|
关于DC/DC电源和EMI的讨论
空格讲解TL494.其实真正拦住开关电源工程师入门脚步的是三个技术门槛,他们分别是电源管理芯片的原理,功率管如何选择,需要考虑哪些参数,高频变压器的设计.前面我已经讲解了高频变压器的设计步骤,酝酿了一个多星期,开始着手讲解电源管理芯片的知识点.
空格很多菜鸟们拿到电路图纸时不知道如何分析电路原理.大家不需要把电路原理分析想象的那么的难,只需要具备一些基本功,对于电路原理图的分析基本就没有问题了.首先需要具备的知识点是认识每一个元器件所代表的符号,包括电阻,电容,二极管,三极管,mos管,运放,比较器,变压器,与门,或门等.其次需要具备的知识点就是知道每一个元器件的作用,在这里并不需要大家知道如何精确计算各节点的电气参数.第三个需要了解并熟悉的就是开关电源管理芯片各管脚的定义以及内部拓扑结构.电源管理芯片内部拓扑结构的分析其实是建立在第一项和第二项的基础之上的.第四个就是大家看到不管多么复杂的电路,它的连接方式只有两种,并联或串联.
空格下面转入正题,分析TL494内部框图,老方法上近照
空格 为了便于大家理解,我又找了一份内部框图,该框图取自TI公司TL494技术手册
空格上述第一幅图为TL494的常规管脚定义图,这个不是我们的重点.第二幅图才是我们的重点,这个就是TL494的内部拓扑结构图.我讲解分析的方法还是采用我以前的老套路,自己的经验理解再加别人的文章论文验证.因为讲解电源管理芯片的书籍比较少,能借鉴的资料通常都是论文,所以有讲解错误的地方或者讲解不到位的地方,大家尽管提。
空格在正式讲解TL494内部拓扑结构之前,先给大家补充说明一下TL494内部常见元器件的作用。
空格何为误差放大器,顾名思义就是将很小的误差信号放大的器件,实质是把两个输入端的差值进行放大输出.它本质上是运算放大器,必须采用闭环控制,根据负反馈信号实现误差放大.该器件要求高共模抑制比,低温漂.因为误差放大器可以放大微弱的差值信号,所以它的应用可以提高系统的灵敏度以及调节精度,降低调节误差.当然,TL494内部集成了该功能器件,拓扑结构中的电气符号为
空格何为电压比较器,根据名称联想一下它的作用,既然涉及到比较,那当然需要至少两个电压值. 当正输入端电压高于负输入端电压时,输出为高电平.当正输入端电压低于负输入端电压时,电压比较器输出为低电平.这就是电压比较器的作用,就这么简单.比较器大致分为三种,还有两种为窗口比较器和迟滞比较器(这里就不讲了,想了解它的朋友百度之).在TL494中电压比较器的电气符号为
空格大家看到误差放大器和比较器的电气符号后,是否一这样一个疑问.这两玩意怎么长的如此相似,他们之间有什么区别呢.它们之间的区别可以归纳为三点(这是我个人总结的,如有不对,望大家及时指正).第一个差异可以根据电路图分析得来,通常运放是带有负反馈环路的,也就是所谓的闭环负反馈控制(主要作用是防止自激振荡).而比较器通常是开环的,不需要负反馈控制环路.第二个差异,因为运放需要负反馈控制,而比较器只需要输出高低电平,所以通常运放处理信号的速度没有比较器处理信号的速度快.第三个差异就是它们输出端的结构不同.简单地说二者输入端相同,但输出端不同.二者都可以输入模拟信号,但运放输出的仍是模拟信号,其输出端结构一般为推挽输出结构.而比较器输出的是数字0/1电平,其输出端一般为开漏输出结构.对于工作频率较低的场合,运放可以替换比较器,反过来比较器大部分情况不能当作放大器使用.因为比较器为了提高速度,内部电路结构进行了优化,这种优化减小了闭环稳定的范围.而运放专为闭环稳定范围进行优化,故降低了速度.关于运放和比较器的差异就讲这么多,如果以后有机会,我可以专门开一帖,为大家详细讲一讲运放和比较器的异同点.
空格接下来讲的就是TL494内部框图中用到的数字逻辑门电路.在该电路图中涉及到了与门,或门,或非门.这个知识点相对就简单很多了.
空格 第一个说的就是与门.何为与门,即执行与运算的基本逻辑门电路,它有多个输入端,一个输出端.当所有的输入同时为高电平(逻辑1)时,输出才为高电平,否则输出为低电平(逻辑0).
空格第二个为或门.何为或门,即执行或运算的基本逻辑门电路.或门有多个输入端,一个输出端.只要输入中有一个为高电平时(逻辑1),输出就为高电平(逻辑1).只有当所有的输入全为低电平(逻辑0)时,输出才为低电平(逻辑0).
空格第三个为或非门,何为或非门,即执行或非运算的基本逻辑门电路.只有当两个输入同为低电平(逻辑0)时输出为高电平(逻辑1),也可以理解为任意输入为高电平(逻辑1),输出为低电平(逻辑0).
空格接下来需要讲解的就是恒流源.顾名思义就是输出电流保持恒定的电流源.恒流源不因负载(输出电压)变化而改变,不因环境温度变化而改变,内阻为无穷大,以使电流可以完全输出.恒流源的实质是通过电流负反馈,动态调节负载的供电状态,使电流趋于恒定.恒流源的常见结构为:
空格在TL494的电路框图中,恒流源输出恒定电流为0.mA,主要给PWM输出比较器供电,其电气符号为
空格接下来需要讲的就是TL494 PWM波输出端的三极管Q1,Q2.在这里我不想讲的太复杂.三极管是电流控制电流型器件.它的工作区域分为饱和区,放大区,截止区.根据不同的工作区域,三极管有三种不同的作用.第一就是导通作用,相当于家庭常用的开关之开状态.第二就是放大作用,相当于大礼堂里的话筒把微弱的声音放大无数倍,以使每个角落里的人都能听到.第三个作用就是关闭作用,相当于家庭常用的开关之关状态。在TL494内部框图电路中,三极管起开关作用,你只需要这么理解,就这么简单.
空格继续,上一讲还有一个器件没有讲到,那就是D触发器.先将TL494内部框图中的D触发器照片贴出来,给大家一个直观的印象
空格这就是它的近照.从照片上我么可以看到这玩意长了四条腿,这么多条腿具体的作用是什么,我们下面具体来讲一讲.
要想了解它的作用,我们首先要讲一讲它的父辈,RS触发器.RS触发器是构成其它各种功能触发器的基本组成部分,所以又称为基本RS触发器.
空格把两个与非门或者或非门输入输出端交叉连接在一起,即构成基本RS触发器,它有两个输入端R,S和两个输出端Q,Q非.
空格首先上它的近照(该资料引自阎石老师<数字电子技术基础>(第五版)),在书中它的名字为SR锁存器,其实是一个意思.
空格严格地说,RS触发器并不是真正意义上的触发器,因为它并不需要外界高低电平的触发,下面这段话还是引自阎石老师<数字电子技术基础>(第五版)
当锁存器两输入端加入不同逻辑电平,两个输出端Q和Q非有两种互补的输出状态.规定锁存器Q端状态作为锁存器输出状态,通常锁存器处于某种状态，实际就是指它Q端的输出状态。当Q=1,Q非=0时,称锁存器处于1态,反之处于0态.S=0,R=1使锁存器置1，或称置位.因置位的决定条件是S=0,故称S 端为置1端.R=0,S=1时,使锁存器置0或称复位.把它的真值表贴出来给大家参考比较直观一点.
空格上述的SR锁存器能实现基本的信号锁存的作用,但是它的功能太单一了,人们希望在需要它锁存时才起作用,那我们该怎么改呢,很简单,再加一个使能端就能实现上述的功能.不过这个使能端是通过时序来控制的,根据不同的时钟序列来控制SR锁存器的开和关,上近照
空格看到它的近照,大家是否一目了然.所谓的使能端不过是在原先的SR锁存器之前加了两个与非门.具体的作用,我感觉还是阎石老师那本<数字电子技术基础>讲的比较清楚,贴出来和大家分享一下.
空格上述的锁存器输入端口为三个,分别为S输入端口,R输入端口以及时钟序列输入端口.三个输入端口毕竟还是啰嗦了一点,如果我想把输入端口减少一个,可以吗?答案是肯定的,只需要把S端口和R端口合并为一个就行了.这个端口的合并诞生了一个新的功能元件,它就是今天我们要讲的主题D触发器.
空格怎样把S端口和R端口合并为一个呢?只需要再增加一个非门就行了,D触发器就是建立在上述的电平触发锁存器基础上的,我们上近照
空格D触发器是如何工作的呢,根据上图分析很简单.D触发Q端的输出状态直接受控与D输入端以及CLK时序输入端
空格上面讲了这么多,总算是把TL494内部框图中各电气符号的作用讲解好了(如果有讲的不清楚的地方,大家发帖留言就行了),其实TL494内部各元器件讲解好了,大家应该对它的工作原理有所了解了.下一讲开始讲解TL494内部各功能模块之间是如何协调工作的。
空格继续讲解TL494电源管理芯片,首先讲解的是TL494各管脚功能作用.
空格按照顺序来介绍吧,1脚为TL494内部自带的1号误差放大器A1的同向输入端 IN1+.2脚为TL494内部自带的1号误差放大器A1的反向输入端IN1-.误差放大器A1,A2具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围.两个运放的输出端分别通过一个二极管和PWM比较器引脚及后续电路相连,这样保证了两运放中较高的输出电平进入后级电路.
空格3脚为误差放大器A1、A2输出端,同时也是TL494内部自带的用于控制PWM比较器的同相输入端.当误差放大器A1,A2输出电压升高至分别大于0.7V以及0.12V时,PWM比较器输出为高电平1,经过控制后端逻辑门电路,最终使输出脉宽减小.该输出端还可与误差放大器A1,A2的反向输入端2脚15脚接入RC频率校正电路及直流负反馈电路,用于稳定误差放大器增益,防止其高频自激振荡,烧毁外部驱动的功率管.3脚电压反比于输出脉宽.如果将3脚接入控制信号(约为0.5V-3.6V),当调节控制信号至3.6V时,可以关闭输出PWM,从而关闭电源.
空格 4脚为死区时间控制端.通过该引脚可以控制TL494死区时间.从而限制最大占空比.可设置的每一端的占空比上限最高为45%,在工作频率高于150KHz时,占空比上限是42%左右.当该管脚电压从0.5V变化到3.5V时,输出脉冲宽度从最大导通时间下降到零.
TL494内置线性锯齿波振荡器，产生0.3~3V的锯齿波.5脚为锯齿波振荡器外接定时电容Ct端,6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻Rt端.振荡频率可通过外接电容电阻调节,其振荡频率计算公式为f=1/RtCt,其中Rt的单位为欧姆,Ct的单位为法拉.通过示波器可以在Ct引脚测量到产生的锯齿波. 7脚为共地端.
8,11脚为两路PWM输出端,从电路框图中可以看出是末级驱动放大器NPN管的集电极开路输出端.两路PWM波时序刚好相差180゜.9,10脚为两路驱动放大器的发射极开路输出端,也是对应的脉冲参考地端.
12脚为Vcc电源输入端.供电范围为8～40V.
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,此时8,11脚和9,10脚可直接并联,双端输出的最大驱动电流为2×200mA,并联运用时最大驱动电流为400mA.
空格TL494内置了基于带隙原理设计的电压基准源,14脚即为该基准电压输出端.输出电压为5±0.25V,最大负载电流为10mA.当14脚作为基准源时,VCC电压必须大于7V.
空格15脚为误差放大器A2的反向输入端IN2-,16 脚为误差放大器A2的同向输入端IN2+.
接下来需要讲解的是TL494脉宽调节的原理.TL494是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，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实现.功率输出管Q1和Q2受控于或非门.当D触发器的时钟信号为高电平时才会被选通，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,输出脉冲宽度将减小.
空格具体的孔子过程如下,首先振荡器产生固定频率的锯齿波送到PWM比较器的反相输入端,脉冲调宽电压输送至PWM比较器的同相输入端.两电压信号进行比较,当脉宽调节电压变化时,TL494输出的脉冲宽度也随之改变,通过改变开关管的导通和关闭时间达到调节稳定输出电压的目的.
空格脉冲调宽电压可由3脚输入电压控制,也可分别从两误差放大器的输入端送入,通过比较放大,最后经隔离二极管输出到PWM比较器的同相输入端.两放大器可独立使用,分别用于反馈电压控制和过流保护等,此时3脚应接RC频率校正电路,防止运放自激振荡,提高整个电路的稳定性.
空格TL494的测试时序图以及硬件测量电路传上来供大家参考
空格上面讲解的是TL494的原理应用,下面讲一讲如何判断TL494是否损坏,电源工程师常用的判断工具通常是万用表.通过万用表测量电压和电阻即可判断TL494是否正常,下面贴出TL494电压及电阻测量参数.
空格通过该表格应该有助于大家判断TL494是否正常工作.
接下来将TL494的极限测量参数贴出来供大家参考,该参数对应用环境比较苛刻的电源可以做个参考
空格 TL494这款芯片其实既可以调节频率也可以调节脉宽.在常规的开关电源中,TL494都是脉宽调节的,但是在感应加热电源中同行采用频率调节的方式实现控制.对于感应加热电源只是稍微了解一下,所以就不深入讲解了.今天主要是想给大家讲一讲电源管理芯片脉宽调节的方式.
空格首先给大家普及一下开关电源的反馈控制方式.开关电源目前有两种反馈控制方式,一种为电压反馈控制,一种为电流反馈控制.电压反馈控制,通常采用负载电压作为反馈环节.而电流控制模式的控制却是双环控制,分为内环和外环.内环通常是将输出电感电流或者负载电流作为反馈环,而外环的控制方式通常也是将负载电压作为反馈环.
下图为电压反馈环路控制方式,这种控制方式是最常见的控制方式
空格电压环对于负载电流并不能直接进行控制
空格电压环控制的优缺点
空格接下来给大家讲一讲电流环控制方式,下图为电流环控制方式框图
空格电流环路中采样的电流通常是负载电流或者电感电流的峰值电流(目前对于电流的采样控制又多了平均电流控制,滞环电流模式控制,相加模式控制),下面贴出这种控制模式的优缺点
电压模式控制和电流模式控制之间的对比,贴出来供大家学习
其实采用电流环控制的优点主要是输出级的传递函数不管在CCM模式还是DCM模式均相似,当负载出现波动时,电源的动态特性不会出现大幅度的波动,电源的补偿网络设计可以相对简化很多.
空格接下来给大家讲一讲电源管理芯片内部常见的组成模块,其实电源管理芯片内部的功能电路和开关电源的功能是一样的,也分为供电电路,启动电路,振荡电路,反馈电路,保护电路,补偿电路,逻辑控制电路等,只不过这些功能都已经集成在一块芯片上而已,下面这些电源芯片的组成模块是我参考了几份论文资料截取的,供大家参考
空格电源管理芯片内部大致的拓扑结构图我也贴出来供大家学习
空格大家看了之后,是否会觉得这些框图大同小异,和TL494的内部框图基本是一样的.如果你有这种感觉,那就对了,你已经不再排斥电源芯片内部框图的分析了.如果想真正理解开关电源是如何工作的,必须要了解电源管理芯片是如何工作的,如果这个不了解,那很难说一个人真正理解了某一款开关电源是如何工作的。
空格当初学习开关电源时,电源管理芯片内部框图的分析困惑了我很长时间,一直觉得电源管理芯片内部框图的分析是难点.后来不断的翻看很多基础的电路知识,在基础夯实了之后,再重新尝试慢慢分析这些电源管理芯片内部框图时,感觉简单了很多.在这里其实是想强调一点,模电和数电基础很重要,大家一定不要忽视.电路基本功扎实对于你的后续学习很重要。
|
