TL 494 РАСПИНОВКА

Температурный коэффициент конденсатора и резистора не учитываются.

5.7 Электрические характеристики усилителя ошибки

  , , установлены = °

5.8 Выходные электрические характеристики

  , , установлены = °

5.9 Электрические характеристики управления длительностью мертвого времени

См. Рисунок 5

  , , установлены = °

5.10 Электрические характеристики ШИМ — компаратора

См. Рисунок 5

  , , установлены = °

5.11 Общие электрические характеристики устройства

  , , установлены = °

5.12 Коммутационные характеристики

T _A
= 25°C

  , , установлены = °

5.13 Типовые характеристики

6 Измеряемые параметры

Рис. 5 Проверка работы цепи и осциллограммы

Рис. 6 Характеристики усилителя

Прим. А: C _L 
включает датчик и управляющую емкость

Рис. 7 Схема включения с общим эмиттером

Прим. А: C _L 
включает датчик и управляющую емкость

Рис. 8 Схема включения эмиттерного повторителя

Описание работы

Обзор

TL494 не только включает в себя основные блоки, необходимые для управления импульсным источником питания, но также решает многие основные проблемы и уменьшает количество дополнительных схем, требуемых при проектировании устройства. T L494 — это схема управления с фиксированной частотой и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Модуляция выходных импульсов осуществляется путем сравнения пилообразного сигнала, создаваемого внутренним генератором на синхронизирующем конденсаторе (CT), с любым из двух управляющих сигналов. Выходной каскад включается в то время, когда пилообразное напряжение больше сигналов управления напряжением. По мере увеличения управляющего сигнала время, в течение которого пилообразный вход больше, уменьшается; следовательно, длительность выходного импульса уменьшается. D-триггер управления импульсом поочередно направляет модулированный импульс на каждый из двух выходных транзисторов. Для получения дополнительной информации о работе TL494 см. Примечания по применению, расположенные на ti.com.

Функциональная блок-схема

Источник опорного напряжения

TL494 имеет внутренний источник опорного напряжения 5 В на выводе REF. Помимо получения опорного напряжения он дает питание логике управления, D-триггеру, генератору, компаратору мертвого времени, компаратору ШИМ. В стабилизаторе используется схема с плавно изменяющейся запрещенной зоной в качестве основного эталона для поддержания тепловой стабильности на уровне менее 100 мВ в рабочем диапазоне температур воздуха от 0 ° C до 70 ° C. Защита от короткого замыкания нужна, чтобы защитить источник опорного напряжения; для дополнительных цепей смещения доступен ток нагрузки 10 мА. Значение внутренне запрограммировано на начальную точность ± 5% и поддерживает стабильность изменения менее 25 мВ в диапазоне входного напряжения от 7 В до 40 В. Для входных напряжений менее 7 В стабилизатор насыщается в пределах 1 В на входе и отслеживает его.

Генератор

Генератор обеспечивает положительную пилообразную форму волны компараторам мертвого времени и ШИМ для сравнения с различными управляющими сигналами.

Частота сигнала выдаваемого генератором задается значениями сопротивления и емкости компонентов R _T
и С _Т
. Генератор заряжает конденсатор С _Т 
постоянным током, величина которого задается сопротивлением резистора R _T
. Когда напряжение на конденсаторе С _Т
 
достигнет 3 В, схема генератора разряжает его, и цикл зарядки возобновляется. Зарядный ток определяется по формуле:

I _charge
= 3 В/ R _T                                                 

Период пилообразного сигнала можно рассчитать по формуле :

Т = (3 В×С _Т
)/I _charge 
                                   

Частота сигнала от генератора:

f _OSC
= 1/(R _T
×C _T
)                                           

В двухтактном режиме частота на выходе будет равняться половине частоты генератора.

f = 1/(R _T
×C _T
)

f = 1/(2R _T
×C _T
)

Управление временем задержки (мертвым временем)

Вход управления мертвым временем задает минимальное мертвое время (время отключения). Выход компаратора запрещает переключение транзисторов Q1 и Q2, когда напряжение на входе больше, чем линейное напряжение генератора. Внутреннее смещение 110 мВ обеспечивает минимальное мертвое время ~ 3%, когда вывод DTC подключен к земле. При подаче напряжения на вывод DTC длительность мертвого времени увеличивается. Это дает возможность линейно изменять длительность мертвого времени от минимума 3% до 100% при изменении входного напряжения от 0 В до 3,3 В соответственно. Благодаря полнодиапазонному управлению выходом можно управлять от внешних источников без нарушения работы усилителей ошибок. Вход управления мертвым временем DTC является входом с относительно высоким импедансом (I _I
< 10 мкА) и должен использоваться там, где требуется дополнительное управление коэффициентом заполнения. Для правильного управления этот вывод должен быть подключен для управления либо подтянут к плюсу питания либо к земле. Обрыв цепи в таком случае даст неопределенное состояние.

Компаратор

Компаратор имеет смещение относительно источника опорного напряжения. Это обеспечивает изоляцию от входного источника питания для повышения стабильности. Вход компаратора не имеет гистерезиса, поэтому должна быть предусмотрена защита от ложного срабатывания вблизи порога переключения. Компаратор имеет время отклика 400 нс от любого из входов управляющего сигнала к выходным транзисторам с перегрузкой всего 100 мВ. Это обеспечивает положительный контроль выхода в пределах половины цикла для работы в рекомендованном диапазоне 300 кГц.

Широтно-импульсная модуляция ШИМ

Компаратор также управляет шириной выходного импульса. Для этого линейно нарастающее напряжения на синхронизирующем конденсаторе CT сравнивается с управляющим сигналом, присутствующим на выходе усилителей ошибки. Вход CT подключается через последовательный диод, который отсутствует на входе управляющего сигнала. Для этого требуется, чтобы управляющий сигнал (выход усилителя ошибки) был на ~ 0,7 В больше, чем напряжение на выводе CT, чтобы подавить выходную логику, и обеспечить работу с максимальным коэффициентом заполнения, не требуя понижения управляющего напряжения до истинного потенциала земли. Ширина выходного импульса изменяется от 97% периода до 0, так как напряжение на выходе усилителя ошибки изменяется от 0,5 В до 3,5 В соответственно.

Усилители ошибки

Оба усилителя ошибки с высоким коэффициентом усиления получают напряжение смещения от шины питания V _I
. Это позволяет использовать синфазное входное напряжение в диапазоне от –0,3 В до 2 В ниже V _I
. Оба усилителя ведут себя как несимметричные усилители с однополярным питанием, поскольку каждый выход активен только на высоком уровне. Это позволяет каждому усилителю работать независимо при уменьшении требуемой ширины выходного импульса. Когда оба выхода соединены по логике ИЛИ на инвертирующем входе компаратора ШИМ, доминирует усилитель, требующий минимального выходного импульса. Выходы усилителя подтянуты к низкому уровню генератором тока, чтобы обеспечить максимальную ширину импульса, когда оба усилителя отключены.

Управление выходом (OUTPUT CTRL)

Вывод OUTPUT CTRL определяет, работают ли выходные транзисторы параллельно или в в двухтактном режиме. Этот вход является источником питания для D-триггера. Вывод OUTPUT CTRL является асинхронным и управляет напрямую выходом, независимо от генератора или D-триггера. Входные условия должны быть четко зафиксированы, определяемым применением. Для параллельной работы выходных транзисторов OUTPUT CTRL должен быть заземлен. При этом отключается D-триггер и его выходы. В этом режиме импульсы, наблюдаемые на выходе компаратора мертвого времени / ШИМ, передаются обоими выходными транзисторами параллельно. Для двухтактного режима вывод OUTPUT CTRL должен быть соединен с источником опорного напряжения 5 В. В этом состоянии каждый из выходных транзисторов поочередно активируется D-триггером.

Выходные транзисторы

В TL494 имеются два выходных транзистора. Оба транзистора сконфигурированы как открытый коллектор / открытый эмиттер, и каждый может потреблять или потреблять до 200 мА. Транзисторы имеют напряжение насыщения менее 1,3 В в конфигурации с общим эмиттером и менее 2,5 В в конфигурации эмиттерного повторителя. Выходы защищены от перегрузки, чтобы предотвратить выход из строя, но не имеют достаточного ограничения тока, чтобы позволить им работать как выходы источника тока.

Функциональные режимы устройства

Когда вывод OUTPUT CTRL подключен к земле, TL494 работает в однотактном или параллельном режиме. Когда вывод OUTPUT CTRL подтянут к V _REF
, TL494 работает в обычном двухтактном режиме.

Применение

В следующем примере TL494 используется для создания источника питания 5 В / 10 А. Эта схема была взята из примечания к приложению SLVA001.

• V _I
  = 32 В
• V _O
  = 5 В
• I _O
  = 10 A
• f _OSC
  = 20 кГц частота генератора
• V _R
  = 20 мВ размах напряжения (V _RIPPLE
  )
• ΔI _L
  = 1.5 A изменение тока индуктивности

Этапы проектирования подробно

Источник питания

В источнике постоянного тока 32 В для этого блока питания используется трансформатор с входным напряжением на 120 В и выходным на 24 В номинальной мощностью 75 ВА. Вторичная обмотка 24 В питает двухполупериодный мостовой выпрямитель, за которым следует токоограничивающий резистор (0,3 Ом) и два фильтрующих конденсатора (см. Рисунок 10).

Выходной ток определяется по формулам 6 и 7:

V _RECTIFIER
= V _SECONDARY
× √2 = 24 В × √2 = 34 В     

I _{RECTIFIER(AVG)}
≈ (V _O
× I _O
)/ V _I
≈ (5 В × 10 А)/ 32 В = 1.6 А             

Двухполупериодный мостовой выпрямитель 3 A / 50 В удовлетворяет этим расчетным условиям. На Рисунке 9 показаны секции переключения и управления.

Цепи управления

Генератор

Подключение внешнего конденсатора и резистора к выводам 5 и 6 задает частоту генератора TL494. Генератор настроен на работу на частоте 20 кГц с использованием значений компонентов, рассчитанных по формулам 8 и 9:

f _OSC
= 1/(R _T
×C _T
)                                                 

Выберем C _T
= 0,001 мкФ и рассчитаем RT:

R _T
= 1/(f _OSC
×C _T
)   = 1/((20 × 10 ³
)×(0,001 × 10 ^-6
)) = 50 кОм               

Усилитель ошибки

Усилитель ошибки сравнивает сигнала с эталоном от источника опорного напряжения 5В и регулирует ШИМ для поддержания постоянного выходного тока (см. Рисунок 11).

Напряжение в 2,5 В формируется делителем на резисторах R3 и R4 от источника опорного напряжения V _REF 
= 5 В. Сигнал ошибки  выходного напряжения в 2,5 В также формируется делителем на резисторах R8 и R9. Если выходной сигнал должен быть установлен точно на уровне 5,0 В, для регулировки можно использовать потенциометр 10 кОм вместо резистора R8.

Чтобы повысить стабильность схемы усилителя ошибки, выходной сигнал усилителя ошибки подается обратно на инвертирующий вход через через резистор R7, уменьшая коэффициент усиления до 101.

Токоограничивающий усилитель

Источник питания был рассчитан на ток нагрузки 10 А и реактивный ток I _L
1,5 А, поэтому ток короткого замыкания должен быть:

I _SC
= I _O
+ I _L
/2 = 10,75 А                                                       

Схема ограничения тока показана на Рисунке 12.

Резисторы R1 и R2 задают опорное напряжение приблизительно 1 В на инвертирующем входе усилителя ограничения тока. Резистор R13, включенный последовательно с нагрузкой, подает 1 В на неинвертирующий вход токоограничивающего усилителя, когда ток нагрузки достигает 10 А. Ширина выходного импульса соответственно уменьшается. Значение R13 рассчитывается по формуле 11.

R13 = 1В / 10А = 0,1 Ом                             

Плавный пуск и мертвое время

Чтобы снизить нагрузку на переключающие транзисторы во время запуска, необходимо уменьшить пусковой выброс, возникающий при заряде конденсатора выходного фильтра. Наличие управления мертвым временем делает реализацию схемы плавного пуска относительно простой (см. Рисунок 13).

Схема плавного пуска позволяет медленно увеличивать ширину импульса на выходе (см. Рисунок 13), подавая сигнал с отрицательной крутизной на вход DTC (вывод 4).

В момент включения конденсатор C2 имеет минимальное сопротивление поэтому подтягивает вход DTC к источнику опорного напряжения 5 В, который отключает выходы (100% мертвое время). По мере того как конденсатор заряжается через R6, ширина выходного импульса медленно увеличивается, пока контур управления не примет команду. При соотношении резисторов 1:10 для R6 и R7 напряжение на выводе 4 после запуска составляет 0,1 × 5 В,

или 0,5 В.

Время плавного пуска обычно находится в диапазоне от 25 до 100 тактов. Если выбрано 50 тактов при частоте переключения 20 кГц, время плавного пуска будет:

t = 1/f = 1 / 20 кГц = 50 мкс на такт                           

С2 = (время плавного пуска) / R6 = (50 мкс × 50 тактов) / 1 кОм = 2,5 мкФ

Это помогает устранить любые ложные сигналы, которые могут создаваться схемой управления при подаче питания.

Расчет индуктивности

Используемая схема подключения показана на рисунке 14.

Необходимое значение индуктивности L рассчитывается по формулам:

d = коэффициент заполнения = V _O
/V _I
= 5 В/32 В = 0.156 

f = 20 кГц (цель проектирования)

t _on
= время включения (S1 замкнут) = (1/f) × d = 7.8 мкс

t _off
= время выключения (S1 разомкнут) = (1/f) – t _on
= 42.2 мкс

Расчет выходной емкости

После расчета индуктивности фильтра рассчитывается емкость конденсатора выходного фильтра для удовлетворения требований к пульсациям на выходе. Электролитический конденсатор можно смоделировать как последовательно соединенные индуктивность, сопротивление и емкость. Чтобы обеспечить хорошую фильтрацию, частота пульсаций должна быть намного ниже частот, при которых последовательно подключенная индуктивность становится значимой. Итак, два интересующих компонента — это емкость и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Максимальное значение ESR рассчитывается в соответствии с соотношением между заданным размахом пульсаций напряжения и размахом пульсаций тока.

ESR(max) = ΔV _O(ripple)
/ ΔI _L
= 0.1 В / 1.5 A ≈ 0.067 Ом     

Минимальная емкость C3, необходимая для поддержания пульсаций напряжения V _O
на уровне менее 100 мВ, рассчитывается в соответствии с уравнением 15:

C3 = ΔI _L
/ 8fΔV _O 
= 1.5 А / (8 × 20 × 103 × 0.1 В) = 94 мкФ   

h _FE
(Q2) при I от 10 A = 5                   

Значение R10 рассчитывается по формуле:

R10 ≤  207 Ом 

На основании этих расчетов для R10 было выбрано ближайшее стандартное сопротивление резистора 220 Ом. Резисторы R11 и R12 позволяют разрядить носители зарядов в ключах транзисторах, когда они выключены.

Описанный источник питания демонстрирует гибкость схемы управления ШИМ на TL494. Эта конструкция блока питания демонстрирует многие методы управления блоком питания, обеспечиваемые TL494, а также универсальность схемы управления.

График выходных характеристик

Рекомендации по источнику питания

TL494 спроектирован для работы от питающего напряжения в диапазоне от 7 В до 40 В. Это напряжение должно хорошо стабилизироваться. Если источник питания расположен на расстоянии более нескольких дюймов от устройства, может потребоваться дополнительный конденсатор большой емкости в дополнение к керамическим байпасным конденсаторам. Танталовый конденсатор емкостью 47 мкФ будет в этом случае типовым решением, однако он может варьироваться в зависимости от выдаваемой выходной мощности.

Печатная плата

Рекомендации по проектированию печатной платы

Всегда старайтесь использовать индуктивность с низким уровнем электромагнитных помех с ферритовым сердечником закрытого типа. Такими примерами могут быть индуктивности с тороидальным сердечником и сердечником типа E. Открытые сердечники могут использоваться, если они имеют низкие характеристики электромагнитных помех и расположены немного дальше от трасс и компонентов с низким энергопотреблением. Также старайтесь расположить полюса перпендикулярно печатной плате, если используете открытый сердечник. Цилиндрические сердечники обычно издают самый нежелательный шум.

Обратная связь

Постарайтесь проложить трассу обратной связи как можно дальше от катушки индуктивности и зашумленных цепей питания. Старайтесь, чтобы трасса обратной связи была как можно более прямой и широкой. Эти два требования иногда требуют компромисса, но требование держаться подальше от электромагнитных помех катушки индуктивности и других источников шума является более важным из них. Прокладывайте трассу обратной связи на стороне печатной платы, противоположной катушке индуктивности, с земляным полигоном разделяющим их.

Входные / выходные конденсаторы

При использовании небольшого керамического конденсатора для входного фильтра его следует располагать как можно ближе к выводу V _CC
микросхемы. Это устранит как можно больше эффектов индуктивности дорожек и обеспечит более чистое напряжение питания внутренней шины микросхемы. Некоторые проекты требуют использования проходного конденсатора, подключенного от выхода к выводу «feedback», как правило, из-за требований к стабильности. В этом случае его также следует расположить как можно ближе к микросхеме. Использование конденсаторов для поверхностного монтажа также уменьшает длину проводов и снижает вероятность попадания шума в действующую антенну, создаваемую выводными компонентами.

Компоненты сглаживающего фильтра

Компоненты сглаживающего фильтра для стабильности также следует размещать рядом с микросхемой. Компоненты для поверхностного монтажа здесь также предпочтительнее по тем же причинам, что и конденсаторы фильтра. Они также не должны располагаться очень близко к катушке индуктивности.

Трассы и земляные полигоны

Сделайте все силовые (сильноточные) трассы как можно более короткими, прямыми и толстыми. На стандартной печатной плате хорошей практикой является создание дорожек с абсолютным минимумом 15 мил (0,381 мм) на ампер. Катушка индуктивности, выходные конденсаторы и выходной диод должны располагаться как можно ближе друг к другу. Это помогает уменьшить электромагнитные помехи, излучаемые цепями питания из-за высоких коммутируемых токов через них. Это также снизит индуктивность и сопротивление выводов, что, в свою очередь, уменьшит всплески шума, звон и резистивные потери, которые вызывают ошибки напряжения. Заземление микросхемы, входные конденсаторы, выходные конденсаторы и выходной диод (если он есть) должны быть подключены как можно ближе друг к другу и непосредственно к шине земли. Также было бы неплохо иметь слой земли с обеих сторон печатной платы. Это также снизит шум за счет уменьшения ошибок контура заземления, а также за счет поглощения большего количества электромагнитных помех, излучаемых катушкой индуктивности. Для многослойных плат с более чем двумя слоями земляной слой может использоваться для разделения слоя питания (где находятся трассы питания и компоненты) и сигнального слоя (где располагаются обратная связь, фильтр и компоненты) для повышения производительности. На многослойных платах потребуется использование переходных отверстий для соединения дорожек и различных слоев. Хорошей практикой является использование одного стандартного перехода на 200 мА тока, если трассе потребуется провести значительный ток от одного слоя к другому. Расположите компоненты так, чтобы петли тока переключения изгибались в одном направлении. В зависимости от способа работы импульсных регуляторов существует два состояния питания. Одно состояние, когда переключатель включен, и одно состояние, когда переключатель выключен. Во время каждого состояния будет токовая петля, созданная силовыми компонентами, которые в это время проводят ток. Расположите силовые компоненты так, чтобы во время каждого из двух состояний токовая петля имелась в одном направлении. Это предотвращает инверсию магнитного поля, полученную от трасс между двумя полупериодами и

снижает излучаемые электромагнитные помехи.

Пример трассировки печатной платы