UC3842，TL494、SG3525是早期设计开关电源非常经典的三款PWM控制芯片，以前介绍过峰值电流模式单端输出脉宽控制器UC3842，主要应用于反激、正激等单端变换器，就是变压器的磁芯工作在磁化曲线的第1相限。半桥、全桥及推挽变换器的变压器的磁芯在正、负半周期分别工作在磁化曲线的第1相限与第3相限，因此，需要有双端输出PWM信号来控制两组开关管，达到调节输出电压的目的。这种双端输出脉宽控制器早期主要产品有TL494（TI公司）、SG3525（Motorola公司），其他芯片公司仿制生产TL494产品有许多派生选号，如CW494等，本文将介绍TL494。
1、内部基本结构
TL494 PWM控制器主要用于电压模式控制，其内部结构，测试电路及波形如图1所示。
(a) TL494内部结构
(b) 测试电路
(c) 测试电路波形
图1 TL494内部结构、测试电路及波形
2、管脚及封装
8个管脚的UC3842，DIP8、SO8、SOIC8这3种封装最为常用，如图2所示。
图2 TL494管脚
管脚1（1IN+）：误差放大器1的同相输入端
管脚2（1IN-）：误差放大器1的反相输入端
管脚16（2IN+）：误差放大器2的同相输入端
管脚15（2IN-）：误差放大器2的反相输入端
管脚8（C1）：驱动三极管1（集电极）输出端
管脚11（C2）：驱动三极管2（集电极）输出端
管脚5（CT）：设置振荡器频率的外加电容端
管脚6（RT）：设置振荡器频率的外加电阻端
管脚4（DTC）：死区时间控制比较器输入端
管脚9（E1）：驱动三极管1（发射极）输出端
管脚10（E2）：驱动三极管2（发射极）输出端
管脚3（FEEDBACK）：反馈输入端
管脚7（GND）：接地
管脚13（OUTPUT CTRL）：单端/并行输出或推挽模式选择输入端
管脚14（REF）：内部5V基准电压输出端
管脚12（Vcc）：芯片供电Vcc电源
3、工作原理介绍
TL494内部功能包括：PWM输出逻辑电路，锯齿波振荡器，死区时间比较器与PWM比较器，误差放大器A1和A2，内部基准电源等。
（1）PWM输出逻辑电路
PWM输出逻辑电路包括：1个或门B1，1个触发器D，2个与门，2个或非门，2个输出驱动三极管Q1和Q2。
管脚13为OUTPUT CTRL，连接到接地端（管脚7）时，2个与门输入端被封锁，2个与门输出都是低电平，2路驱动输出端完全由PWM比较器和死区时间比较器的输出来控制，这样2路驱动输出端是同步工作模式，TL494 以单端或并行模式运行。
若管脚13连接到 VREF （管脚14）时，此时，两路输出分别由触发器的同相输出端Q及反向输出端/Q控制，为双端输出方式，两路驱动输出端，即Q1与Q2的发射极输出（管脚9与10的输出信号），其相位关系是具有一定死区时间的互为倒相的信号，TL494 以正常的推挽模式运行。
（2）振荡器电路
TL494的振荡频率由外接元件RT（管脚6）、CT（管脚5）确定的锯齿波振荡器来设定，其振荡频率为：
通常，RT=5-100kΩ，CT=0.001-0.1uF。
例如：振荡器的振荡频率设置为20kHz，选取CT=0.001uF，计算RT为：
（3）死区时间比较器C2和PWM比较器C1
死区时间比较器C2的反相输入端直接与振荡器的锯齿波输出信号相连，同相输入端的内部串联0.1V的失调电压，然后连接到死区时间控制输入端（管脚4）。0.1V的失调电压限制输出的最小死区时间占一个锯齿波周期的4%，管脚4外加电压控制死区时间的设定。
VCC=15V时，外加死区时间控制电压和振荡器工作频率的占空比关系，如图3所示。
图3 死区时间控制电压与占空比关系
PWM比较器C1的反相输入端内部串联0.7V的失调电压，然后再连接到振荡器的锯齿波输出信号，同相输入端是两个误差放大器的公共反馈输出端（管脚3），0.7V的失调电压保证输出尽可能大的PWM脉冲宽度。
若管脚13与管脚14相连接，TL494设置为双端输出工作模式，死区时间控制端（管脚4）电压为固定电压V4，即死区时间td固定，误差放大器输出端（管脚3）电压为某一个电压V3时，内部对应的工作波形与输出波形，如图4所示。
图4 TL494内部工作波形
输出脉冲宽度调制由电容CT两端的正向锯齿波与另外两个控制信号进行比较后完成，当管脚3的电压V3高于振荡器的锯齿波电压时，PWM比较器C1输出为高电平（1），两个输出的或非门被封锁，Q1、Q2输出都是低电平（0）。
图5 驱动管Q1导通
图6 驱动管Q2导通
只有当锯齿波电压VCT高于管脚3和管脚4的输出电压，死区时间比较器C1和PWM比较器C2 输出都是低电平（0），或门B1输出为低电平（0），触发器输出端控制的两个或非门才有可能输出高电平（1），从而控制驱动三极管Q1和Q2导通输出信号；这时候，Q1和Q2哪一个导通输出信号，就取决于触发器的输出状态。触发器的输出端Q为低电平（0），Q1导通；/Q为低电平（0），Q2导通。
改变管脚4的电压V4可以改变死区时间td，改变管脚3的电压V3可以改变输出的脉冲宽度，V3电压越高，脉冲宽度越小，脉冲宽度可以调节范围是锯齿波周期Tosc与死区时间td之差。脉冲宽度就是主开关管导通时间ton。在双端输出工作模式下，主电路的工作周期是2倍的锯齿波振荡周期，即：Ts=2·Tosc。
（4）软起动和死区时间设定电路
改变死区时间控制端（管脚4）的电压V4，可以改变死区时间的大小。在一些应用中，需要加大死区时间，通过外加的电路就可以实现。例如，通过设定管脚4的控制电压V4，调整全桥变换器上、下桥臂开关要求的死区时间，满足系统的要求。另外，可以在管脚4外加正弦半波信号，幅值在0-3V之间变化时，输出脉冲宽度就按正弦脉宽调制薄即SPWM波形变化，通过同步逻辑控制信号，就可以使用TL494设计单相SPWM调制器波形，如图7所示。
图7 TL494管脚4电压与输出SPWM波形
同样，可以利用改变死区时间控制端（管脚4）的电压V4改变输出脉冲宽度的特性，实现主电路软起动功能。整个主电路在上电的过程中，功率变换部分才开始工作，输出电压以及电流反馈信号还没有建立，或者非常低，管脚3的电压V3非常低，TL494的脉冲宽度会达到最大，反馈调节回路或保护电路单元还没有进入正常准备好的工作状态，主电路可能产生过大的电流或电压，影响系统的安全。通常，期望在系统上电的过程中，控制器自动限制输出脉冲宽度，开始时脉冲宽度小，然后逐渐增加，慢慢进入正常工作。脉冲宽度由窄逐渐加大，慢慢进入正常工作的过程称为软起动。
半桥或全桥变换器的上、下桥臂驱动脉冲之间的死区时间，要根据开关元件的开关特性以及电路的特点来设置。软起动电路通过负斜率波形加到死区时间控制输入端（管脚4），同时进行软驱动和死区时间设定的电路，如图8所示。
图8 软驱动和死区时间设定的电路
图9 软驱动时间设定波形
当TL494的基准电压建立后，其通过电阻R1、R2对电容C1充电，电阻R1的电压等于管脚4的电压V4：
解得：
其中：
当t=∞时，
系统上电后刚开始对电容C1充电时，V4电压等于基准电压VREF，为5V；然后，随着电容通过R1进行充电，电容电压V4按指数函数规律衰减输出脉冲宽度缓慢增加，直到控制环路起作用，接管控制。当充电的时间足够长、完全稳定后，V4电压为R1和R2的分压。使用上面二个公式设计电路参数，基准电压VREF=5V，V4=3V，占空比为0，锯齿波的最高电压为3V，此时，TL494内部失调电压0.1V锁定最小死区时间是4%。
根据振荡器电容CT锯齿波电压波形，可以推出死区时间在振荡周期的占比与死区控制电压V4关系：
当V4=0.1V时，D=0.04；当V4=3V时，D=0.96，解得：
根据开关元件开关特性、主电路的结构和工作频率，选取要求的死区时间，计算死区时间在振荡周期的占比，代入上面公式，就可以计算出V4电压值。例如：锯齿波频率为40KHZ（周期为25uS），死区时间为2uS，死区时间占比为0.08，V4=0.226V。
根据V4电压值，根据公式，计算出电阻R1和R2值。然后，再根据主电路要求的软起动时间t0，RC电路在2.3倍时间常数后就达到稳定，所以，软起动电容值为：
软起动时间通常设定在25-100个开关周期范围内，例如：锯齿波频率为40KHZ（周期为25uS），主电路开关频率为20KHZ，软起动时间设定为50个开关周期，软起动时间为：50*50uS=2500uS。
当R1:R2=1:9时，软起动结束后，V4=0.1*5V=0.5V，死区时间为4uS。取R1=100K，R2=900K，软起动电容值C1为：
（5）误差放大器
TL494内部有两个误差放大器A1和A2，两个误差放大器输出分别通过二极管之后接到公共的反馈输出端（管脚3），应用中将相关反馈信号接到这些管脚，通过调节每个脉冲的占空比来稳定输出电压或进行各种保护。两个误差放大器输出分别通过二极管之后接到公共的反馈输出端，相当于“线或”逻辑功能（只要其中一个为高电平，输出就为高电平，即：只能其中一个工作，另外一个不工作，不能二个同时工作），如图10所示。因此，两个误差放大器具有一个优先问题，不能同时都作为调节作用，只能一个作为调节，另外一个作为保护使用。
图10 两个误差放大器输出"线或"
改变误差放大器输出端（管脚3）电压，就可以改变输出脉冲宽度，V3电压越高，脉冲宽度越小，TL494双端输出工作模式的一个输出端，其脉冲宽度可以在锯齿波周期TOSC和死区时间TD之间调节，脉冲宽度在0-TOSC-TD之间变化，如果死区时间控制端（管脚4）外加有电压V4，对应的死区时间为TD1，那么，脉冲宽度在0-TOSC-TD1之间变化。实际的脉冲宽度由管脚3的电压V3进行控制。两个误差放大器的输出分别通过正向二极管连接到公共端管脚3，因此，误差放大器输出正电压才能起到调节作用，两个误差放大器不能同时进行调节。采用TL494的变换器，如果要实现电压电流的双环调节，必须将电压外环在外部设置、调节后作为电流内环的给定，与输出（输入）电流反馈信号比较，然后，利用内部的一个误差放大器进行调节，另一个误差放大器可以用作过流保护或其它保护。
输出电压调节
例如：输出电压为5V，通过R1、R2分压电阻网络，取出输出电压反馈信号，连接到TL494的管脚1（内部误差放大器的同相输入端），TL494的基准电压通过R3、R4分压电阻网络，得到2.5V，连接到TL494的管脚2（内部误差放大器的反同相输入端），加上放大倍系数调节的电阻R5、R6，就构成输出电压反馈调节，如图11、图12所示。
图11 电压反馈电路
图12 RC电压反馈电路
若R1=R2=R3=R4=4.7K，代入：
输出电流调节
在一些工业电源，如电镀、逆变电焊机等，需要对输出电流做恒流调节，电流反馈调节电路如图13所示。输出电流通过取样电阻Rs采样，采样得到的电流检测电压为：Vs=-Rs·Io，其经过低通滤波后送到误差放大器A2的反相端管脚15，与电流给定的参考电压信号一起进行调节，误差放大器A2的同相端管脚16通过一个电阻接地。
当输出负载电流较小远低于电流设定值时，TL494的管脚15的电压V15为正值，经误差放大器A2放大后，A2输出为负值，对PWM比较器不起作用，输出脉冲宽度由死区比较器C2或误差放大器A1输出进行控制。
当输出负载电流变大，电流检测信号的电压绝对值增加，输出负载电流增加到一定值时，V15变为负值，经误差放大器A2放大后，A2输出为正值，PWM比较器由A2输出进行控制，输出脉冲宽度受输出负载电流的影响进行调节。当输出负载电流达到电流设定值时，误差放大器A2进入动态平衡，管脚3的电压V3维持恒定的正值不变，输出脉冲宽度也保持不变。
图13 电流反馈调节电路
TL494的管脚15的电压V15为：
其中，VCS为通过VREF与可变电阻器设定的输出电流的参考电压。
若V15电压小于0：
得到：
当Vcs、Rs确定后，只要Io大于设定值，就可以使V15<0。
过流保护
TL494的基准电压通过R7、R8分压电阻网络，得到1V，连接到TL494的管脚15（内部误差放大器的反同相输入端），电流检测电阻的电压信号连接到TL494的管脚16（内部误差放大器的同同相输入端）。
若R7=4K，R8=1K，得到：
如果过流保护的值为10A，那么，电流检测电阻值为：
图14 过流保护电路
电流检测可以使用取样电阻、电流互感器或其它电流检测器件。通常，电流取样电阻串联在输出回路、或输入回路，分别检测输出电流或输入电流。同样的过流保护值，电阻R7、R8分压获得的电流保护基准电压越小，电流取样电阻阻值越小，功耗越低；但是，电流取样电阻串联在主功率回路，容易受到共模干扰，影响检测精度，因此，电流保护基准电压也不能太低，需要在检测精度和功耗之间进行折衷处理。
参考文献：TL494数据表
