由TL494构成的恒流闭环控制电路的设计与实现 - 全文

　　引言

　　开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点，因此近年来获得了迅速的发展。目前，开关电源的控制方式一般采用脉宽调制方式，而控制电路的性能是适应电源整机性能要求的关键。

　　一个电源在工作过程中，当输入、输出条件变化时，电源应具有自我调节的能力，这就要求电源的主电路具有稳定输出电压和输出电流的功能。控制电路应能对主电路的输出电压和输出电流进行检测，然后将检测值同设定参考值相比较得出误差值，利用该误差值进行一定计算和处理后去控制主电路，使输出值不断接近设定值，从而达到稳定输出的目地。

　　1、设计方案及原理

　　本控制系统采用了双闭环调节控制方式，框图如图1所示。

　　

　　从图1中可以看出，内环是恒流控制，外环是恒压控制。两个控制环之间加一个电子控制开关Ｋ，当需要恒流时，打到恒流挡；当需要恒压时，打到恒压挡。

　　调节过程如下：

　　

　　可见，恒压是通过改变恒流来实现的，电压信号经放大处理，转换成电流给定信号，由恒流系统来处理。之所以采用双闭环调节系统，是为了满足一机多功能的需要。在一些生产过程中，例如电镀工艺通常要求电源具有恒流调节能力，而阳极氧化工艺，则要求电源具有恒压调节能力。在所做的大量试验中发现，采用2个单闭环（恒流和恒压）不如采用一个双闭环系统稳定，性能好；在如图1所示的系统框图中可以看出，2个闭环共用同一个PWM处理，使系统简单、安全可靠。这是本控制电路的设计特点。

　　2、系统的实现

　　在图1系统框图中可以看出，核心部件是脉宽调制器，它负责把模拟信号转换成与之相对应的脉宽信号。本系统中，脉宽调制器、放大器及误差比较器共用一块集成片TL494。

　　2.1TL494简介

　　TL494是一种频率可以任意设定的脉宽调制控制器，它含有振荡频率由外接元件RT，ＣR（6脚、5脚）确定的锯齿波振荡器，其振荡频率为式中：

　　

　　式中：RT为5~100k欧;GT为0。001~0。1uf。

　　输出脉冲的宽度调制是由电容ＣT两端的正向锯齿波和另外2个控制信号进行比较后得到的。只有当锯齿波电压小于3，4两脚输入的控制信号时，触发器输出的时钟才处于低电平。因此，随着控制信号幅值增加，输出脉冲的宽度将减小。在死区时间，控制比较器Ｃ的输入端有0．12V的失调电压，限制了输出最小死区时间（约占一个周期的4％）。

　　TL494内部有2个误差放大器EA1；，EA2（脚1，2，15，16）和一个反馈输入端（脚3），在使用时将反馈信号接入这些脚，通过调节每个脉冲的占空比来稳定输出以及进行各种保护。

　　2．2由TL494构成的恒流闭环控制系统

　　由TＩ．ｘ９4构成的恒流闭环控制系统如图2所示，其中包括电流给定信号处理、过流保护、掉电保护、误开机保护以及校正网络等主要功能。ｌ，二两端是电流反馈信号输人端，3，4两端是电流给定信号输入端，5，6两端是脉冲信号输出端。

　　

　　工作状况：由3，4两端输入的电流给定信号与由HAｌｌ电流传感器采样输出的反馈电流信号（1，2两端）分别经由电阻R36，R14送至IC2的2脚，两个信号由TL494内部的误差放大器进行比较、放大，其结果是在IC2的5，6两端给出了一个占空比合乎现时给定要求的弱驱动信号，再经驱动电路级放大、整形及隔离，就直接作用到主电路的大功率器件上，从而控制了输出电流的大小。

　　电路中，由IC4输出电流给定信号，其输出电流给定状态由晶体管T1，T2，T3的导通和截止状态来确定。输出电流给定值则分别由电位器VR2和VR3来控制。VR2和VR3两者的输出格局，要由微型机的3，4两个端子的连通或断开来认定：当3，4两个端子未连通时，晶体管T1，T3截止而晶体管T2导通，此时，IC4输出由VR2来控制；当3，4两个端于连通时，T2截止而T1，T3导通，这时的输出则由VR3控制。若3，4两个端子作周期性的连通与断开换接，则输出电流为对应周期的电流。

　　TL494的15脚通过2个电阻R15，R16在基准电压上分得一恒定电压来获得新的基准电压。电流反馈信号经过IC1放大比较后加到IC2的16脚，于是当发生过电流（或过电压）时，输出脉冲宽度将大大减小，从而保护了大功率器件。

　　掉电保护和误开机保护过来的信号通过光电偶合（PH1和PH2）隔离后加到IC2的4脚。当出现这些现象时，4脚的死区电下升高，死区电平达到最大，使IC2的输出脉冲最窄，从而达到了保护的目地。

　　由于反馈信号受到开关器件频率的影响，导致调节恒定电流受到影响，系统的转折频率远远高于器件的开关频率，因此系统对高频信号的抗干扰能力较差，需在反馈环节和电路之间加校正环节。故在IC3的3脚加上了由R20，R21，Ｃ4，Ｃ5构成的校正网络，其主要作用是消除输出电流瞬时值对PWM电路的影响，瞬时值的变化受开关器件的影响，频率与开关频率相同。

　　2．3恒压控制的实现

　　为了使输出电压在各种干扰情况下保持期望值，恒压控制系统也按负反馈原则构成，即将实际的输出电压Vf与给定的电压期望值Vg进行比较后，经过放大、处理，转换成电流给定信号，由恒流控制系统来处理。电压信号处理电路包括电压给定信号处理、采样保持等功能。

　　3、控制方式的灵敏度分析

　　晶体管构成的降压型斩波电路，在储能电感Ｌ足够大时，其负载上的工作电流波形如图3所示。根据晶体管的不同工作状态列可写出申路方程。

　

　　图3负载上的工作电流波形

　　（1）晶体管导通时，斩波电路的等效电路如图4（a）所示。

　　

　　（2）晶体管截止时，斩波电路的等效电路如图4（b）所示。

　　

　　图4斩波电路的等效电路

　　根据上列各式，结合图3可求出在一个周期里的平均电流

　　

　　将上列各式代入并整理得

　　

　　此式即反映了输出平均电流人对占空比变化的灵敏度。设儿为电流给定期望值，可以看出：

　

　　4、实验验证

　　本控制系统己用于高速换向脉冲电镀电源中，该电源有恒峰值电流和恒峰值槽压两种工作方式：输出峰值电流为4~40A，连续可调；输出峰值电压为3～30V，连续可调。为了验证恒流旭压反馈控制效果的好坏，对系统输出电流、输出电压外特性进行测试。

　　4．1恒压输出

　　在不同的输出电压给定情况下，改变负载电阻值，测得恒压输出状态下电源的外特性如图5所示。可见，各测试点基本在一条直线上，不管输出电流如何变化，输出电压基本不变，这证明电压反馈效果很好，最大波动率发生在大电流（近40A）的时侯。

　　

　　4.2恒流输出

在不同的输出电流给定情况下，改变负载电阻值，测得恒流输出状态下电源的外特性如图6所示。可见，其外特性为垂直陡降特性，不管输出电压如何变化，输出电流基本不变，这证明电流反馈效果很好。

　　

　　5、结论

　　该控制系统已用于高速换向脉冲电镀电源中。该控制系统在其性能测试及运行中表明，结构简单，性能稳定，控制效果好，具有实用多功能性，可随时进行周期性给定值的调节。