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十二月 31 2019

TL494的工作原理

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TL494TL494德州仪器(TI)定频调宽电压模式300000Hz

  TL494于1980年代初由德州仪器公司设计并推出,推出后立刻得到市场的广泛接受,尤其是在PC机的ATX半桥电源上。直至今日,仍有相当比例的PC机电源基于TL494芯片。多年来,作为最廉价的双端PWM芯片,TL494在双端拓扑,如推挽和半桥中应用极多。由于其较低的工作频率以及单端的输出端口特性,它常配合功率双极性晶体管(BJT)使用,如用于配合功率MOSFET则需外加电路。

  TL494已成为一种工业标准芯片,由很多家集成电路厂商生产。广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式,以适应不同场合的要求。

TL494

  TL494

  一、主要特征

  1.具有两个完整的脉宽调制控制电路,是PWM芯片。

  2.两个误差放大器。一个用于反馈控制,一个可以定义为过流保护等保护控制。

  3.带5VDC基准电源。

  4.死区时间可以调节。

  5.输出级电流500mA。

  6.输出控制可以用于推挽、半桥或单端控制。

  7.具备欠压封锁功能

  二、内部结构

TL494的内部结构图

  TL494的内部结构图

  1.5V基准源

  TL494内置了基于带隙原理的基准源,基准源的稳定输出电压为5V,条件是VCC电压在7V以上,误差在100mV之内。基准源的输出引脚是第14脚REF。

  2.锯齿波振荡器

  TL494内置了线性锯齿波振荡器,产生0.3~3V的锯齿波。振荡频率可通过外部的一个电阻Rt和一个电容Ct进行调节,其振荡频率为:f=1/RtCt,其中Rt的单位为欧姆,Ct的单位为法拉。锯齿波可以在Ct引脚测量到。

  3.运算放大器

  TL494集成了两个单电源供电的运算放大器。运算放大器传递函数为ft(ni,inv)=A(ni-inv),但不能越出输出摆幅。一般电源电路中,运放接成闭环运行。少数特殊情况下使用开环,由外界输入信号。 两个运放的输出端分别接一个二极管,和COMP引脚以及后级电路(比较器)相连接。这保证了两个运放中较高的输出进入后级电路。

  4.比较器

  运算放大器输出的信号(COMP引脚)在芯片内部进入比较器正输入端,和进入负输入端的锯齿波比较。当锯齿波高于COMP引脚的信号时,比较器输出0,反之则输出1.

  5.脉冲触发器

  脉冲触发器在锯齿波的下降沿且比较器输出1时导通,令两个中的一个输出端(依次轮流)片内三极管导通,并在比较器输出降到0时截止。

  6.静区时间比较器

  静区(直译死区)时间由Dead Time Control引脚4设置,它通过一个比较器对脉冲触发器实行干扰,限制最大占空比。可设置的每端占空比上限最高为45%,在工作频率高于150KHz时占空比上限是42%左右。(当DTC引脚电平被设为0时)。

  三、工作原理

  TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路,内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,其振荡频率如下:

振荡频率

  输出脉冲的宽度是通过电容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。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通,即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大,输出脉冲的宽度将减小。参见下图。

TL494脉冲控制波形图

  TL494脉冲控制波形图

  控制信号由集成电路外部输入,一路送至死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV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%,当输出端接地,最大输出占空比为96%,而输出端接参考电平时,占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压(范围在0—3.3V之间)即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

  脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段:当反馈电压从0.5V变化到3.5时,输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到(Vcc-2.0)的共模输入范围,这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平,它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算,正是这种电路结构,放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

  当比较器CT放电,一个正脉冲出现在死区比较器的输出端,受脉冲约束的双稳触发器进行计时,同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源,那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管,输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态,且最大占空比小于50%时,输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下,当需要更高的驱动电流输出,亦可将Q1和Q2并联使用,这时,需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下,输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。

  总结

  本文总结了TL494的特征、内部结以及工作原理。虽然TL494的架构被历史证明极为优秀,但由于其老旧的工艺、低频率、以及缺乏新的节能特性,它正在高端市场面临着淘汰。至2008年,几乎没有售价高于人民币300元的开关电源使用TL494作为主控芯片了,尽管低端、中端市场仍然大量采用。

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