TL494工作原理及典型電路

今天講的是TL494，主要分為以下幾個(gè)方面：

1. TL494是什么?

2. TL494引腳圖

3. TL494主要特征

4. TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5. TL494工作原理

6. TL494典型電路

7. 總結(jié)

1. TL494是什么?

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于橋式單端正激雙管式、半、全橋式開關(guān)電源。

TL494器件集成了在單個(gè)芯片上構(gòu)建脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路所需的所有功能。該器件主要設(shè)計(jì)用于電源控制，可靈活地為特定應(yīng)用定制電源控制電路。

圖 1 TL494 PWM控制芯片

2. TL494引腳圖

圖 2 TL494引腳圖

1腳/同相輸入：誤差放大器1同相輸入端。

2腳/反相輸入：誤差放大器1反相輸入端。

3腳/補(bǔ)償/PWM比較輸入：接RC網(wǎng)絡(luò)，以提高穩(wěn)定性。

4腳/死區(qū)時(shí)間控制：輸入0-4VDC電壓，控制占空比在0-45%之間變化。同時(shí)該因腳也可以作為軟啟動(dòng)端，使脈寬在啟動(dòng)時(shí)逐步上升到預(yù)定值。

5腳/CT：振蕩器外接定時(shí)電阻。

6腳/RT：振蕩器外接定時(shí)電容。振蕩頻率：f=1/RTCT。

7腳/GND：電源地。

8腳/C1：輸出1集電極。

9腳/E1：輸出1發(fā)射極。

10腳/E2：輸出2發(fā)射極。

11腳/C2：輸出2集電極。

12腳/Vcc：芯片電源正。7-40VDC。

13腳/輸出控制：輸出方式控制，該腳接地時(shí)，兩個(gè)輸出同步，用于驅(qū)動(dòng)單端電路。接高電平時(shí)，兩個(gè)輸出管交替導(dǎo)通，可以用于驅(qū)動(dòng)橋式、推挽式電路的兩個(gè)開關(guān)管。

14腳/VREF：5VDC電壓基準(zhǔn)輸出。

15腳/反相輸入：誤差放大器2反相輸入端。

16腳/同相輸入：誤差放大器2同相輸入端。

3. TL494主要特征

(1)具有兩個(gè)完整的脈寬調(diào)制控制電路，是PWM芯片;

(2)兩個(gè)誤差放大器。一個(gè)用于反饋控制，一個(gè)定義為過流保護(hù)等保護(hù)控制;

(3)帶5VDC基準(zhǔn)電源;

(4)死區(qū)時(shí)間可以調(diào)節(jié);

(5)輸出級(jí)電流500mA;

(6)輸出控制可以用于推挽、半橋或單端控制;

(7)具有欠壓封鎖功能。

4. TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 3 TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(1)5V基準(zhǔn)源(Reference Regulator)

TL494內(nèi)置了基于帶隙原理的基準(zhǔn)源，基準(zhǔn)源的穩(wěn)定輸出電壓為5V，條件是VCC電壓在7V以上，誤差在100mV之內(nèi)?；鶞?zhǔn)源的輸出引腳是第14腳REF。

(2)鋸齒波振蕩器(Sawtooth oscillator)

TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，產(chǎn)生0.3~3V的鋸齒波。振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻Rt和一個(gè)電容Ct進(jìn)行調(diào)節(jié)， 其振蕩頻率為：f=1/RtCt，其中Rt的單位為歐姆，Ct的單位為法拉。鋸齒波可以在Ct引腳測(cè)量得到。

(3)運(yùn)算放大器(Operational Amplifier)

TL494集成了兩個(gè)單電源供電的運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器傳遞函數(shù)為ft(ni,inv)=A(ni-inv)，但不能越出輸出擺幅。一般電源電路中，運(yùn)放接成閉環(huán)運(yùn)行。少數(shù)特殊情況下使用開環(huán)，由外界輸入信號(hào)決定。兩個(gè)運(yùn)放的輸出端分別接一個(gè)二極管，和COMP引腳以及后級(jí)電路(比較器)相連接。這保證了兩個(gè)運(yùn)放中較高的輸出進(jìn)入后級(jí)電路。

(4)比較器(Comparators)

運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)(COMP引腳)在芯片內(nèi)部進(jìn)入比較器正輸入端，和進(jìn)入負(fù)輸入端的鋸齒波比較。當(dāng)鋸齒波高于COMP引腳的信號(hào)時(shí)，比較器輸出0，反之則輸出1。

(5)脈沖觸發(fā)器(Pulse trigger)

脈沖觸發(fā)器在鋸齒波的下降沿且比較器輸出1時(shí)導(dǎo)通，它通過一個(gè)比較器對(duì)脈沖觸發(fā)器實(shí)行干擾，限制最大占空比。可設(shè)置的每端占空比上限最高為45%，在工作頻率高于150kHz時(shí)占空比上限是42%左右(當(dāng)DTC引腳電平被設(shè)為0時(shí))。

5. TL494工作原理

TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT.上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見下圖。

圖 4 TL494脈沖控制波形圖

控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV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)輸出端接地，最大輸出占空比為96%,而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓(范圍在0~3.3V之間)即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。

脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段: 當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到(Vcc 2.0)的共模輸入范圍,這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于平,它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行”或”運(yùn)算,正是這種電路結(jié)構(gòu),放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。

當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端,受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí),同時(shí)停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管,輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí),輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出,亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。

6. TL494典型電路

(1)有刷電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速

TL494外圍電路設(shè)計(jì)PWM調(diào)節(jié)由TL494CN芯片實(shí)現(xiàn)，其電路原理圖如下圖所示，主要功率器件采用夠個(gè)MOSFET并聯(lián)和多個(gè)二極管并聯(lián)的方式。為實(shí)現(xiàn)直流有刷電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，將TL494的13號(hào)引腳接地，使TL494工作在單端輸出方式，實(shí)現(xiàn)PWM占空比從0到96%連續(xù)可調(diào)。

圖 5 有刷電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速原理圖

為了增大TL494的輸出驅(qū)動(dòng)電流，提高驅(qū)動(dòng)能力，并保護(hù)TL494的輸出端(9號(hào)和10號(hào)引腳)，通過兩個(gè)高速二極管并聯(lián)輸出的方式，輸出最大500mA的電流，很大程度的提高了輸出的驅(qū)動(dòng)能力。并在輸出端單獨(dú)采用達(dá)林頓管推挽輸出,來驅(qū)動(dòng)電樞回路中多個(gè)并聯(lián)的MOSFET，多個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)需要注意均流和散熱。

(2)單回路控制器

用TL494實(shí)現(xiàn)的單回路控制器的電路原理圖如下圖所示。

圖 6 單回路控制器1)輸入電路

兩個(gè)運(yùn)算放大器IC1A、IC1B都接成有源簡(jiǎn)單二階低通濾波電路, 分別作為反饋信號(hào)輸入和設(shè)定信號(hào)輸入的處理電路。在電路設(shè)計(jì)上，兩個(gè)輸入電路采取完全對(duì)稱的形式。將有源簡(jiǎn)單二階低通濾波電路的截止頻率fp設(shè)計(jì)為4Hz，根據(jù)有源簡(jiǎn)單一階低通濾波電路中fp=0.37f0(f0為該濾波 器的特征頻率)選取C1與C2為1μF，然后算得R1與R2為16kΩ。這樣可以濾除由于傳感器距離較遠(yuǎn)輸入引線過長(zhǎng)而帶來的高頻雜波干擾和平滑傳感器信號(hào)本身的波動(dòng)，使加入到TL494的管腳1即誤差放大器同相輸入端IN+的信號(hào)盡可能地平滑和相對(duì)穩(wěn)定。在有源簡(jiǎn)單二階低通濾波電路與誤差放大器同相輸入端IN+之間接有10kΩ的限流隔離電阻。把TL494的14腳輸出的5V基準(zhǔn)電壓源，用3.3kΩ精密多圈電位器W1分壓作為設(shè)定輸入號(hào)，通過與處理傳感器反饋信號(hào)相同的電路,送入TL494的管腳2，即誤差放大器的反相輸入端IN端。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，R19、R20這兩個(gè)限流隔離電阻必不可少。否則，TL494誤差放大器的兩個(gè)輸入端的電位將相互影響。另外,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，TL494誤差放大器的兩個(gè)輸入端在低電壓時(shí)跟蹤的線性不大好,故這里將兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)取為2，以改善反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)的跟蹤線性。

2)脈寬調(diào)制電路

在本控制器中只用到了TL494的誤差放大器|，故將誤差放大器I的IN+(16腳)接地、IN-(15腳)接高電平。為保護(hù)TL494的輸出三極管，經(jīng)R13和R10分壓，在4腳加接近0.3V的間歇期調(diào)整電壓。R9、R12和C5組成了相位校正和增益控制網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在本控制器中振蕩電阻和振蕩電容分別取200kΩ和0.1μF。輸出采用并聯(lián)方式，取自發(fā)射級(jí)。整機(jī)電源取12V單電源。

3)輸出電路

為了把脈寬變化的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為大小變化的直流信號(hào)，通過開關(guān)二極管D1、 電容C8進(jìn)行整流濾波。R15作為整流濾波的輸出負(fù)載，還在脈沖截止期間為C8提供放電回路，使C8上的電壓與TL494輸出的脈寬成正比。為使輸出電壓進(jìn)一步平滑、提高帶負(fù)載能力以及使輸出電壓在0~10V之間變化，又加入了一級(jí)壓控電壓源二階低通濾波電路。在圖中所示元件參數(shù)下，最大的直流輸出電壓是10V IC3A輸出端接的10V穩(wěn)壓二極管, 是保證在意外的情況下，使輸出電不大于10V。

4)工作過程

當(dāng)反饋信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，通過TL494的脈寬調(diào)制作用， 其9腳與10腳并聯(lián)輸出信號(hào)的脈寬減小,這個(gè)輸出信號(hào)再經(jīng)整流濾波電路及隔離與放大輸出電路，使最后輸出的直流控制信號(hào)的電壓相應(yīng)下降。直流控制信號(hào)通過控制電路經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī)、電熱管等)使被控制量下降，再進(jìn)而通過傳感器使反饋信號(hào)降低,形成單回路閉環(huán)控制。當(dāng)反饋信號(hào)小于設(shè)定值時(shí)，上述控制過程相反。另外,還可以根據(jù)被控制系統(tǒng)的具體情況，來調(diào)整輸入二階低通濾波器的電容大小，使控制過程及時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。有,為使控制過程直觀，還應(yīng)加上設(shè)定量及被控制量的顯示(指示)電路。可從兩個(gè)輸入端取出信號(hào)，然后分別通過隔離放大電路(如用運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器)送到表頭指示。表頭可采用多功能數(shù)字式電子表頭成品或直接用滿量程5V的機(jī)械表頭。

7. 總結(jié)

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。用TL494為主要元件實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)單回路控制器和外圍電路具有構(gòu)思新穎、電路簡(jiǎn)單、成本低廉以及控制過程穩(wěn)定等特點(diǎn)，在很多工業(yè)控制場(chǎng)合可獲得廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅