一文详解PWM控制器TL494的工作原理

L494的降压转换器电路。

降压转换器（降压转换器）是一种DC-DC 开关转换器，可在降低电压的同时保持恒定的功率平衡。降压转换器的主要特点是效率，这意味着板载降压转换器可以延长电池寿命、减少热量、减小尺寸并提高效率。

一、降压转换器如何工作？

降压转换器

上图显示了一个基本的降压转换器电路。如果要了解降压转换器的工作原理，可以分2种情况，一是晶体管导通、二是晶体管关断。

1、晶体管导通状态

晶体管导通状态

在这种情况下，我们可以看到二极管处于开路状态，因为它处于反向偏置状态。在这种情况下，一些初始电流将开始流过负载，但电流受到电感的限制，因此电感也开始逐渐充电。因此，在电路导通期间，电容周期积累电荷，并且该电压反映在负载两端。

2、晶体管关断状态

晶体管导通状态

当晶体管处于截止状态时，存储在电感 L1 中的能量崩溃并通过二极管 D1 流回，如电路中的箭头所示。在这种情况下，电感两端的电压呈反极性，因此二极管处于正向偏置状态。现在由于电感磁场的崩溃，电流继续流过负载，直到电感耗尽电荷。

在电感几乎耗尽存储能量的一段时间后，负载电压再次开始下降，在这种情况下，电容 C1 成为主要电流源，电容在那里保持电流流动直到下一个周期开始再次。

通过改变开关频率和开关时间，我们可以从降压转换器获得从 0 到 Vin 的任何输出。

三、集成电路 TL494

在构建TL494降压转换器下之前，先了解 PWM 控制器 TL494 的工作原理。TL494 IC 有 8 个功能块，如下所示和描述。

集成电路 TL494

1、5V 参考稳压器

5V 内部参考稳压器输出是 REF 引脚，即 IC 的引脚 14。参考稳压器为内部电路提供稳定的电源，如脉冲控制触发器、振荡器、死区时间控制比较器和 PWM 比较器。稳压器还用于驱动负责控制输出的误差放大器。

5V 参考稳压器

该基准在内部编程为 ±5% 的初始精度，并在 7V 至 40V 的输入电压范围内保持稳定性。对于低于 7V 的输入电压，稳压器在输入的 1V 范围内饱和并跟踪它。

2、振荡器

振荡器生成锯齿波并向死区时间控制器和 PWM 比较器提供各种控制信号。振荡器的频率可以通过选择定时元件R T 和 C T来设置。

振荡器

振荡器的频率可以通过下面的公式计算：

F= 1/(RT * CT)

仅对于单端应用，振荡器频率等于输出频率。对于推挽应用，输出频率是振荡器频率的二分之一。

3、死区时间控制比较器

死区时间或简单地说关断时间控制提供最小死区时间或关断时间。当输入电压大于振荡器的斜坡电压时，死区时间比较器的输出会阻止开关晶体管。向DTC引脚施加电压会产生额外的死区时间，因此当输入电压从 0 到 3V 变化时，会提供从最小值 3% 到 100% 的额外死区时间。简单来说，我们可以在不调整误差放大器的情况下改变输出波的占空比。

死区时间控制比较器

110 mV 的内部偏移确保死区时间控制输入接地时的最小死区时间为 3%。

4、 误差放大器

两个高增益误差放大器都从 VI 电源轨接收偏置。允许共模输入电压范围从 –0.3 V 到 2 V，低于 VI。两个放大器的行为都具有单端单电源放大器的特征，因为每个输出仅为高电平有效。

误差放大器

5、输出控制输入

输出控制输入

输出控制输入决定了输出晶体管是以并联模式还是以推挽模式运行。通过将引脚 13 的输出控制引脚接地，可将输出晶体管设置为并联运行模式。但通过将此引脚连接到 5V-REF 引脚，可将输出晶体管设置为推挽模式。

6、输出晶体管

该 IC 有两个内部输出晶体管，采用集电极开路和发射极开路配置，通过它们可以提供或吸收高达 200mA 的最大电流。

输出晶体管

这些晶体管在共发射极配置中的饱和电压小于 1.3 V，在射极跟随器配置中的饱和电压小于 2.5 V。

四、TL494 IC的特点

完整的 PWM 电源控制电路

用于 200mA 灌电流或拉电流的未指定输出

输出控制选择单端或推挽操作

内部电路禁止在任一输出端出现双脉冲

可变死区时间提供对总范围的控制

内部稳压器提供稳定的 5V

具有 5% 容差的参考电源

电路架构允许轻松同步    

五、TL494降压转换电路元器件清单

TL494 集成电路 - 1

TIP2955 晶体管 - 1

螺钉端子 5mmx2 - 2

1000uF,60V电容 - 1个

470uF,60V 电容 - 1

50K,1% 电阻 - 1

560R 电阻 - 1

10K,1% 电阻 - 4

3.3K,1% 电阻 - 2

330R 电阻 - 1

0.22uF 电容 - 1 个

5.6K,1W电阻 - 1个

12.1V 齐纳二极管 - 1

MBR20100CT 肖特基二极管 - 1

70uH (27 x 11 x 14 ) mm 电感 - 1

电位计 (10K) Trim-Pot - 1

0.22R 电流检测电阻 - 2

复合板通用 50x 50mm - 1

PSU 散热器通用 - 1

跳线通用 - 15

六、TL494降压转换电路原理图，示意图

高效降压转换器的电路图如下所示。

TL494降压转换电路原理图
 

七、TL494降压转换电路

如果将大负载连接到输出降压转换器，那么大量电流将流过PCB走线，并且走线有可能被烧毁。(电路一点通）因此为了防止PCB走线烧坏，加入了一些有助于增加电流的跳线，另外用厚厚的焊料层加固了PCB走线，用来降低走线电路。

电感由 3 股平行的 0.45 平方毫米漆包铜线构成。

TL494降压转换电路

 

八、TL494降压转换电路 PCB 3D浏览图

对于大电流降压转换器，电路是根据原理图和PCB设计文件（Gerber 文件）制作的。通过Gerber文件还可以查看 3D浏览图，具体如下所示：

如果想获取Gerber文件，浏览 3D流览图链接：
https://www.aiema.cn/share?t=share&id=6JXn&name=TL494%E9%99%8D%E5%8E%8B%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8

1、PCB 正面图

PCB 正面图

2、PCB 背面图

PCB 背面图

3、PCB 透视图

PCB 透视图

4、PCB 等轴视图

PCB 等轴图

5、PCB 分层图

PCB 分层图

 

九、TL494降压转换电路数值计算

为了计算正确的电感和电容，做了一个这样的表格

TL494降压转换电路数值计算

 

十、测试TL494降压转换电路

为了测试电路，使用以下设置，如上图所示，输入电压为41.17V,空载电流为 0.015 A，所以空载功率低于0.6W。

测试TL494降压转换电路

1、用于测试电路的工具

12V铅酸电池。

具有 6-0-6 抽头和 12-0-12 抽头的变压器

5 10W 10r 电阻并联作为负载

Meco 108B+真有效值万用表

Meco 450B+真有效值万用表

Hantek 6022BE 示波器

2、TL494降压转换器输入功率

TL494降压转换器输入功率

 

从上图中可以看出，负载条件下输入电压降至27.45V，输入电流为3.022A，相当于82.9539W的输入功率。

3、TL494降压转换器输出功率

TL494降压转换器输出功率

从上图中可以看出，输出电压为 12.78V，输出电流为 5.614A，相当于 71.6958W 的功率消耗。

所以电路的效率变为(71.6958 / 82.9539) x 100 % = 86.42 %

电路中的损耗是由于为 TL494 IC 供电的电阻和测试表中绝对最大电流消耗。

TKL494降压转换器损耗功率

从上图可以看出，电路的最大电流为6.96 A，差不多。

在这种情况下，电路最主要的问题是变压器，所以没有增加负载电流。但是通过设计散热器，也可以获得超过10A的电流。

十一、TL494降压转换电路改进

上面这个TL494降压转换器电路主要是为了演示，但是应该在电路输出部分增加保护电路的。

必须加一个输出保护电路来保护负载电路。

电感需要浸入清漆中，否则会产生噪声。

PCB设计应该更精致一点，不应该这么粗糙。

修改开关晶体管以增加负载电流。

编辑：黄飞