制比較器按引腳4的引腳所設(shè)定的電平高低輸出相應(yīng)寬度的脈沖信號;另一方面在2#誤差放大器輸出的保護(hù)信號無效(為高電平時(shí))，比較器根據(jù)1#誤差放大器輸出的調(diào)節(jié)信號(或引腳3直接輸入的電平信號)與鋸齒波比較在輸出形成相應(yīng)的脈沖波，該脈沖波與死區(qū)時(shí)間控制比較器輸出的脈沖相或后，一方面提供給觸發(fā)器作為時(shí)間信號，同時(shí)提供給輸出控制或非門，觸發(fā)器按CK端的時(shí)鐘信號，在與端輸出相位互差π的PWM脈沖信號，若引腳13為高電平，則內(nèi)部的兩個(gè)與門輸出的PWM脈沖信號，給信號經(jīng)輸出兩個(gè)或非門與前述的信號或非后有輸出功率放大的開關(guān)晶體管放大后輸出;相反，當(dāng)引腳13為低電平時(shí)，兩個(gè)與門輸出恒為低電平，所以兩個(gè)或非門輸出相同的脈沖信號。若用TL494的誤差放大器作保護(hù)比較器，保護(hù)動作時(shí)引腳3被置為恒低電平，TL494兩路均輸出低電平。

由于兩個(gè)電容連接點(diǎn)的電位是隨V1、V2導(dǎo)通情況而浮動的，所以能夠自動的平衡每個(gè)晶體管開關(guān)的伏秒值。在變壓器原邊線圈中加一個(gè)串聯(lián)電容C3，則當(dāng)浮動不滿足要求時(shí)，與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被次電容濾掉，這樣在晶體管導(dǎo)通期間，就會平衡電壓的伏秒值，達(dá)到消除偏磁的目的。

從半橋電路結(jié)構(gòu)上看，選用橋臂上的兩個(gè)電容C1、C2時(shí)，需要考慮電容的均壓問題，盡量選用C1=C2的電容。一般情況下，還要在兩個(gè)電容兩端各并聯(lián)一個(gè)電阻(原理圖中的R1和R2)并且R1=R2進(jìn)一步滿足要求。電阻上流過的電流應(yīng)比電容器的漏電流大5倍以上來選擇電阻，以避免漏電流偏差影響均壓，此時(shí)在選擇阻值和功率時(shí)需要注意降額。

(1)振蕩電路

當(dāng)TL494的12腳VCC直流電源端和7腳直流地形成供電回路，5腳CT端外接電容C;6腳RT端外接電阻R這樣TL494就會產(chǎn)生振蕩，并可在5腳得到一個(gè)頻率為f=1.1/RC的鋸齒波振蕩電壓。其振蕩頻率由外接RC決定;改變R或C值可得到所需頻率值。并通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)對輸出脈沖的寬度的控制。

(2)死區(qū)電壓比較控制電路

由振蕩電路產(chǎn)生的鋸齒波振蕩電壓送到IC內(nèi)部電壓比較1的同相端，與輸入到電壓比較器1反相端的死區(qū)電平控制信號VB，設(shè)置該死區(qū)控制信號的目的是防止當(dāng)從誤差放大器或控制放大器輸出的VA信號過小，以至于出現(xiàn)V1變成幅度為電源電壓的直流高電平。該VB信號經(jīng)IC的4腳送至電壓比較1#的反相端。死區(qū)電壓比較控制電路具有0.12V的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%。當(dāng)輸出控制端3接地，最大輸出占空比為96%，接參考電壓時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端IC的4腳接上固定電壓即范圍在0.4~3.3V之間時(shí)，能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。IC的4腳電位越高，死區(qū)時(shí)間越寬，占空比越小。

(3)PWM比較控制電路

由誤差放大器和控制放大器的所輸出的兩路控制信號經(jīng)過門控電路后產(chǎn)生一個(gè)控制信號VA，并將控制信號VA送到電壓比較器2#的反相端與由鋸齒波振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波振蕩電壓進(jìn)行比較。根據(jù)電壓比較器的工作原理：當(dāng)送到電壓比較器的同相端的電位高于它的反相端電位時(shí)，就能在電壓比較器的輸出端得到高電平輸出。反之輸出端輸出低電平。通過調(diào)控誤差放大器和控制放大器的工作狀態(tài)來改變3端VA控制電平的大小，VA控制信號電平越大，則輸出PWM脈沖寬度越窄，反之變寬。(4)供電與基準(zhǔn)電源電路

TL494電源供電端12腳其允許輸入電壓可達(dá)7~40V。因TL494內(nèi)置一個(gè)5.0V的基準(zhǔn)電壓源，因此無需外部穩(wěn)壓器;使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流。該基準(zhǔn)電源能提供±5%的精確度。14腳為5V基準(zhǔn)電源端，并作為電路過流保護(hù)取樣輸入。(5)輸出控制電路

輸出電路在TL494芯片內(nèi)置2只NPN功率輸出管，可提供500mA的驅(qū)動能力。輸出電路工作狀態(tài)由13腳來控制，當(dāng)為低電平時(shí)兩個(gè)功率輸出管狀態(tài)由PWM比較控制器和死區(qū)電壓比較器直接控制，兩功率輸出管同相控制;當(dāng)13腳為高電平時(shí)，一般是直接取至5V基準(zhǔn)電壓，TL494內(nèi)部D觸發(fā)器控制兩功率輸出管，并交替導(dǎo)通，去驅(qū)動推挽或橋式變換器。

TL494的引腳定義

(1)1與2腳分別為誤差放大器1#的同相輸入端和反相輸入端，耐壓值41V。(2)3腳為腳為控制比較放大器和誤差比較放大器的公共輸出端，輸出時(shí)表現(xiàn)為或輸出控制特性，也就是就在兩個(gè)放大器中，輸出幅度大者起作用。當(dāng)3腳的電平變高時(shí)，TL494送出的驅(qū)動脈沖寬度變窄;當(dāng)3腳電平低時(shí)，驅(qū)動脈沖寬度變寬。同時(shí)在2、15腳間接入RC頻率校正電路和直流負(fù)反饋電路，穩(wěn)定誤差放大器的增益以及防止其高頻自激。3腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實(shí)現(xiàn)高電平保護(hù)。

(3)4腳為死區(qū)時(shí)間控制端，通過給該端施加0～3.5V電壓，可使占空比在49%～0之間變化，從而控制輸出端的輸出。

(4)5腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容端。RT取值范圍1.8～500kΩ

(5)6腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電阻端。CT取值范圍4700pF～10μF。(6)7腳為共地端。

(7)8、11腳為兩路驅(qū)動放大器NPN管的集電極開路輸出端。當(dāng)通過外接負(fù)載電阻引出輸出脈沖時(shí)，為兩路時(shí)序不同的倒相輸出，脈沖極性為負(fù)極性，適合驅(qū)動P型雙極型開關(guān)管或P溝道MOSFET管。此時(shí)兩管發(fā)射極接共地。

(8)9、10腳為兩路驅(qū)動放大器的發(fā)射極開路輸出端。當(dāng)8、11腳接VCC，在9、10腳接入發(fā)射極負(fù)載電阻到地時(shí)，輸出為兩路正極性圖騰柱輸出脈沖，適合于驅(qū)動N型雙極型開關(guān)管或N溝道MOSFET管。

(9)12腳為VCC輸入端。供電范圍適應(yīng)8～40V，極限電壓41V，低于7V電路不啟動。

(10)13腳為輸出模式控制端。外接5V高電平時(shí)為雙端圖騰柱式輸出，用以驅(qū)動各種推挽開關(guān)電路。接地時(shí)為兩路同相位驅(qū)動脈沖輸出，8、11腳和9、10腳可直接并聯(lián)。雙端輸出時(shí)最大驅(qū)動電流為2TImes;200mA，并聯(lián)運(yùn)用時(shí)最大驅(qū)動電流為400mA。

(11)14腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓精密穩(wěn)壓電路端。輸出5V±0.25V的基準(zhǔn)電壓，最大負(fù)載電流為10mA。用于誤差檢出基準(zhǔn)電壓和控制模式的控制電壓。

TL494的引腳接線

PWM控制器電路其核心采用專用集成芯片TL494。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，不但可以產(chǎn)生PWM信號輸出，而且還有多種保護(hù)功能。4腳電壓來自5V基準(zhǔn)電壓通過電阻分壓后所產(chǎn)生電壓和輸出采樣控制信號形成了死區(qū)的控制電平。TL494控制放大器的反相端15腳直接取14腳5V基準(zhǔn)電源電壓為控制放大器參考電壓，誤差放大器的2腳由14腳5V基準(zhǔn)電源電壓通過電阻分壓后一般為2.5V提供作為誤差放大器參考電壓。其中控制放大器的反相端15腳5V基準(zhǔn)電壓與同相端16采樣到的過流檢測控制電壓(一般約為1.5V)共同作用來控制TL494的8和11腳兩輸出端的輸出信號，而誤差放大器的2腳的參考電壓與反饋至誤差放大器的1腳輸出采樣電壓共同作用來控制TL494輸出端輸出脈沖的寬度。

在引腳4與14之間接入充電電容C1，在VCC接通瞬間，Uref通過加至引腳4使輸出晶體管截止。隨著C1充電電壓增加，引腳4上電壓下降，占空比增大，從而完成軟啟動。軟啟動時(shí)間tSS=C1R1R5/(R1+R5)。

總結(jié)

本設(shè)計(jì)研究了開關(guān)可調(diào)恒流源的工作原理，對以TL494芯片為核心的控制電路行了分析和設(shè)計(jì)。