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TL494脉宽调制控制电路

时间:2019-6-10, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特点

完整的脉宽调制功率控制电路200 mA的接收器或源电流的未承诺输出 输出控制选择单端或推拉操作 内部电路禁止任何输出处的双脉冲可变死区时间提供对总范围的控制 内部调节器提供稳定的5伏参考电压提供5%的公差 电路结构允许轻松同步
应用

台式电脑 微波炉 电源:AC/DC,隔离,带PFC,>90 W 服务器PSU 太阳能微型逆变器 洗衣机:低端和高端 电动自行车 电源:AC/DC,隔离,无PFC,<90 W 电源:电信/服务器AC/DC电源:双控制器:模拟烟雾探测器 太阳能电源逆变器
3说明:TL494装置包含了在单个芯片上构建脉冲宽度调制(PWM)控制电路所需的所有功能。该装置主要为电源控制而设计,具有根据特定应用定制电源控制电路的灵活性。

该TL494器件包括两个误差放大器、一个片内可调振荡器、一个死区时间控制(DTC)比较器、一个脉冲转向控制触发器、一个5伏、5%精度调节器和输出控制电路。
误差放大器的共模电压范围为-0.3V至VCC-2V。死区时间控制比较器具有固定的补偿,提供大约5%的死区时间。通过将RT端接到参考输出端并向CT提供锯齿形输入,可以绕过片上振荡器,也可以驱动同步多轨电源中的公共电路。
非承诺输出晶体管提供公共发射极或发射极随动器输出能力。TL494装置提供推拉或单端输出操作,可通过输出控制功能进行选择。该装置的结构禁止在推挽操作期间两次脉冲输出。
TL494c装置的特点是在0°C至70°C的温度下工作。TL494i装置的特点是在-40°C至85°C的温度下工作。

概述
TL494的设计不仅包含了控制开关电源所需的主要构建块,还解决了许多基本问题,并减少了总体设计中所需的额外电路数量。TL494是一种固定频率脉宽调制(PWM)控制电路。输出脉冲的调制是通过比较由定时电容器(CT)上的内部振荡器产生的锯齿波与两个控制信号中的任何一个来完成的。当锯齿形电压大于电压控制信号时,输出级启用。随着控制信号的增大,锯齿形输入的时间减小,因此输出脉冲持续时间减小。脉冲转向触发器交替地将调制脉冲导向两个输出晶体管中的每一个。

功能描述
1 5-V基准调节器
TL494内部5-V参考调节器输出为参考引脚。除了提供稳定的参考外,它还充当预调节器,并建立一个稳定的电源,从中为输出控制逻辑、脉冲转向触发器、振荡器、死区时间控制比较器和脉宽调制比较器供电。调节器采用带隙电路作为其主要参考,以在0°C至70°C的工作自由空气温度范围内保持小于100 mV的热稳定性。提供短路保护以保护内部参考和预调节器;10 mA的负载电流可用于附加偏压电路。基准在内部编程为初始精度为±5%,在7 V至40 V的输入电压范围内保持小于25 mV变化的稳定性。对于小于7 V的输入电压,调节器在输入电压的1 V范围内饱和并跟踪。

功能描述(续)
振荡器
振荡器向死区时间和脉宽调制比较器提供正锯齿波,以便与各种控制信号进行比较。通过选择定时元件RT和CT来编程振荡器的频率。振荡器用恒定电流给外部定时电容器CT充电,电流值由外部定时电阻RT确定。这产生线性斜坡电压波形。当电流互感器的电压达到3伏时,振荡器电路将其放电,并重新启动充电循环。充电电流由以下公式确定:
但是,振荡器频率仅等于单端应用的输出频率。对于推拉应用,输出频率是振荡器频率的一半。
单端应用程序:
推拉应用:
死区控制
死区时间控制输入提供对最小死区时间(关闭时间)的控制。当输入电压大于振荡器的斜坡电压时,比较器的输出抑制开关晶体管Q1和Q2。110 mV的内部偏移确保死区控制输入接地时的最小死区时间为~3%。向死区时间控制输入施加电压可以施加额外的死区时间。当输入电压分别从0 V到3.3 V变化时,这提供了对死区时间从最低3%到100%的线性控制。通过全范围控制,可以从外部源控制输出,而不会干扰误差放大器。死区时间控制输入是一个相对高阻抗输入(II<10μA),应在需要额外控制输出占空比时使用。但是,为了正确控制,必须终止输入。开路是未定义的情况。
比较器
比较器偏离5-V基准调节器。这提供了与输入电源的隔离,以提高稳定性。比较器的输入不显示滞后现象,因此必须在阈值附近提供防止误触发的保护。比较器从任一控制信号输入到输出晶体管的响应时间为400 ns,只有100 mV的超速。这可确保在建议的300 kHz范围内运行时,在半个周期内对输出进行正控制。

功能描述(续)
脉宽调制(PWM)
比较器还提供输出脉冲宽度的调制控制。为此,将正时电容CT的斜坡电压与误差放大器输出端的控制信号进行比较。定时电容器输入包含一个从控制信号输入中省略的串联二极管。这要求控制信号(误差放大器输出)比CT上的电压大~0.7V,以抑制输出逻辑,并确保最大占空比运行,而不要求控制电压下降到真正的接地电位。输出脉冲宽度在周期的97%到0之间变化,因为误差放大器输出的电压分别在0.5 V到3.5 V之间变化。
误差放大器——两个高增益误差放大器都从vi供电轨接收其偏差。这允许共模输入电压范围为-0.3 V至2 V,小于vi。两个放大器的特性都是单端单电源放大器,因为每个输出仅为高激活。这使得每个放大器可以独立地上拉以减少输出脉冲宽度的需求。当两个输出在脉宽调制比较器的反向输入节点处同时进行“或”运算时,要求最小脉冲输出的放大器占主导地位。放大器输出被电流接收器偏向低,以在两个放大器都被偏向时提供最大脉冲宽度输出。
输出控制输入
输出控制输入决定输出晶体管是并联工作还是推挽工作。该输入是脉冲转向触发器的电源。输出控制输入是异步的,直接控制输出,独立于振荡器或脉冲转向触发器。输入条件是应用程序定义的固定条件。对于并联操作,输出控制输入必须接地。这将禁用脉冲转向触发器并禁用其输出。在这种模式下,死区时间控制/PWM比较器输出端看到的脉冲由两个输出晶体管并联传输。对于推拉操作,输出控制输入必须连接到内部5伏参考电压调节器。在这种情况下,每个输出晶体管交替地由脉冲转向触发器启用。
输出晶体管
TL494上有两个输出晶体管。两个晶体管都被配置为开放式集电极/开放式发射极,每个晶体管都能吸收或获得高达200毫安的电流。在共射极配置中,晶体管的饱和电压小于1.3 V,而在射极随动器配置中,晶体管的饱和电压小于2.5 V。输出被保护,以防过度的功率耗散,以防止损坏,但不使用足够的电流限制,以允许它们作为电流源输出运行。
装置功能模式
当输出控制针接地时,TL494在单端或并联模式下工作。当输出控制销连接到VREF时,TL494在正常的推拉操作下工作。

应用与实施
注:以下应用部分中的信息不属于TI组件规范的一部分,且TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件是否适合其用途。客户应验证和测试其设计实现,以确认系统功能。
申请信息
以下设计示例使用TL494创建5-V/10-A电源。本申请书摘自申请书SLVA001。
典型应用

典型应用(续)
设计要求&#8226;vi=32 V•vo=5 V•io=10 A•fosc=20 kHz开关频率•vr=20 mV峰间(vripple)•Δil=1.5-A电感电流变化
详细设计程序
输入电源
此电源的32-V直流电源使用额定值为75 VA的120-V输入24-V输出变压器。24-V二次绕组为全波桥式整流器供电,之后是限流电阻(0.3Ω)和两个滤波电容器

典型应用(续)
误差放大器部分
TL494内部5伏参考电压被r3和r4分为2.5伏。输出电压误差信号也被r8和r9划分为2.5 V。如果输出必须精确调节到5.0 V,可使用10-kΩ电位计代替R8进行调整。
为了提高误差放大器电路的稳定性,误差放大器的输出通过RT反馈到反相输入,将增益降低到101。
限流放大器
电源设计为10-A负载电流和1.5 A的IL摆动,因此,短路电流应为:
电阻R1和R2在限流放大器的反向输入上设置约1 V的参考电压。电阻器R13与负载串联,当负载电流达到10 A时,向限流放大器的非反相端施加1 V电压。输出脉冲宽度相应减小。式11计算了R13的值。
软启动和死区时间
为了降低开关晶体管在启动时的应力,必须降低输出滤波器电容充电时产生的启动浪涌。死区控制的可用性使得软启动电路的实现相对简单

软启动电路通过对死区时间控制输入(插脚4)施加负斜率波形,允许输出处的脉冲宽度缓慢增加
最初,电容器C2迫使死区时间控制输入跟随5-V调节器,从而禁用输出(100%死区时间)。当电容器通过R6充电时,输出脉冲宽度缓慢增加,直到控制回路接受指令。R6和R7的电阻比为1:10时,启动后插脚4处的电压为0.1×5 V或0.5 V。
软启动时间通常在25到100个时钟周期的范围内。如果选择20 kHz开关频率下的50个时钟周期,软启动时间为:
然后,电容器的值由以下公式确定:
这有助于消除在通电时控制电路可能产生的任何错误信号。

输出电容计算
计算滤波电感后,计算输出滤波电容值,以满足输出纹波要求。电解电容器可以建模为电感、电阻和电容的串联。为了提供良好的滤波效果,纹波频率必须远低于串联电感变得重要的频率。因此,感兴趣的两个部分是电容和有效串联电阻(ESR)。根据规定的峰间纹波电压与峰间纹波电流的关系,计算出最大ESR。
维持VO纹波电压低于100 mV设计目标所需的C3最小电容根据方程式15计算:
选择220 mf,60-v电容器是因为其最大ESR为0.074Ω,最大纹波电流为2.8 A。
晶体管功率开关计算
晶体管功率开关由NTE153 PNP驱动晶体管和NTE331 NPN输出晶体管构成。这两个电源设备连接在PNP混合达林顿电路配置中

混合达林顿电路必须在IO+ΔIL/2或10.8 A的最大输出电流下饱和。10.8 A的达林顿HFE必须足够高,不超过TL494的250 mA最大输出集电极电流。根据公布的NTE153和NTE331规范,所需功率开关最小驱动力通过方程式16计算得出,方程式18为144 ma:
R10值的计算方法如下:
根据这些计算,为R10选择最接近的标准电阻值220Ω。电阻器R11和R12允许开关晶体管中的载流子在关闭时放电。
所述电

电源建议
TL494设计用于在7 V至40 V的输入电压范围内工作。该输入电源应调节良好。如果输入电源与设备的距离超过几英寸,除了陶瓷旁路电容器外,还可能需要额外的大容量电容。一个值为47μF的钽电容器是一个典型的选择,但这可能会因输出功率的不同而有所不同。
布局指南
始终尝试使用铁氧体型闭合磁芯的低EMI感应器。一些例子是环形和包芯电感器。如果它们具有较低的EMI特性,并且距离低功耗记录道和组件稍远,则可以使用开放式磁芯。如果使用开芯,也要使电极垂直于印刷电路板。棒芯通常会发出最不需要的噪音。
反馈跟踪
尽量使反馈轨迹远离电感和噪声功率轨迹。您还希望反馈跟踪尽可能直接,并且有点厚。这两个问题有时涉及到一个权衡,但保持它远离电感EMI和其他噪声源是更关键的两个问题。在电感器对面的印刷电路板上运行反馈轨迹,将两个电感器分开一个接地平面。
输入/输出电容器
当使用低值陶瓷输入滤波器电容器时,它应尽可能靠近IC的VCC引脚。这将消除尽可能多的微量电感效应,并给内部集成电路轨道一个更清洁的电压供应。有些设计还需要使用一个前馈电容器,从输出端连接到反馈针,通常是出于稳定性的原因。在这种情况下,它也应尽可能靠近集成电路。使用表面安装电容器还可以减少引线长度,并减少噪声耦合到由通孔元件产生的有效天线的可能性。
补偿组件
用于稳定的外部补偿元件也应放置在IC附近。这里建议使用表面贴装组件,原因与对滤波电容器的讨论相同。这些也不应该非常靠近感应器。
痕迹和地平面
使所有的功率(大电流)记录道尽可能短、直和厚。在标准的印刷电路板上,最好的做法是使记录道的绝对最小值为每安培15密耳(0.381毫米)。感应器、输出电容器和输出二极管应尽可能接近。这有助于减少功率跟踪由于通过它们的高开关电流而辐射的电磁干扰。这也将减少引线电感和电阻,从而减少噪声峰值、振铃和产生电压误差的电阻损耗。集成电路、输入电容器、输出电容器和输出二极管(如适用)的接地应直接连接到接地平面上。在印刷电路板的两侧都有一个接地平面也是一个好主意。这将通过减少接地回路误差以及吸收感应器辐射的更多电磁干扰来降低噪声。对于两层以上的多层板,可以使用接地平面将电源平面(电源轨迹和组件所在的位置)和信号平面(反馈、补偿和组件所在的位置)分开,以提高性能。在多层板上,需要使用通孔来连接记录道和不同的平面。如果轨迹需要从一个平面到另一个平面传导大量电流,则最好使用每200 mA电流一个标准通孔。对元件进行排列,使开关电流环向同一方向弯曲。由于开关调节器的工作方式,有两种电源状态。开关打开时为一种状态,开关关闭时为一种状态。在每种状态下,都会有一个电流回路,由当前导电的电源组件构成。放置电源组件,以便在两种状态中的每一种状态下,电流回路的导电方向都相同。这可以防止两个半周期之间的轨迹引起的磁场反转,并降低辐射EMI。

源证明了TL494脉宽调制控制电路的灵活性。这种电源设计说明了TL494提供的许多电源控制方法,以及控制电路的多功能性。

布局示例

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