【我是工程师】--单端正激双管式开关电源设计之电源管理芯片TL494讲解！

在讲解TL494之前,我想先给有兴趣以及碰巧看到我帖子的朋友们奉上一碗心灵老母鸡汤,大补大补.它不仅仅是一碗汤,还是一味药,专治电源行业各种病症.

电子行业一直受到一个客观规律的支配,那就是摩尔定律.其内容为：当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。因为受这一定律的支配,电子行业的知识更新速度是很快的.有可能你花了很长的时间同时付出了很多的精力去学习某一知识体系,学完后却发现这一技术已经很少有人用了.那你的选择是什么,转行还是继续学习新的知识呢.所以从事电子行业的朋友们,最需要培养的技能就是超强的自学能力.同时需要具备超强的心理素质,能够承受工作中的巨大压力.当然还需要具有解决问题的能力.当遇到各种技术难题时,能通过书籍,搜索引擎等工具解决问题.

讲了很多电子行业的特点,下面就要讲一讲电子行业里面的一个分支行业,当然也是应用最广的行业,那就是电源行业.只要涉及到电的行业都需要电源.归纳起来电源大致分为三种,蓄电池,线性电源,开关电源.目前应用最广的当然是开关电源.下面我就讲讲电源工程师身上存在的通病以及如何改正.

电源工程师身上存在的第一个毛病是浮躁.浮躁本身并不是一个贬义词,当然也不是一个褒义词.很多时候恰恰是浮躁刺激着人们不断地努力追求物质生活.但是浮躁出现在电源工程师身上却是一个毛病,而且还是大病.电源工程师需要不断地学习,不断地接触新技术,了解新技术,应用新技术.学习首先需要有的基本功便是静心.心不能静,基本上可以判定这个人不适合做电子研发,考虑转行做一些其他的工作,比如销售,市场拓展等.

目前八零后九零后都在为房子车子奔波奋斗着,这是不争的事实,但是奋斗的方式以及心态有很多种.如果做销售,他需要对财富的追求保持着迫切的饥渴的心态,那种原始的本能的欲望会让他勇往直前,不断地通过各种途经挖掘客户,开拓市场.这样的人他需要浮躁.如果他的心态静如止水只有两种可能,要么他做销售已经功成名就,挣的钱足够多,不再需要努力奋斗,要么这种人对于财富的追求没有那么迫切,基本可以判定他不适合做销售.做技术的正好相反,他的心态要长时间的保持静如止水的状态,这样他才能真正静下心来去学一点东西,做一点东西.上述是我个人的理解,因为个人的成长环境工作环境等各种因素,可能我的观点比较狭隘.

       推荐立志在电子开发这个行业混得朋友看几本书籍,或许对你有所帮助.第一本是龙应台先生写的《孩子,你慢慢来》(先生是我对尊重的人的一种称呼,与性别无关),这本书可以让你将焦虑的心态稍微压一压.第二本是《同胞请淡定(我们香港的蜗居蚁族富二代)》,这本书是许骥编著的,编者试图通过访问把香港曾经经历的历史教训——拆迁、蜗居、蚁族、剩男剩女、富二代等奉献给内地的我们。在这本书中我们可以看到以前港人遇到的现在我们同样面对的问题,该用什么心态去面对高房价、就业难、节奏过快、剩男剩女等现实问题.这些情况在经济发展先行一步的香港地区也都曾出现过，在很多方面可以说今日之内地就是昨日之香港。在接受现实的同时摆正心态，或许平和的心态才能让我们更快乐。如果你正在经历这些焦虑，坦然面对，生活依旧是生活。看过这本书,大家的心态可能会好很多.第三本书是梁晓声先生写的《中国社会各阶层分析》在这本书中你可以读懂30年来的中国，告诉你这个社会到底是怎么回事.在这本书中你可以找到很多当下社会的缩影.看过这三本书后,也许你能寻找到自己当下的缩影,帮助自己静下心来,踏踏实实做点技术.

      电源工程师身上存在的第二个毛病是满足现状,拒绝接受新的知识点,表现形式就是偏废软件,或者偏废硬件.电源是一个软硬件结合的东西(当下可能硬件偏重一点,但软件在电源中的应用将是大势所趋),仅仅精通软件或者硬件对于电源的理解都将是片面的.目前的电源工程师更多是精通于硬件,软件技术基本都是菜鸟.但是很多电源工程师不以为耻，反以为荣,经常挂在嘴边的话是人一生是短暂的,只要真正精通一项技术,那他就已经很牛×了.君不知,就因为你这一句话直接影响了很多刚刚入门立志在电源行业有所建树的菜鸟们的学习取向.他们很多人立马就放弃软件的学习,直接一门心思的搞硬件去了.当菜鸟们在硬件技术上花费了很多的时间终于变为老鸟,想再学学软件时又会发现原来软件的学习也是一座山.此时的老鸟通常年龄都不小了.因为生活琐事,工作繁忙,精力有限,毅力不够,接收新事物的能力下降等多重原因,很多老鸟只能看着软件这座山叹气了.我工作中遇到好几位这样的开发者,他们有的是因为兴趣导致的,有的是因为受了以前老鸟的影响,其实根本原因是惰性使然.

电源工程师身上存在的第三个通病是重视理论,轻视实践或者重视实践,轻视理论.上述两种态度都是不对的.理论和实践是相辅相成的,在不同的知识点的学习上需要有不同的学习方法.我把自己的学习方法贴出来供大家参考,当然这仅仅是我自己的方法的总结,不一定适合其他人.我在学习电源时也走了很多的弯路,个中辛酸不足道也.电源本身涉及的知识点确实有很多.首先需要具备的知识点是了解乃至熟悉开关电源整个的工作原理,推荐大家看<开关电源入门>这本书,它能够帮助你了解开关电源的工作原理.

接着要做的就是去动手大量的实践,先仿制别人做的小功率电源(建议5W到200W之内),在仿制的过程中当然会涉及到很多不明白之处,不要紧,这是好事,因为你通过实践发现自己存在的很多问题.仿制电源其实很简单,首先需要做的就是抄板,通过PCB抄板软件(推荐QuickPCB抄板软件)将别人的PCB板做出来.接着要做的工作是根据实物整理出元器件BOM表,同时将电子变压器发给变压器厂家去绕制.至于电子变压器的计算方法以及需要考虑的电气特性可以先放一放.最后一步当然就是将元器件焊接到PCB板上进行调试.调试这一步很关键也很危险,使用调压器调试电源可以将危险降到最低.一般只要抄板正确,元器件型号没有搞错,基本不会有问题.

当电源仿制成功后,你会有一种强烈的成就感,同时你的脑中已经对电源的开发流程有所了解.接下来要做的是恶补开关电源的知识,主要是熟悉各种拓扑结构,同时对各种拓扑结构的关键节点的波形有所了解.当学到这里,你会再次发现书中有很多的地方没有真正的看懂,没有关系,这是好事,你已经知道自己哪里欠缺了.

接下来要做的就是针对自己仿制的电源绘制出电路原理图,并根据电路原理图分析它属于哪一类拓扑结构.逆推原理图是一项很重要的基本技能.这项工作你需要查找大量的资料,包括电源管理芯片技术手册,模电书籍,运放书籍等.根据逆推的原理图分析出你仿制的电源属于哪一类拓扑结构(通常5W-150W的开关电源采用的是反激式拓扑结构).下一步要做的就是通过示波器结合书籍测量该电源关键节点的波形(包括占空比,频率等)并记录下来,此时不需要通过计算来验证测量的电气参数.接下来要做的就是分解开关变压器,了解变压器的组成及工艺流程.同时需要恶补磁性材料的相关知识,对磁性材料的诸多物理参数有所了解,推荐大家看看TDK磁芯技术手册.

如果你已经按照我上面讲的一步一步的做了,恭喜你,你已经跨入了开关电源设计的大门,接下来做的事情便是设计一款属于自己的电源.设计电源的方法仍然是先易后难.先选择PI公司的TOP系列的电源管理芯片(建议功率小一点的),根据它的技术手册上的计算公式,自己做一款开关电源,并通过示波器以及万用表实测各关键节点的波形及电气参数来验证实物与技术手册上的电气参数是否匹配.

当你走到这一步时,对于电源开发的流程你已经了解了60%.接下来做的事情很重要,关系到你是否能真正地掌握开关电源的设计.你需要选择市面上常见的电源管理芯片UC3842或者是TL494等来做一款电源,当然我仍旧建议你做小功率的开关电源.设计流程大同小异,首先确定好电源功率以及拓扑结构,通过查找书籍以及各种文献资料,找到对应拓扑结构的计算公式,并使用这些公式来设计一款电源.做好实物后,通过反复调试让这款电源能正常工作,在调试过程中结合实践不断地验证书本上的计算公式(最好多参考几本书籍).当遇到书籍上的计算结果与实物测量有偏差时,要及时修正书籍上的计算公式,找到真正适合自己的计算方法.至此,开关电源的设计你已经了解了80%.

当学到这里时,你已经遇到了技术瓶颈,如果想进一步提升自己的技术实力,有三个途径.第一种方法也是最便捷的方法就是根据前面的学习方法去学习其他的电源拓扑结构,可以往大功率电源方向发展,这是很多应用型电源工程师的选择.此时的你基本上都已经有二十大几了.第二个方向是电源理论的深入,这时的你已经非常熟悉电源的开发流程,此时可以向电源的信号分析方向深入,比如开关电源的动态小信号大信号分析,开关电源的建模,开关电源的环路分析等,这一工作适合于理论研究型学者,没准在深入研究的过程中,又有新的拓扑结构被发明出来.第三种方向是数控电源以及数字电源的开发,这是目前的趋势,适合于那些有软硬件功底的开发工程师.你可以尽可能的发挥自己的想象,加入很多软件功能,比如液晶显示,串口通信,上位机控制等.

上面讲了那么多的废话其实就讲了两点,第一当然是开关电源的学习方法.第二就是希望通过我上述的讲解,增强大家的动手能力,夯实大家的理论基础,让大家在做中学,在学中做,理论联系实践,纠正大家身上存在的第三个毛病.

电源工程师存在的第四个毛病就是认为电子行业是吃青春饭的,年轻时做一做就可以了.年龄大一点应该转行做技术管理或者行政管理之类的工作.我在电子行业混了几年,发现很多的电子工程四都是工作几年有了一定的工作经历和人生阅历,便转行做FAE或者是销售工程师.别人有选择自己工作方式以及生活方式的权利.对于别人的选择我不发表意见.我自己觉得做技术是一种生活方式,也是一种生活态度.通过技术可以将自己的想法转为现实,很充实也很快乐.电子行业不是吃青春饭的行业,只要愿意,你可以在这个行业奋斗一辈子.活到老，学到老不仅仅是口号,应当是每个电子工程师的座右铭.

电源开发工程师身上存在的第五个通病就是重视开发而轻视维修.电源的开发很重要,这个毋庸置疑,但是电源维修也很重要.其实电源的维修很能锻炼一个人.通过维修,你可以接触到各种各样的开关电源,开阔自己的视野.在维修过程中,你会认识到开关电源的应用之广之重,不会再仅仅局限于自己搞的那几款产品.大量的维修工作可以让你了解熟悉各种开关电源的工艺,PCB布局,设计缺陷等.可以这样说,电源的开发与维修是并重的.

电源工程师身上存在的第六个通病就是不重视基础知识的学习和储备.在实际的工作中我发现很多的电源工程师不知道如何判断二极管,三极管,MOS管,IGBT的好坏,不知道如何使用指针式万用表,不懂如何使用示波器.这些仪表的使用其实都是基本功的体现.很多电源工程师在钻研艰深的理论知识(咱不谈他真正理解了多少)时,却忘了最基本的技能学习.

      这是我总结的电源工程师身上存在的诸多毛病,当然都是我自己的观点,大家可以结合自己的经验来补充.今天先帮大家把思想打通,明天开始真正进入TL494的讲解,吼吼.

每个人写的帖子都不太一样了~~有适合讨论的  有适合阅读滴~适合的工程师人群也不一样啦~

lz的帖子是为菜鸟准备滴~~

q先生~ 各有所爱喽~ 期待您的帖子 讲述自己的电源人生

    今晚正式开始讲解TL494.其实真正拦住开关电源工程师入门脚步的是三个技术门槛,他们分别是电源管理芯片的原理,功率管如何选择,需要考虑哪些参数,高频变压器的设计.前面我已经讲解了高频变压器的设计步骤,酝酿了一个多星期,开始着手讲解电源管理芯片的知识点.

    很多菜鸟们拿到电路图纸时不知道如何分析电路原理.大家不需要把电路原理分析想象的那么的难,只需要具备一些基本功,对于电路原理图的分析基本就没有问题了.首先需要具备的知识点是认识每一个元器件所代表的符号,包括电阻,电容,二极管,三极管,mos管,运放,比较器,变压器,与门,或门等.其次需要具备的知识点就是知道每一个元器件的作用,在这里并不需要大家知道如何精确计算各节点的电气参数.第三个需要了解并熟悉的就是开关电源管理芯片各管脚的定义以及内部拓扑结构.电源管理芯片内部拓扑结构的分析其实是建立在第一项和第二项的基础之上的.第四个就是大家看到不管多么复杂的电路,它的连接方式只有两种,并联或串联.

    为了便于大家理解,我又找了一份内部框图,该框图取自TI公司TL494技术手册

    在正式讲解TL494内部拓扑结构之前,先给大家补充说明一下TL494内部常见元器件的作用.

    何为误差放大器,顾名思义就是将很小的误差信号放大的器件,实质是把两个输入端的差值进行放大输出.它本质上是运算放大器,必须采用闭环控制,根据负反馈信号实现误差放大.该器件要求高共模抑制比,低温漂.因为误差放大器可以放大微弱的差值信号,所以它的应用可以提高系统的灵敏度以及调节精度,降低调节误差.当然,TL494内部集成了该功能器件,拓扑结构中的电气符号为

    接下来讲的就是TL494内部框图中用到的数字逻辑门电路.在该电路图中涉及到了与门,或门,或非门.这个知识点相对就简单很多了.

    第一个说的就是与门.何为与门,即执行与运算的基本逻辑门电路,它有多个输入端,一个输出端.当所有的输入同时为高电平(逻辑1)时,输出才为高电平,否则输出为低电平(逻辑0).

    第二个为或门.何为或门,即执行或运算的基本逻辑门电路.或门有多个输入端,一个输出端.只要输入中有一个为高电平时(逻辑1),输出就为高电平(逻辑1).只有当所有的输入全为低电平(逻辑0)时,输出才为低电平(逻辑0).

    第三个为或非门,何为或非门,即执行或非运算的基本逻辑门电路.只有当两个输入同为低电平(逻辑0)时输出为高电平(逻辑1),也可以理解为任意输入为高电平(逻辑1),输出为低电平(逻辑0).

    接下来需要讲解的就是恒流源.顾名思义就是输出电流保持恒定的电流源.恒流源不因负载(输出电压)变化而改变,不因环境温度变化而改变,内阻为无穷大,以使电流可以完全输出.恒流源的实质是通过电流负反馈,动态调节负载的供电状态,使电流趋于恒定.恒流源的常见结构为:

在TL494的电路框图中,恒流源输出恒定电流为0.mA,主要给PWM输出比较器供电,其电气符号为

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    要想了解它的作用,我们首先要讲一讲它的父辈,RS触发器.RS触发器是构成其它各种功能触发器的基本组成部分,所以又称为基本RS触发器.

    把两个与非门或者或非门输入输出端交叉连接在一起,即构成基本RS触发器,它有两个输入端R,S和两个输出端Q,Q非.

首先上它的近照(该资料引自阎石老师<数字电子技术基础>(第五版)),在书中它的名字为SR锁存器,其实是一个意思.

    严格地说,RS触发器并不是真正意义上的触发器,因为它并不需要外界高低电平的触发,下面这段话还是引自阎石老师<数字电子技术基础>(第五版)

    当锁存器两输入端加入不同逻辑电平,两个输出端Q和Q非有两种互补的输出状态.规定锁存器Q端状态作为锁存器输出状态,通常锁存器处于某种状态，实际就是指它Q端的输出状态。当Q=1,Q非=0时,称锁存器处于1态,反之处于0态.S=0,R=1使锁存器置1，或称置位.因置位的决定条件是S=0,故称S 端为置1端.R=0,S=1时,使锁存器置0或称复位.把它的真值表贴出来给大家参考比较直观一点.

    看到它的近照,大家是否一目了然.所谓的使能端不过是在原先的SR锁存器之前加了两个与非门.具体的作用,我感觉还是阎石老师那本<数字电子技术基础>讲的比较清楚,贴出来和大家分享一下.

    上述的锁存器输入端口为三个,分别为S输入端口,R输入端口以及时钟序列输入端口.三个输入端口毕竟还是啰嗦了一点,如果我想把输入端口减少一个,可以吗?答案是肯定的,只需要把S端口和R端口合并为一个就行了.这个端口的合并诞生了一个新的功能元件,它就是今天我们要讲的主题D触发器.

    怎样把S端口和R端口合并为一个呢?只需要再增加一个非门就行了,D触发器就是建立在上述的电平触发锁存器基础上的,我们上近照

D触发器是如何工作的呢,根据上图分析很简单.D触发Q端的输出状态直接受控与D输入端以及CLK时序输入端

    今天继续讲解TL494电源管理芯片,首先讲解的是TL494各管脚功能作用.

    按照顺序来介绍吧,1脚为TL494内部自带的1号误差放大器A1的同向输入端 IN1+.2脚为TL494内部自带的1号误差放大器A1的反向输入端IN1-.误差放大器A1,A2具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围.两个运放的输出端分别通过一个二极管和PWM比较器引脚及后续电路相连,这样保证了两运放中较高的输出电平进入后级电路.

    3脚为误差放大器A1、A2输出端,同时也是TL494内部自带的用于控制PWM比较器的同相输入端.当误差放大器A1,A2输出电压升高至分别大于0.7V以及0.12V时,PWM比较器输出为高电平1,经过控制后端逻辑门电路,最终使输出脉宽减小.该输出端还可与误差放大器A1,A2的反向输入端2脚15脚接入RC频率校正电路及直流负反馈电路,用于稳定误差放大器增益,防止其高频自激振荡,烧毁外部驱动的功率管.3脚电压反比于输出脉宽.如果将3脚接入控制信号(约为0.5V-3.6V),当调节控制信号至3.6V时,可以关闭输出PWM,从而关闭电源.

    4脚为死区时间控制端.通过该引脚可以控制TL494死区时间.从而限制最大占空比.可设置的每一端的占空比上限最高为45%,在工作频率高于150KHz时,占空比上限是42%左右.当该管脚电压从0.5V变化到3.5V时,输出脉冲宽度从最大导通时间下降到零.

   TL494内置线性锯齿波振荡器，产生0.3~3V的锯齿波.5脚为锯齿波振荡器外接定时电容Ct端,6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻Rt端.振荡频率可通过外接电容电阻调节,其振荡频率计算公式为f=1/RtCt,其中Rt的单位为欧姆,Ct的单位为法拉.通过示波器可以在Ct引脚测量到产生的锯齿波.    7脚为共地端.

    8,11脚为两路PWM输出端,从电路框图中可以看出是末级驱动放大器NPN管的集电极开路输出端.两路PWM波时序刚好相差180゜.9,10脚为两路驱动放大器的发射极开路输出端,也是对应的脉冲参考地端.

    12脚为Vcc电源输入端.供电范围为8～40V.

    13脚为输出模式控制端.外接5V高电平时为双端图腾柱式输出,用以驱动各种推挽开关电路.接地时为两路同相位驱动脉冲输出,此时8,11脚和9,10脚可直接并联,双端输出的最大驱动电流为2×200mA,并联运用时最大驱动电流为400mA.

    TL494内置了基于带隙原理设计的电压基准源,14脚即为该基准电压输出端.输出电压为5±0.25V,最大负载电流为10mA.当14脚作为基准源时,VCC电压必须大于7V.

    15脚为误差放大器A2的反向输入端IN2-,16 脚为误差放大器A2的同向输入端IN2+.

    接下来需要讲解的是TL494脉宽调节的原理.TL494是固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较实现.功率输出管Q1和Q2受控于或非门.当D触发器的时钟信号为高电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通.当控制信号增大,输出脉冲宽度将减小.

    具体的孔子过程如下,首先振荡器产生固定频率的锯齿波送到PWM比较器的反相输入端,脉冲调宽电压输送至PWM比较器的同相输入端.两电压信号进行比较,当脉宽调节电压变化时,TL494输出的脉冲宽度也随之改变,通过改变开关管的导通和关闭时间达到调节稳定输出电压的目的.

    脉冲调宽电压可由3脚输入电压控制,也可分别从两误差放大器的输入端送入,通过比较放大,最后经隔离二极管输出到PWM比较器的同相输入端.两放大器可独立使用,分别用于反馈电压控制和过流保护等,此时3脚应接RC频率校正电路,防止运放自激振荡,提高整个电路的稳定性.