基于tl494的開關功率放大器設計

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關 電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。TL494主要特征 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(一個電阻和一個電容)。 內(nèi)置誤差放大器。 內(nèi)止5V參考基準電壓源。 可調(diào)整死區(qū)時間。 內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力

隨著電子技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切。近年來 ，隨著功率電子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技術及開關電源理論的發(fā)展 ，新一代的電源開始逐步取代傳統(tǒng)的電源電路。該電路具有體積小，控制方便靈活，輸出特性好、紋波小、負載調(diào)整率高等特點。

開關電源中的功率調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，具有功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、溫升低、體積小等突出優(yōu)點，在通信設備、數(shù)控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電子電路中得到廣泛應用。開關電源的高頻變換電路形式很多， 常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本論文采用雙端驅(qū)動集成電路——TL494輸?shù)腜WM脈沖控制器設計小汽車中的音響供電電源，利用MOSFET管作為開關管，可以提高電源變壓器的工作效率，有利于抑制脈沖干擾，同時還可以減小電源變壓器的體積。

TL494廣泛應用于半橋式開關電源，它具有工作頻率和工作電壓高、控制方式多、價格低廉等優(yōu)點。輸出部分在上下兩端各自采用N溝道MOSFET和P溝道MOSFET構成獨特的驅(qū)動方式來驅(qū)動，負載的另一側連接到半橋方式的電容器，因此具有整體電路簡單、工作狀態(tài)穩(wěn)定、價格低廉等特點，應用于工作頻率低于10kHz、功率在15W~50W的工業(yè)用報警器時可提高產(chǎn)品的競爭力。

TL494的主要特性

TL494工作在7V~40V的寬電壓范圍內(nèi)，最大工作頻率為200kHz，內(nèi)部具有鋸齒波發(fā)生器、PWM發(fā)生器和滯后時間調(diào)整功能。

基于TL494的開關功率放大器

圖1是基于TL494的開關功率放大器的框圖。電路設計的關鍵是占空比調(diào)節(jié)電路、輸入信號壓縮電路和MOSFET驅(qū)動電路。

占空比調(diào)節(jié)電路

占空比是PWM信號調(diào)制時提高電壓利用率的關鍵。因為TL494是開關電源用集成芯片，所以在其內(nèi)部把最小滯后時間設定為0.1V電壓。最大占空比在發(fā)射級輸出時約為96%。圖2所示為輸入部分和PWM信號調(diào)制的部分電路。

在圖2中，當C4=1000pF，R4=24k時，工作頻率約為78kHz。如果沒有占空比調(diào)節(jié)電路D8、D17、R23，則因為內(nèi)部滯后時間比較器的比較點為0.1V，所以最小導通時間約為1.52μs，最小占空比為D=1.52/13≈12%。因此，PWM時電壓利用率將下降。如果使用D8、D17、R23，則會在鋸齒波發(fā)生用的電容器C4的E點產(chǎn)生0.82V的偏置電壓，把鋸齒波的起點從原來的0V提高到0.82V。因此導通時間減小到0.64μs，最小占空比減小到D=0.64/13≈4.9%，可明顯地提高電壓利用率。圖3是無占空比調(diào)節(jié)電路時輸出波形，圖4是有占空比調(diào)節(jié)電路時輸出波形。

輸入信號壓縮電路

因為報警器的輸入信號變化范圍較大，所以需要將幅度較大的信號按一定比例壓縮。在圖2中，R6、R16、D10、D11構成輸入信號壓縮電路，其關鍵是利用了二極管的輸入特性。圖5示出其輸入特性，其中D10和D11并聯(lián)，可在正負兩個方向壓縮信號。

壓縮比取決于R6、R16的值，其值越大，壓縮比越大。調(diào)整R6、R16的值，設定壓縮信號的變化范圍為-0.82V~0.82V，則變化量是1.64V。見圖4，鋸齒波電壓變化范圍是0.82V~3.25V，所以TL494內(nèi)部誤差放大器的輸出信號變化范圍是2.43V。內(nèi)部誤差放大器的增益取決于R7和R20，調(diào)整其值，當壓縮信號的變化量在1.64V時，將內(nèi)部誤差放大器的輸出信號變化范圍設定為2.43V即可。警報器大都使用高音揚聲器，因此可大幅度降低振幅較大的低音。

MOSFET驅(qū)動電路

P溝道MOSFET采用IRF9540，具有最大工作電壓100V、最大工作電流18A、VGS電壓5V~15V時飽和等特性。N溝道MOSFET采用IRF540，具有最大工作電壓100V、最大工作電流27A、VGS電壓5V~15V時飽和等特性。驅(qū)動三極管Q3采用NPN型C8050，Q7采用PNP型C8550。這兩種驅(qū)動三極管都具有最大工作電壓30V、最大工作電流1A、VBE為12V的特性。圖6為MOSFET驅(qū)動電路。

圖7所示為MOSFET驅(qū)動原理波形。當A點的脈沖電壓為低時，電流通過穩(wěn)壓二極管D7和三極管Q3的反偏形成VGS電壓，QH導通。當A點的脈沖電壓為高時，電流通過穩(wěn)壓二極管D9和三極管Q7的反偏形成VGS電壓，QL導通。圖7示出了詳細的驅(qū)動波形，其中脈沖電壓為低時，其電壓低于VL才能使QH導通，脈沖電壓為高時，其電壓高于VH才能使QL導通。從VL變化到VH需要一定時間，這時會出現(xiàn)QH和QL同時截止的狀態(tài)，因此，脈沖變化過程很安全。

QH和QL的VGS由下式?jīng)Q定：

15》VGS=VC-VD-VBE》5 (1)

式中：VGS為MOSFET的驅(qū)動電壓;VC為電源電壓;VD為穩(wěn)壓管D7和D9的穩(wěn)壓電壓(一般使用相同的穩(wěn)壓管);VBE為C8050和C8550的反擊穿電壓。

圖8是實測的驅(qū)動波形。脈沖電壓從低到高變化過程中，QH和QL同時截止的時間約為100~300ns。

輸出部分工作原理

如圖6所示，輸出部分由QH、QL和L3、C8、C5、C7構成。輸出電壓經(jīng)過L3、C8濾除高頻波后傳送到負載。一般在輸出端采用一個電解電容器，但本電路采用C5和C7構成半橋方式，然后將其中點連接到負載。這種連接方式的優(yōu)點是兩個電容器既為輸出信號的傳送通路(此時電容值是兩個電容的并聯(lián)值)，同時也對電源具有濾波作用(此時電容值是兩個電容的串聯(lián)值)，而且把電容器的內(nèi)壓降低一半。

實驗結果

表1所示為輸入電壓為35V、工作頻率為78kHz時使用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓二極管時的靜態(tài)電流。

從表1可以看出，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為0V、5V時VL和VH導通點的距離太近，同時導通時間太長，有較大的靜態(tài)電流，而20V時雖然電流較小，但MOSFET嚴重發(fā)熱。從表1可知，工作電壓為35V時穩(wěn)壓二極管的選取范圍是7.5V~15V。

實驗結果表明，把TL494的PWM信號用于N溝道MOSFET和P溝道MOSFET，構成獨特驅(qū)動方式的開關功率放大器克服了兩個功率MOSFET同時導通的缺點，具有理想的驅(qū)動波形，效率大于95%，帶寬良好且價格低廉，完全滿足工業(yè)用報警器的要求。

在18W輸出功率下，與TDA7481構成的功率放大器相比，無多大差別，而且基本上沒有發(fā)熱現(xiàn)象，可以去除散熱片。

若要獲得更大輸出功率，只需把工作電壓提高到35V以上，并配上適當?shù)姆€(wěn)壓二極管即可。