淺談開關(guān)電源PWM芯片之TL494/KA7500

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于橋式單端正激雙管式、半、全橋式開關(guān)電源。

TL494/KA7500的針腳定義如下圖所示。

Pin1(1IN+)：內(nèi)部集成的第一個(gè)體運(yùn)運(yùn)算放大器的同相腳。

Pin2(1IN-)：內(nèi)部集成的第一個(gè)體運(yùn)運(yùn)算放大器的反相腳。

Pin16(1IN+)：內(nèi)部集成的第二個(gè)體運(yùn)運(yùn)算放大器的同相腳。

Pin15(1IN-)：內(nèi)部集成的第二個(gè)體運(yùn)運(yùn)算放大器的反相腳。

Pin3(FEEDBACK)：內(nèi)部集成的兩個(gè)體運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸出并聯(lián)后在芯片外部的引出腳，此腳同時(shí)在芯片內(nèi)部與“PWM比較器”的同相腳相連。

在TL494中，還集成有另外兩個(gè)決定著是否在494的8、9腳(兩個(gè)體NPN驅(qū)動(dòng)三極管的集電極)輸出驅(qū)動(dòng)方波的比較器(這兩個(gè)比較器才是直接決定494是否輸出它激勵(lì)源的元件)，“PWM比較器”只是其中的一個(gè)，另一個(gè)是“死區(qū)控制比較器”。PWM比較器的同相輸入來自于3腳的FEEDBACK的事實(shí)，意味著1、2腳，16、15腳之間的兩個(gè)比較器的運(yùn)算結(jié)果是能夠直接影響8、9腳所輸出的驅(qū)動(dòng)方波的因素之一。因此，494事實(shí)上是通過1、2腳，16、15腳之間的兩個(gè)比較器的運(yùn)算判斷結(jié)果(某個(gè)邏輯事件是否發(fā)生)來決定是否在8、9腳輸出驅(qū)動(dòng)方波的。而學(xué)習(xí)PWM芯片，就是去明確其驅(qū)動(dòng)方波產(chǎn)生和變化的具體過程，可見，對(duì)1、2、16、15腳外圍電路的理解是學(xué)習(xí)494的重中之重。

Pin4(DTC)：Dead Time Control直譯為死區(qū)時(shí)間控制。在PWM中，“死區(qū)”指驅(qū)動(dòng)方波的低電平時(shí)段，是一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)短的概念。DTC腳實(shí)際上是通過494內(nèi)部的“死區(qū)控制比較器”來設(shè)定整個(gè)低電平時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)的。在前面的內(nèi)容中，我們已經(jīng)介紹過了“PWM比較器”也是影響驅(qū)動(dòng)方波的因素之一。因此，驅(qū)動(dòng)方波的低電平時(shí)段，一部分是由DTC腳決定的，另一部分則是“PWM比較器”(即1、2腳，16、15腳之間的兩個(gè)運(yùn)放)決定的。

Pin5(CT)、Pin6(RT)：CT為時(shí)間電容，RT為時(shí)間電阻。在PWM中，時(shí)間主要指驅(qū)動(dòng)方波的周期/頻率。連接在CT腳上的電容的容量，與連接在RT腳上的電阻阻值，直接決定著驅(qū)動(dòng)方波的周期/頻率。特別注意，CT腳在待機(jī)和正常工作狀態(tài)時(shí)均為鋸齒波，如下圖所示。

(注：表筆為1倍倍率)

CT腳在494芯片內(nèi)部接兩個(gè)重要的比較器的反相端。理解CT腳上的鋸齒波，是理解494波形產(chǎn)生過程的關(guān)鍵之一。

下圖，是德州儀器官方數(shù)據(jù)表中494的CT、RT的取值與振蕩頻率的關(guān)系圖。

不難看出，當(dāng)RT恒定時(shí)，振蕩頻率隨CT的增大而減小;當(dāng)CT恒定時(shí)，振蕩頻率隨RT的增大而減小。

Pin8(C1)、Pin9(E1)、Pin10(C2)、Pin11(E2)：他們分別是芯片集成的兩個(gè)體NPN驅(qū)動(dòng)三極管的集電極、發(fā)射極。C1、C2是494發(fā)出的驅(qū)動(dòng)方波的源頭。但是，這兩個(gè)體NPN驅(qū)動(dòng)三極管的驅(qū)動(dòng)能力有限，還不足以直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)變壓器.因此，在電源主板上還設(shè)計(jì)有與之匹配的兩個(gè)用于放大驅(qū)動(dòng)方波的NPN三極管(直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)變壓器)。

Pin12(Vcc)：芯片的供電。494的供電來自于輔助電源回路。輔助變壓器的刺激繞組有兩個(gè)抽頭，一個(gè)抽頭產(chǎn)生5VSB供電，另一個(gè)抽頭產(chǎn)生B+。此腳經(jīng)整流二極管后與輔助變壓器的對(duì)應(yīng)針腳相連。德州儀器推薦的的Vcc范圍為7V到40V，實(shí)踐中實(shí)測(cè)多為12V到24V。

Pin13(OUTPUT CTRL)：輸出控制腳。若下拉到地，則芯片集成的兩個(gè)體NPN驅(qū)動(dòng)三極管會(huì)同時(shí)截止或?qū)?兩個(gè)當(dāng)一個(gè)來用);若上拉到14腳REF，則兩個(gè)體NPN驅(qū)動(dòng)三極管中的一個(gè)在導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)截止(反之亦然)，即它們工作在推挽模式。

Pin13(REF)：參考電壓輸出腳，5V。很多芯片都有參考電壓腳。在芯片內(nèi)部，整個(gè)電壓是由低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)產(chǎn)生的。LDO是一種傻瓜式供電，只要有合適輸入，就應(yīng)該有準(zhǔn)確的輸出。其重要意義不僅僅是為了提供一路供電，更重要的在于為芯片其他引腳的工作提供了一個(gè)可參考的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(REF始終是穩(wěn)定的，不會(huì)變化的5V，)。

接下來，我們根據(jù)其內(nèi)部框架圖來分析一下494的工作原理和過程，如下圖所示。

494作為PWM芯片，其功能就是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)方波。那么，494是如何通過四個(gè)電平比較元件(兩個(gè)運(yùn)算放大器[即1、2腳，16、15腳之間的兩個(gè)運(yùn)放]、兩個(gè)比較器[“死區(qū)控制比較器”，“PWM比較器”])來控制后續(xù)元件(一個(gè)或門、脈沖驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器[正反器]、兩個(gè)與門、兩個(gè)或非門)最終驅(qū)動(dòng)Q1和Q2，才能產(chǎn)生方波波形呢?

任何PWM芯片在輸出振蕩之前所需要首先確定的一件事情就是確定其振蕩周期(周期的具體時(shí)長(zhǎng))，494是通過CT的容量和RT的阻值來確定這個(gè)事情的：CT經(jīng)時(shí)間電容到地，RT經(jīng)時(shí)間電阻到地。

接下來，以圖中或門為界，將圖劃分為左側(cè)和右側(cè)，并將或門的輸出定義為OUT-IN。這是因?yàn)閷?duì)于左側(cè)而言，OUT-IN是唯一的輸出，而對(duì)于右側(cè)而言，OUT-IN又是其唯一的輸入?？梢姡灰治銮宄薕UT-IN是如何作為輸出而產(chǎn)生的，和如何作為輸入而引起下級(jí)電路發(fā)生后續(xù)動(dòng)作的，就能把494產(chǎn)生方波的全部過程分析清楚，這是沒有問題的。

我們先分析一下OUT-IN為高電平情況。

作為或門輸出的OUT-IN如果為高電平，就說明其兩個(gè)輸入至少有一個(gè)為高電平。三種可能的情況如下：

1.死區(qū)控制比較器當(dāng)前輸出高電平，PWM比較器當(dāng)前輸出低電平(此可能是正常ATX待機(jī)時(shí)的真實(shí)輸出)

2.PWM比較器當(dāng)前輸出高電平，死區(qū)控制比較器當(dāng)前輸出低電平(此可能是正常ATX正常工作時(shí)的真實(shí)輸出)

3.死區(qū)控制比較器和PWM比較器同時(shí)輸出高電平(此種可能不存在)

在對(duì)這三種可能性做出分析之前，我們首先來思考一個(gè)問題：對(duì)于正常的ATX而言，“死區(qū)控制比較器”和“PWM比較器”這兩個(gè)比較器究竟誰最先工作?答案當(dāng)然是“死區(qū)控制比較器”。

有兩個(gè)理由：1)DTC是開機(jī)腳(拉低PSON令A(yù)TX電源開機(jī)的本質(zhì)是拉低DTC腳的電壓)，負(fù)責(zé)開機(jī)的“死區(qū)控制比較器”當(dāng)然應(yīng)該早于“PWM比較器”而工作。2)既然“PWM比較器”中有PWM的字樣，那么說明它有意義的時(shí)段一定是在已經(jīng)有了PWM振蕩波形之后，在ATX沒有開機(jī)的時(shí)段，“PWM比較器”是不工作的(存在但無意義)。

實(shí)際上，494集成在1、2腳，16、15腳之間的兩個(gè)運(yùn)放都是在開機(jī)后才工作。他們中的一個(gè)被用于穩(wěn)壓控制(本書將494中此用途的體運(yùn)放稱為“穩(wěn)壓運(yùn)放”)，一個(gè)被用于保護(hù)芯片(關(guān)閉Q1和Q2輸出，本書將494中此用途的體運(yùn)放稱為“保護(hù)運(yùn)放”)及電源。換句話說，在ATX正常待機(jī)時(shí)，1、2腳，16、15腳之間的兩個(gè)運(yùn)放是不工作的。要真正理解這個(gè)問題，就必須了解，1、2、16、15腳的外圍電路。

無論是通過實(shí)物跑線還是圖紙分析。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)運(yùn)放的同相腳都是低壓直流輸出經(jīng)過阻容反饋網(wǎng)絡(luò)后來的，而其反相腳要么直接接494的REF(保護(hù)運(yùn)放的反相腳)要么接來自REF的分壓電阻(穩(wěn)壓運(yùn)放的反相腳)。

總之，對(duì)于正常的ATX而言，在待機(jī)時(shí)，PWM比較器不工作，它輸出低電平。死區(qū)控制比較器的DTC上到高電平，輸出高電平。

我們接著分析一下作為下級(jí)電路輸入的高電平的OUT-IN，重點(diǎn)是分析它對(duì)Q1和Q2的控制。

從模塊圖中不難看出，OUT-IN是兩個(gè)或非門的輸入，當(dāng)OUT-IN為高電平時(shí)，或非門應(yīng)該輸出低電平(此時(shí)，兩個(gè)與門的輸出對(duì)或非門無影響)，即兩個(gè)體NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

有想象力的朋友應(yīng)該會(huì)做如下猜測(cè)：既然OUT-IN為高電平時(shí)，Q1和Q2截止，那么是不是當(dāng)OUT-IN為低電平時(shí)，Q1和Q2就開始(輪流)導(dǎo)通了呢?事實(shí)的確如此。

我們?cè)俜治鲆幌翺UT-IN為低電平的情況。

作為或門輸出的OUT-IN如果為低電平，就說明其兩個(gè)輸入全部為低電平，即死區(qū)控制比較器和PWM比較器同時(shí)輸出低電平。

實(shí)際上，當(dāng)我們短接PSON與地之后，已經(jīng)人為的拉低了DTC的電平(因?yàn)橛?.1V的電壓補(bǔ)償，DTC腳電壓不會(huì)被拉低到0V)，而此時(shí)“PWM比較器”剛剛開始工作，其輸出(開機(jī)一刻為低電平)即將根據(jù)反饋發(fā)生變化。

當(dāng)OUT-IN為低電平時(shí)，或非門的輸出開始受觸發(fā)器和兩個(gè)與門的影響。作為觸發(fā)器輸出的Q和Q#是反相的，我們可以任意假定一種情況分析。兩個(gè)與門的一個(gè)輸入來自13腳OUTPUT CTRL，它要么接地，要么拉高到5VREF?？傊?，與門的四個(gè)輸入一共有四種可能。 此文里指分析Q為高電平，Q#為低電平，13腳接地的情況。

當(dāng)Q為高電平時(shí)，上方的與門一個(gè)輸入為高，另一個(gè)輸入為低(接地)，與門將輸出低電平;于此同時(shí)，Q#為低電平，下方的與門一個(gè)輸入為低，另一個(gè)一個(gè)輸入低(接地)，與門輸出低電平。對(duì)于兩個(gè)或門門而言，其所有輸入都是低電平，其輸出則都為高電平，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通(Q1和Q2工作在單邊模式[single-edge mode]——兩個(gè)管子當(dāng)作一個(gè)用)。

常識(shí)告訴我們，開關(guān)管不能不受控制的導(dǎo)通。那么什么時(shí)候去關(guān)閉它呢?當(dāng)然是根據(jù)反饋。在前面的內(nèi)容中，我們已經(jīng)將494兩個(gè)體運(yùn)放中的一個(gè)命名為穩(wěn)壓運(yùn)放。接下來，我們就介紹一下這個(gè)穩(wěn)壓運(yùn)放的是如何在合適的時(shí)間去關(guān)閉開關(guān)管的。這個(gè)過程，就是主回路的穩(wěn)壓過程。

穩(wěn)壓運(yùn)放的同相腳外接“反饋”阻容網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)DTC被拉低后，494并不會(huì)立刻去打開開關(guān)管，這是因?yàn)樾酒瑑?nèi)置在DTC腳上的0.1V的補(bǔ)償電壓會(huì)提供脈寬5%左右的固有死區(qū)時(shí)間。

這是因?yàn)?ldquo;死區(qū)控制比較器”要想輸出對(duì)應(yīng)開關(guān)管打開的低電平的OUT-IN，CT腳的鋸齒波就需要先達(dá)到0.1V的電壓，從其波形不難看出，鋸齒波是從低于0.1V的某個(gè)電平線性上升的，必然要經(jīng)歷這段固有死區(qū)時(shí)間(固有死區(qū)的存在是為了保護(hù)芯片)。

當(dāng)鋸齒波上升到0.1V后，“死區(qū)控制比較器”才能夠發(fā)出低電平，或非門也才能輸出低電平的OUT-IN，Q1和Q2才開始(輪流)導(dǎo)通，主電路回路才開始工作。

當(dāng)主供電回路開始工作之后，穩(wěn)壓運(yùn)放通過(反饋)阻容網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)際輸出進(jìn)行采樣，一旦達(dá)到了反相腳設(shè)定的門限值，穩(wěn)壓運(yùn)放的輸出就從低電平變?yōu)楦唠娖剑?ldquo;PWM比較器”的輸出也會(huì)緊跟著變?yōu)楦唠娖?，或門也會(huì)輸出高電平的OUT-IN，最終去關(guān)閉Q1和Q2。隨著負(fù)載對(duì)輸出電能的消耗，實(shí)際輸出電壓有下降的趨勢(shì)，最終會(huì)又會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓運(yùn)放的輸出從高電平的輸出反相為低電平的輸出，芯片將進(jìn)入下一輪振蕩。

感興趣的朋友，還可以進(jìn)一步分析一下494的時(shí)序圖(此圖可見于摩托羅拉或FIC公司生產(chǎn)的的494的數(shù)據(jù)表)。因其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了維修需要，在此不再贅述。

綜上所述，我們通過分析得到了兩個(gè)結(jié)論。

結(jié)論一：在OUT-IN為高電平時(shí)，Q1和Q2截止;在OUT-IN為低電平時(shí)，Q1和Q2(輪流)導(dǎo)通。

顯然，Q1和Q2的截止與導(dǎo)通，必將影響到“雙NPN放大電路”中兩個(gè)NPN放大管的導(dǎo)通與截止。但并沒有做如下判定：當(dāng)Q1或Q2導(dǎo)通時(shí)，與之匹配的NPN放大管也隨之導(dǎo)通。也沒有做如下的判定：當(dāng)Q1或Q2截止時(shí)，與之匹配的NPN放大管也隨之截止。因?yàn)檫@與事實(shí)不符。因?yàn)樵贏TX待機(jī)時(shí)，可以在NPN放大管的基極B上測(cè)到一個(gè)高電平(2.3V左右)，既然NPN型的三極管是高電平導(dǎo)通，那么此時(shí)的兩個(gè)NPN放大管究竟是處于放大/飽和，亦或是截止?fàn)顟B(tài)呢?(感興趣的朋友可自行搜索“雙NPN放大電路”。)

結(jié)論二：導(dǎo)致OUT-IN為高電平的原因有兩個(gè)：1)“死區(qū)控制比較器”輸出高電平。2)“PWM比較器”輸出高電平。“死區(qū)控制比較器”實(shí)際上是它激勵(lì)源的使能，而“PWM比較器”則是它激勵(lì)源的脈寬調(diào)制。二者既有聯(lián)系又有區(qū)別。