PWM控制与驱动电路

2-2-4 PWM控制与驱动电路2-2-4-1TL494 PWM控制器特性：内置校准器提供稳定的5V参考电压。TR输出可提供200mA
的电流。输出可控制推挽式或单端式操作。多任务的死区控制（ Pin4）和PWM控制单元。片上晶振的主从操作。每个输出口有内置双倍脉冲
禁止回路。内部原理图： 2-2-4-2 三脚PWM/MOSFET复合单片TOPSwitch-2电路 TOPSwitch
-II性能 1 功率范围明显扩大：在宽值输入交流电压（85－265V）时，最大输出功率由50W扩大到90W ;在单值交流输入电
压（110/115/230V)时，输出功率范围由100W扩大到150W；应用领域拓宽到小型电视机和显示器，音响放大器等。 2
电路设计新特点：AC/DC变换效率提高到90％只有三个引脚的单片IC综合了控制系统，驱动电路，功率MOSFET,脉宽调制，高压启
动电路，环路补偿调节，故障保护电路等功能；TOP器件的线性控制特性，在低成本上具有竞争力。 3 TOPSwitch-2有二种
封装形式。除三脚TOP-220外，还有8脚DIP封装中有6个引脚接地，用于增大散热功能，特别有利于微型电器设备的电源安装设计。
4引脚最少(DIP也只有三个有效接点）TOPSwitch,却集成了100KHZ脉宽调制稳压电源所需所有功能：自设高压偏置电流源，
偏分流调节器/误差电压放大器、振荡器、带隙参考基准、恒频的PWM、受控导通的栅极驱动器、前沿消隐和自动保护功能。 5.该TOPS
witch输出极是可控导通速度的高压N沟道、低输出电容MOSFET,从功率管漏源低导通电阻取样来控制导通时间。受控导通减少了开关电
压的变化速率，它同连接散热片的源极一起，明显减少了电磁干扰和系统噪声，使滤波器成本降到最低。 6. TOPSwitch具有完善的多
种自动保护功能电路：过流限制、过压切断、欠压锁定、过热关闭、短路保护等、 7. TOPSwitch－II的外围电路很简单，只需要十
几只器件，就能制作高性能的小型电源。它的集成度高，电路设计简化，比分立元件电路减少15～20只元件，并允许采用单面PCB板，可用于
离线反馈式、正向激励式和升压式功率因数校正等电源。图2－1 TOPSwitch-II简化外围电路与两种封装的外形图 TO
PSwitch器件三个引脚的功能简要如下： 漏极脚（DRAIN）：接输出管MOSFET漏极，在启动工作时，经过内部开关电
流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流检测点。 控制脚（CONTROL）：是误差放大器和反馈电流输入脚，以控制占空系数。
正常工作时内部分流调节器接通，提供内部偏置电流。该脚也接电源旁路和自动再启动/补偿电容器。 源极脚（SOURCE）：再T
O-220封装中，它是输出级MOSFET的源极连线，接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点；在DIP封装中，它是原边控制电路
公共端和参考点，并且有6个引出脚接地。 TOPSwitch-II器件是一种具有自身偏置和保护功能的变换器，它用线性控制
电流来改变占空比，能断开漏极输出端。它利用CMOS和集成尽可能多的功能来实现高效率。与双极管和分立元件电路相比，重要的是CMOS减
少了偏置电流，集成化使其省略了几个外部功率电阻器。它们原设计用于电流采样或提供初始启动电流。 如图2-3所示，在正常工
作期间，内部输出级MOSFET的占空比，使随着控制脚电流的增大而线性地减小。为了执行所有必要的控制、偏置和保护功能，漏极脚和控制脚
分别完成下面所述的几项功能（可参见图2-2和图2-5中的TOPSwitch集成电路之定时脉冲波形与电压波形）。
图2－2 内部功能方框图 图2－3 专空比与控制脚电流的关
系曲线 图2－4TOPS witch-2电路的起始工作波形 图2
－5 TOPSwitch-2在三种工作状态下的典型波形 （1）控制脚电压Vc的供给 控制脚电压Vc是控制脚与源极脚之间的电源
或者偏置电压。一只外部旁路电容器紧接在控制脚与源极脚之间，以提供所需的栅极驱动电流。接到该脚的总电容量CT又设置了自动再启动功能，
也同样控制回路的补偿。Vc被调整在两钟状态之一模式。滞后调整用于初始启动和过载工作。分流调整则用于分离占空比误差信号，它来自控制电
路的电源电流。在启动期间，控制脚电流由高压开关电流源提供，该开关在IC内部接于漏极脚和控制脚之间。电流源提供足够的电流供给控制电路
，它也对总的外部电容CT进行充电。 首先Vc升到较高的门限电压值（5.7V），此时高压电流源被关断，而脉宽调制器和输出级晶体管则被
激活，如图2-4(a)所示。在正常工作期间（即当输出电压可调节时），反馈控制电流提供了Vc电源电流。分流调节器可维持Vc在典型值（
5.7V），它是通过分流控制脚上的反馈电流实现的。该电流超过流经PWM误差信号采样电阻器RE上的所需直流电源电流。当用于初级反馈接
法时，该脚的动态阻抗与外部电阻值和电容器数值，共同确定了电源系统的控制回路补偿量。 TOPSwitch-II电路的起始工作波形如图
2-4所示，图中给出了正常工作时和自动再启动时的两种不同波形。 如果让控制脚的外部电容CT放电到较低的门限电平，那么输出级MOSF
ET将被关断截止，此时控制电路进入一个低电流的准备状态。而高压电流源则被接通，并向外部电容再次充电。在图2-5中可看到，充电电流具
有图示的负极性，而放电电流则具有正极性。在图2-4(b)中，通过接通和关断高压电流源，滞后的自动再启动比较器可维持Vc值介于典型的
4.7~5.7V窗口范围内。自动再启动电路具有一个八分频计数器，它能阻止输出级MOSFET再次导通，知道八个放电－充电周期已经过去
为止。通过把自动再启动占空比减小到典型的5％，计数器能有效地限制TOPSwitch的功率损耗。自动再启动作用连续进行到输出电压再次
变为可调节为止，如图2-5所示。 （2）带隙参考基准 所有临界的TOPSwitch内部电压，都由一个温度补偿的带隙参考基准得出。
该参考基准也用于产生一个温度补偿的电流源，它被微调节在精确设置的振荡频率和调节MOSFET栅极的驱动电流。（3）振荡器 内部振荡
器对内部电容器线性地进行充电和放电，它在两个电压电平之间产生锯齿波形，并送往脉冲宽度调制器。该振荡器在每个周期开始时，置位脉冲宽度
调制 器和电流限制闭锁器。在电源应用中选择100kHz额定频率，可使电磁干扰最小，并使效率最高。微调电流基准可改进振荡频
率精度。（4）脉冲宽度调制器 脉冲宽度调制器提供电压型控制环，以驱动输出级MOSFET，其占空比与流入控制脚的电流成反比例。该脚
在RE两端产生一个电压误差信号。RE两端的误差信号由一个典型角频率为7kHz的RC网络加以滤波，以减少开关噪声的作用。该滤波误差信
号与内部振荡器锯齿波相比较，产生一定占空比的波形。当控制电流增加时，占空比则减小。由振荡器产生的时钟信号置位一个寄存器，它使输出级
功率管MOSFET变为截止。 占空比是由内部振荡器的对称性能来调节。调制器导通时间最短，可保持TOPSwitch的电流消隐不受误差
信号的影响。注意到在占空比开始变化之前，必须使注入控制脚的电流为最小值。 （5）栅极驱动器 设计栅极驱动器是在一个受控的速率时使
输出级MOSFET导通，从而使共模电磁干扰减到最小。栅极驱动电流可微调节以改进精度。 （6）误差放大器 在初级反馈应用时，分流调
节器也能完成一个误差放大器的功能。该分流调节器的电压，是由温度补偿的带隙参考基准电压精确地加以提供的。误差放大器的增益，则由控制脚
的动态电阻来设定。控制脚把外部电率信号箝位在Vc电压电平上。超过电源电流的控制脚电流，则由分流调节器加以分离，并作为误差信号流过R
E。（7）逐个周期式电流限制 逐个周期式峰值漏极电流限制电路，是利用输出级MOSFET的导通电阻作为采样电阻器。电流限制比较器把
输出级MOSFET导通状态是的漏－源电压与门限电压相比较。高的漏极电流使VDS超过门限电压，并使输出级的MOSFET截止，直到下一
个时钟周期开始之前。电流限制比较器的门限电压是受温度补偿的，由于温度影响改变输出级MOSFET的导通电阻RDS(ON)值，它使有效
峰值电流限制的变化减到最小。 在输出级MOSFET导通之后的一个短时间里，前沿消隐电路将阻止电流限制比较器工作。因前沿消隐时间已被
确定，故由原边电容和副边整流器反向恢复引起的电流尖峰，将不会造成开关脉冲过早地结束。（8）关闭与自动再启动 为了使TOPSwit
ch的功耗降到最低，如果维持输出可调节的条件，则关闭与自动再启动电路，是在占空比为5％典型值时使电源导通和截止。当丧失调节能力时，
将中断外部电流进入控制脚。Vc地调节可使分流状态变为滞后的自动再启动状态。当故障条件消除、电源输出变为可调节时，Vc的调节再次变为
分流状态，则电源的正常工作又重新开始。（9）过热保护 温度保护是由一个精密的模拟电路提供的，当结点温度超过热关闭温度时（典型值为
135摄氏度），该电路将使输出级MOSFET截止。激活加电复位电路，可通过消除和恢复输入电源来进行，或者瞬间进入控制脚的、低于加电
的复位门限电压，可是阀门复位，并且让TOPSwitch恢复正常的电源工作状态。当电源被关闭时，Vc则被调节在滞后状态，并且在控制脚
出现一个4.7~5.7V(典型值)的锯齿波电压。（10）高压偏置电流源 该电流源从漏极脚对TOPSwitch提供偏置，并在启动或
者滞 后工作期间对控制脚外部电容CT进行充电。滞后工作出现在自动再启动和过热封锁关闭期间。该电流源是按近似35％的有效占空比被开通
和切断。这一占空比是由控制脚充电电流Ic与放电电流（ICD1＋ICD2）之比来确定的。当输出级MOSFET被开通时，在正常工作期间
该电流源则被切断。 2-2-5取样与误差控制电路TL431功能方框图与内部等效电路 一.4N35、TL431的工作特性与主要电气参
数 要正确计算TL431光电耦合控制系统4N35/TL431的外围电路元件值，需要首先了解4N35和TL431的 工作特性与主
要电气参数。从图看出，4N35光电耦合器件的控制端（又称一次侧）是一只二极管，上方（正极）接正电压，下方（负极）接TL431的阴极
（实际上是接TL431内的一只三极管集电极脚，并通过导通的三极管对地构成回路）。4N35的受控端是一只三极管（又称二次侧），它的集
电极接+15V供电电压，它的发射极经两个分压电阻器接地，控制电压从分压器中点引出加到TL494的输入端。正常工作时，二极管电流引起
的光电效应，使三极管也出现工作电流。查找光电器件手册得到如下电气参数： 1. 4N35的主要工作特性与极限参数值 （1）极
限值：一次侧 IFmax=60mA,PD1(max)=100Mw; VRmax=
6V 二次侧 VCEmax=30V(Vcc),PD2max=300mW;
IOLmax=100Ma; 全体（两侧间）：最小直流冲击隔离电压值为3500V（-55~+10
0T℃）。 （2）工作特性： 一次侧 VFmax/IF=1.5V/10mA(发射体最大正向电压)；
CJmax(典型值)=100pF; 二次侧 trmax(典型值)=10us(上升时间)
tfmax(典型值)=10us(上升时间);hfemin=100;
一次侧与二次侧之间 CTRmin/IF=100%/10mA(最小电流传
送速率)， VCESmax/ IF、IC=0.3V/10mA,0.5A(检
测器最大VCE)， C1-2max(典型值)=2.5p F。
4N35的工作速率（或带宽）：150kHz 。 2. TL431的电气
参数 TL431外形见图，它相当于一只性能优良的稳压二极管。 ·阴极工作电压VKA: 2.5V（基准值）~37V（最
大值） ·阴极工作电流IK: 1~100 m A (连续使用极限范围：-100~150 m A ) ; ·连续使用功耗:775
mW(25℃); ·具有低动态输出电阻：0.22Ω ·基准输入电流范围：-5
0u A~ 10 m A ; ·参考电压源误差：±1.0%; ·TL431的工作温度范围：0
~70℃，全范围内温度特性平坦：50pptm/℃。 二、低压光耦控制电路试验，初步确定几个电阻值
由图电路结构，将TL494的1脚接地，2脚和15脚均接一半的参考基准电压 Vr/2=2.5V,它的16脚接过流检测电路。假定死
区时间控制电路设计，已经确保TL494的最大输出脉宽，不超过40%的振荡周期，即τmax≤0.4T（最大占空比为0.5）。在TL4
94的工作频率为80kHz 时，其振荡周期为12.5us,死区控制使IC 最大输出脉宽为5us。根据4N35和TL431的工作参数
，在正常工作条件下设光耦合控制器一次侧与二次侧两端电流为5~10 mA, TL494的3脚控制电压值低于2.5V时输出脉宽最大，当
3脚电压值高于3.6V时，则输出脉宽缩小到0（消失），见图所示。 R7+R8=15V/（5~10mA）=3~1.5(
kΩ) 假若光耦控制器在5 mA工作电流时，使分压器R7、R8的中点电压值，应高于、等于2.5V，即让TL494的3脚电
压值处于最佳敏感可调控制区内。因此，分压器下端电阻R8的阻值约为： R8=2.5V/5mA=500Ω 取R8为510Ω标
准值，可推测R7的阻值为R7=1~2.5(kΩ)，先取R7=1.2kΩ，再估算光电耦合器一次侧控制电路的几个电阻值。 由于4N
35的最小电流传送速率为100%/10 mA,为了让一次侧的最大工作电流能达到IDMAX=15~20mA，控制端的限流电阻值大致为
：R4为R4=15V/20~15mA=750Ω~1kΩ 先取750Ω。又因TL431的控制端
输入电流值明显减少，约为输出电流的十分之一左右，也就是说IR=1.5~2.0Ma： R1+W1+R2=15V/2.0~1.5mA=7.5 ~10 kΩ 分压电阻器R1、W1、R2的阻值，应使TL431的输入端电压值大于、等于它的基准参考电压值2.495V（标称值），则TL431的输出电压可稳定在2.0V，就能通过微小的电压变化，来大范围调节其输出端的电流（即ID）变化。又取R3=150Ω。因此，W1+R2=2.5V/（2.0~1.5）mA=1.25~1.66 kΩ先大致取可调节的W1=1.0kΩ，取R2=1.5kΩ，则取R1=6.6~7.6kΩ。现在微调节W1改变光耦控制器4N35的两侧电流，来调节TL494-3脚的输入电压，从而改变TL494的输出脉冲宽度。同时监视4N35的一侧电流ID和二侧电流IE，并记录光耦4N35-1脚输入电压V1值，测量TL494-3脚控制电压值，以及TL494输出脉冲宽度的变化。