基于tl494的开关功率放大器设计

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关 电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。TL494主要特征 集成了全部的脉宽调制电路。 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个(一个电阻和一个电容)。 内置误差放大器。 内止5V参考基准电压源。 可调整死区时间。 内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。近年来 ，随着功率电子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技术及开关电源理论的发展 ，新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。该电路具有体积小，控制方便灵活，输出特性好、纹波小、负载调整率高等特点。

开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。开关电源的高频变换电路形式很多， 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文采用双端驱动集成电路——TL494输的PWM脉冲控制器设计小汽车中的音响供电电源，利用MOSFET管作为开关管，可以提高电源变压器的工作效率，有利于抑制脉冲干扰，同时还可以减小电源变压器的体积。

TL494广泛应用于半桥式开关电源，它具有工作频率和工作电压高、控制方式多、价格低廉等优点。输出部分在上下两端各自采用N沟道MOSFET和P沟道MOSFET构成独特的驱动方式来驱动，负载的另一侧连接到半桥方式的电容器，因此具有整体电路简单、工作状态稳定、价格低廉等特点，应用于工作频率低于10kHz、功率在15W~50W的工业用报警器时可提高产品的竞争力。

TL494的主要特性

TL494工作在7V~40V的宽电压范围内，最大工作频率为200kHz，内部具有锯齿波发生器、PWM发生器和滞后时间调整功能。

基于TL494的开关功率放大器

图1是基于TL494的开关功率放大器的框图。电路设计的关键是占空比调节电路、输入信号压缩电路和MOSFET驱动电路。

占空比调节电路

占空比是PWM信号调制时提高电压利用率的关键。因为TL494是开关电源用集成芯片，所以在其内部把最小滞后时间设定为0.1V电压。最大占空比在发射级输出时约为96%。图2所示为输入部分和PWM信号调制的部分电路。

在图2中，当C4=1000pF，R4=24k时，工作频率约为78kHz。如果没有占空比调节电路D8、D17、R23，则因为内部滞后时间比较器的比较点为0.1V，所以最小导通时间约为1.52μs，最小占空比为D=1.52/13≈12%。因此，PWM时电压利用率将下降。如果使用D8、D17、R23，则会在锯齿波发生用的电容器C4的E点产生0.82V的偏置电压，把锯齿波的起点从原来的0V提高到0.82V。因此导通时间减小到0.64μs，最小占空比减小到D=0.64/13≈4.9%，可明显地提高电压利用率。图3是无占空比调节电路时输出波形，图4是有占空比调节电路时输出波形。

输入信号压缩电路

因为报警器的输入信号变化范围较大，所以需要将幅度较大的信号按一定比例压缩。在图2中，R6、R16、D10、D11构成输入信号压缩电路，其关键是利用了二极管的输入特性。图5示出其输入特性，其中D10和D11并联，可在正负两个方向压缩信号。

压缩比取决于R6、R16的值，其值越大，压缩比越大。调整R6、R16的值，设定压缩信号的变化范围为-0.82V~0.82V，则变化量是1.64V。见图4，锯齿波电压变化范围是0.82V~3.25V，所以TL494内部误差放大器的输出信号变化范围是2.43V。内部误差放大器的增益取决于R7和R20，调整其值，当压缩信号的变化量在1.64V时，将内部误差放大器的输出信号变化范围设定为2.43V即可。警报器大都使用高音扬声器，因此可大幅度降低振幅较大的低音。

MOSFET驱动电路

P沟道MOSFET采用IRF9540，具有最大工作电压100V、最大工作电流18A、VGS电压5V~15V时饱和等特性。N沟道MOSFET采用IRF540，具有最大工作电压100V、最大工作电流27A、VGS电压5V~15V时饱和等特性。驱动三极管Q3采用NPN型C8050，Q7采用PNP型C8550。这两种驱动三极管都具有最大工作电压30V、最大工作电流1A、VBE为12V的特性。图6为MOSFET驱动电路。

图7所示为MOSFET驱动原理波形。当A点的脉冲电压为低时，电流通过稳压二极管D7和三极管Q3的反偏形成VGS电压，QH导通。当A点的脉冲电压为高时，电流通过稳压二极管D9和三极管Q7的反偏形成VGS电压，QL导通。图7示出了详细的驱动波形，其中脉冲电压为低时，其电压低于VL才能使QH导通，脉冲电压为高时，其电压高于VH才能使QL导通。从VL变化到VH需要一定时间，这时会出现QH和QL同时截止的状态，因此，脉冲变化过程很安全。

QH和QL的VGS由下式决定：

15》VGS=VC-VD-VBE》5 (1)

式中：VGS为MOSFET的驱动电压;VC为电源电压;VD为稳压管D7和D9的稳压电压(一般使用相同的稳压管);VBE为C8050和C8550的反击穿电压。

图8是实测的驱动波形。脉冲电压从低到高变化过程中，QH和QL同时截止的时间约为100~300ns。

输出部分工作原理

如图6所示，输出部分由QH、QL和L3、C8、C5、C7构成。输出电压经过L3、C8滤除高频波后传送到负载。一般在输出端采用一个电解电容器，但本电路采用C5和C7构成半桥方式，然后将其中点连接到负载。这种连接方式的优点是两个电容器既为输出信号的传送通路(此时电容值是两个电容的并联值)，同时也对电源具有滤波作用(此时电容值是两个电容的串联值)，而且把电容器的内压降低一半。

实验结果

表1所示为输入电压为35V、工作频率为78kHz时使用不同稳压值的稳压二极管时的静态电流。

从表1可以看出，稳压二极管的稳压值为0V、5V时VL和VH导通点的距离太近，同时导通时间太长，有较大的静态电流，而20V时虽然电流较小，但MOSFET严重发热。从表1可知，工作电压为35V时稳压二极管的选取范围是7.5V~15V。

实验结果表明，把TL494的PWM信号用于N沟道MOSFET和P沟道MOSFET，构成独特驱动方式的开关功率放大器克服了两个功率MOSFET同时导通的缺点，具有理想的驱动波形，效率大于95%，带宽良好且价格低廉，完全满足工业用报警器的要求。

在18W输出功率下，与TDA7481构成的功率放大器相比，无多大差别，而且基本上没有发热现象，可以去除散热片。

若要获得更大输出功率，只需把工作电压提高到35V以上，并配上适当的稳压二极管即可。