基于tl494的开关可调恒流源工作原理

　　现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关稳压电源。所谓线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是随着脉宽调制技术和谐振变换技术的不断发展与成熟，高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。

　　恒流源的设计思想

　　开关电源设计总是先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来就是设计总体和辅助功能，最后进行测试和设计优化的。
　　开关电源是由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器PWM控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。
　　恒流和恒压的关系十分密切，两者相辅相成并可互相转化。恒流源和恒压源在电路上的差别反应在两者的采样电路采集的对象不一样。恒压源为了保持输出电压的恒定，需要实时对输出电压跟踪、控制，在负载变化的情况下使输出电压不随负载的变化而变化，而恒流源是指在负载变化的情况下，控制器能根据负载的变化相应调整输出电压．保持输出电流不变，恒流源采样电路采集的是输出的电流信号，但实际上采集的是经过I／V转换后反应电流大小的电压信号。

　　开关恒流源的工作原理

　　1、交流电源输入经整流滤波成直流；
　　2、通过高频PWM信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上；
　　3、开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；
　　4、输出部分通过电流采样电路反馈给控制电路，可以通过采样电阻RS将电流的变化转化为电压的变化，通过PWM控制芯片调节占空比，以调节其输出电压，从而达到恒流的目的。RS可以用康铜丝。由于电流采样电阻是在驱动回路之中，防止由噪声引起的误动作，在电流信号输入端可以采用适当的RC滤波器。

　　控制电路的设计

　　开关电源的功率主电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、输出整流滤波电路组成。主电路的设计首先要进行电路拓扑结构的选择，并结合电路参数的计算，设计出合理的方案。由于篇幅原因，本文主要描述选用TLL494芯片的控制电路设计。
　　本系统脉宽控制芯片选用TLL494芯片。TL494是美国德克萨斯仪器公司开发的一款高性能固定频率的电压驱动型PWM脉宽调制控制电路，具有功能完善、工作性能稳定、驱动能力强等优点。它包含了控制开关电源所需的全部功能，可作为单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源的控制器。TL494广泛于1000W以下的大功率开关电源中，它既可以驱动150W以下的单端式开关电源，也可以驱动300~1000W的桥式和半桥式电路。现结合电路的工作特点，通过对电路要点的剖析，来阐述基于TL494芯片PWM控制电路检测的方法和技巧。
　　TL494的电路结构

　　TL494是有16引脚双列直插式塑料封装集成芯片，集成了全部的脉宽调制电路，内置+5V参考基准电压源、欠压保护电路、线性锯齿波振荡器，外置振荡元件一个电阻RT和一个电容CT、脉宽调制比较器、死区时间比较器、触发器、两个误差放大器以及输出控制器等电路组成。具有其工作频率可在1~300kHz之间任选且输出电压高达40V，输出电流为250mA。输出方式有推拉或单端两种。
　　TL494的工作原理

　　TL494的工作原理可简述为：当TL494的引脚5与引脚6接上电容与电阻后，集成在其内部的振荡器便使引脚5所接电容恒流充电和快速放电，在电容CT上形成锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器，死区时间控制比较器按引脚4的引脚所设定的电平高低输出相应宽度的脉冲信号；另一方面在2#误差放大器输出的保护信号无效（为高电平时），比较器根据1#误差放大器输出的调节信号（或引脚3直接输入的电平信号）与锯齿波比较在输出形成相应的脉冲波，该脉冲波与死区时间控制比较器输出的脉冲相或后，一方面提供给触发器作为时间信号，同时提供给输出控制或非门，触发器按CK端的时钟信号，在与端输出相位互差π的PWM脉冲信号，若引脚13为高电平，则内部的两个与门输出的PWM脉冲信号，给信号经输出两个或非门与前述的信号或非后有输出功率放大的开关晶体管放大后输出；相反，当引脚13为低电平时，两个与门输出恒为低电平，所以两个或非门输出相同的脉冲信号。若用TL494的误差放大器作保护比较器，保护动作时引脚3被置为恒低电平，TL494两路均输出低电平。
　　由于两个电容连接点的电位是随V1、V2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值。在变压器原边线圈中加一个串联电容C3，则当浮动不满足要求时，与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉，这样在晶体管导通期间，就会平衡电压的伏秒值，达到消除偏磁的目的。
　　从半桥电路结构上看，选用桥臂上的两个电容C1、C2时，需要考虑电容的均压问题，尽量选用C1=C2的电容。一般情况下，还要在两个电容两端各并联一个电阻（原理图中的R1和R2）并且R1=R2进一步满足要求。电阻上流过的电流应比电容器的漏电流大5倍以上来选择电阻，以避免漏电流偏差影响均压，此时在选择阻值和功率时需要注意降额。

　　（1）振荡电路
　　当TL494的12脚VCC直流电源端和7脚直流地形成供电回路，5脚CT端外接电容C；6脚RT端外接电阻R这样TL494就会产生振荡，并可在5脚得到一个频率为f＝1.1/RC的锯齿波振荡电压。其振荡频率由外接RC决定；改变R或C值可得到所需频率值。并通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现对输出脉冲的宽度的控制。
　　（2）死区电压比较控制电路
　　由振荡电路产生的锯齿波振荡电压送到IC内部电压比较1的同相端，与输入到电压比较器1反相端的死区电平控制信号VB，设置该死区控制信号的目的是防止当从误差放大器或控制放大器输出的VA信号过小，以至于出现V1变成幅度为电源电压的直流高电平。该VB信号经IC的4脚送至电压比较1#的反相端。死区电压比较控制电路具有0.12V的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%。当输出控制端3接地，最大输出占空比为96%，接参考电压时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端IC的4脚接上固定电压即范围在0.4~3.3V之间时，能在输出脉冲上产生附加的死区时间。IC的4脚电位越高，死区时间越宽，占空比越小。
　　（3）PWM比较控制电路
　　由误差放大器和控制放大器的所输出的两路控制信号经过门控电路后产生一个控制信号VA，并将控制信号VA送到电压比较器2#的反相端与由锯齿波振荡器产生的锯齿波振荡电压进行比较。根据电压比较器的工作原理：当送到电压比较器的同相端的电位高于它的反相端电位时，就能在电压比较器的输出端得到高电平输出。反之输出端输出低电平。通过调控误差放大器和控制放大器的工作状态来改变3端VA控制电平的大小，VA控制信号电平越大，则输出PWM脉冲宽度越窄，反之变宽。（4）供电与基准电源电路
　　TL494电源供电端12脚其允许输入电压可达7~40V。因TL494内置一个5.0V的基准电压源，因此无需外部稳压器；使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流。该基准电源能提供±5%的精确度。14脚为5V基准电源端，并作为电路过流保护取样输入。（5）输出控制电路
　　输出电路在TL494芯片内置2只NPN功率输出管，可提供500mA的驱动能力。输出电路工作状态由13脚来控制，当为低电平时两个功率输出管状态由PWM比较控制器和死区电压比较器直接控制，两功率输出管同相控制；当13脚为高电平时，一般是直接取至5V基准电压，TL494内部D触发器控制两功率输出管，并交替导通，去驱动推挽或桥式变换器。
　　TL494的引脚定义

　　（1）1与2脚分别为误差放大器1#的同相输入端和反相输入端，耐压值41V。（2）3脚为脚为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输出控制特性，也就是就在两个放大器中，输出幅度大者起作用。当3脚的电平变高时，TL494送出的驱动脉冲宽度变窄；当3脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽。同时在2、15脚间接入RC频率校正电路和直流负反馈电路，稳定误差放大器的增益以及防止其高频自激。3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。
　　（3）4脚为死区时间控制端，通过给该端施加0～3.5V电压，可使占空比在49％～0之间变化，从而控制输出端的输出。
　　（4）5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端。RT取值范围1.8～500kΩ
　　（5）6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端。CT取值范围4700pF～10μF。（6）7脚为共地端。
　　（7）8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当通过外接负载电阻引出输出脉冲时，为两路时序不同的倒相输出，脉冲极性为负极性，适合驱动P型双极型开关管或P沟道MOSFET管。此时两管发射极接共地。
　　（8）9、10脚为两路驱动放大器的发射极开路输出端。当8、11脚接VCC，在9、10脚接入发射极负载电阻到地时，输出为两路正极性图腾柱输出脉冲，适合于驱动N型双极型开关管或N沟道MOSFET管。
　　（9）12脚为VCC输入端。供电范围适应8～40V，极限电压41V，低于7V电路不启动。
　　（10）13脚为输出模式控制端。外接5V高电平时为双端图腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。接地时为两路同相位驱动脉冲输出，8、11脚和9、10脚可直接并联。双端输出时最大驱动电流为2×200mA，并联运用时最大驱动电流为400mA。
　　（11）14脚为内部基准电压精密稳压电路端。输出5V±0.25V的基准电压，最大负载电流为10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。

　　TL494的引脚接线

　　PWM控制器电路其核心采用专用集成芯片TL494。通过适当的外接电路，不但可以产生PWM信号输出，而且还有多种保护功能。4脚电压来自5V基准电压通过电阻分压后所产生电压和输出采样控制信号形成了死区的控制电平。TL494控制放大器的反相端15脚直接取14脚5V基准电源电压为控制放大器参考电压，误差放大器的2脚由14脚5V基准电源电压通过电阻分压后一般为2.5V提供作为误差放大器参考电压。其中控制放大器的反相端15脚5V基准电压与同相端16采样到的过流检测控制电压（一般约为1.5V）共同作用来控制TL494的8和11脚两输出端的输出信号，而误差放大器的2脚的参考电压与反馈至误差放大器的1脚输出采样电压共同作用来控制TL494输出端输出脉冲的宽度。
　　在引脚4与14之间接入充电电容C1，在VCC接通瞬间，Uref通过加至引脚4使输出晶体管截止。随着C1充电电压增加，引脚4上电压下降，占空比增大，从而完成软启动。软启动时间tSS=C1R1R5/（R1+R5）。
　　总结

　　本设计研究了开关可调恒流源的工作原理，对以TL494芯片为核心的控制电路行了分析和设计。