由TL494構(gòu)成的恒流閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　引言

　　開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)，因此近年來獲得了迅速的發(fā)展。目前，開關(guān)電源的控制方式一般采用脈寬調(diào)制方式，而控制電路的性能是適應(yīng)電源整機(jī)性能要求的關(guān)鍵。

　　一個(gè)電源在工作過程中，當(dāng)輸入、輸出條件變化時(shí)，電源應(yīng)具有自我調(diào)節(jié)的能力，這就要求電源的主電路具有穩(wěn)定輸出電壓和輸出電流的功能。控制電路應(yīng)能對(duì)主電路的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)值同設(shè)定參考值相比較得出誤差值，利用該誤差值進(jìn)行一定計(jì)算和處理后去控制主電路，使輸出值不斷接近設(shè)定值，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出的目地。

　　1、設(shè)計(jì)方案及原理

　　本控制系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制方式，框圖如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，內(nèi)環(huán)是恒流控制，外環(huán)是恒壓控制。兩個(gè)控制環(huán)之間加一個(gè)電子控制開關(guān)Ｋ，當(dāng)需要恒流時(shí)，打到恒流擋；當(dāng)需要恒壓時(shí)，打到恒壓擋。

　　調(diào)節(jié)過程如下：

　　可見，恒壓是通過改變恒流來實(shí)現(xiàn)的，電壓信號(hào)經(jīng)放大處理，轉(zhuǎn)換成電流給定信號(hào)，由恒流系統(tǒng)來處理。之所以采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是為了滿足一機(jī)多功能的需要。在一些生產(chǎn)過程中，例如電鍍工藝通常要求電源具有恒流調(diào)節(jié)能力，而陽(yáng)極氧化工藝，則要求電源具有恒壓調(diào)節(jié)能力。在所做的大量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用2個(gè)單閉環(huán)（恒流和恒壓）不如采用一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，性能好；在如圖1所示的系統(tǒng)框圖中可以看出，2個(gè)閉環(huán)共用同一個(gè)PWM處理，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安全可靠。這是本控制電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

　　2、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　在圖1系統(tǒng)框圖中可以看出，核心部件是脈寬調(diào)制器，它負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的脈寬信號(hào)。本系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制器、放大器及誤差比較器共用一塊集成片TL494。

　　2.1TL494簡(jiǎn)介

　　TL494是一種頻率可以任意設(shè)定的脈寬調(diào)制控制器，它含有振蕩頻率由外接元件RT，ＣR（6腳、5腳）確定的鋸齒波振蕩器，其振蕩頻率為式中：

　　式中：RT為5~100k歐;GT為0。001~0。1uf。

　　輸出脈沖的寬度調(diào)制是由電容ＣT兩端的正向鋸齒波和另外2個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較后得到的。只有當(dāng)鋸齒波電壓小于3，4兩腳輸入的控制信號(hào)時(shí)，觸發(fā)器輸出的時(shí)鐘才處于低電平。因此，隨著控制信號(hào)幅值增加，輸出脈沖的寬度將減小。在死區(qū)時(shí)間，控制比較器Ｃ的輸入端有0．12V的失調(diào)電壓，限制了輸出最小死區(qū)時(shí)間（約占一個(gè)周期的4％）。

　　TL494內(nèi)部有2個(gè)誤差放大器EA1；，EA2（腳1，2，15，16）和一個(gè)反饋輸入端（腳3），在使用時(shí)將反饋信號(hào)接入這些腳，通過調(diào)節(jié)每個(gè)脈沖的占空比來穩(wěn)定輸出以及進(jìn)行各種保護(hù)。

　　2．2由TL494構(gòu)成的恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)

　　由TＩ．ｘ９4構(gòu)成的恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，其中包括電流給定信號(hào)處理、過流保護(hù)、掉電保護(hù)、誤開機(jī)保護(hù)以及校正網(wǎng)絡(luò)等主要功能。ｌ，二兩端是電流反饋信號(hào)輸人端，3，4兩端是電流給定信號(hào)輸入端，5，6兩端是脈沖信號(hào)輸出端。

　　工作狀況：由3，4兩端輸入的電流給定信號(hào)與由HAｌｌ電流傳感器采樣輸出的反饋電流信號(hào)（1，2兩端）分別經(jīng)由電阻R36，R14送至IC2的2腳，兩個(gè)信號(hào)由TL494內(nèi)部的誤差放大器進(jìn)行比較、放大，其結(jié)果是在IC2的5，6兩端給出了一個(gè)占空比合乎現(xiàn)時(shí)給定要求的弱驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路級(jí)放大、整形及隔離，就直接作用到主電路的大功率器件上，從而控制了輸出電流的大小。

　　電路中，由IC4輸出電流給定信號(hào)，其輸出電流給定狀態(tài)由晶體管T1，T2，T3的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)來確定。輸出電流給定值則分別由電位器VR2和VR3來控制。VR2和VR3兩者的輸出格局，要由微型機(jī)的3，4兩個(gè)端子的連通或斷開來認(rèn)定：當(dāng)3，4兩個(gè)端子未連通時(shí)，晶體管T1，T3截止而晶體管T2導(dǎo)通，此時(shí)，IC4輸出由VR2來控制；當(dāng)3，4兩個(gè)端于連通時(shí)，T2截止而T1，T3導(dǎo)通，這時(shí)的輸出則由VR3控制。若3，4兩個(gè)端子作周期性的連通與斷開換接，則輸出電流為對(duì)應(yīng)周期的電流。

　　TL494的15腳通過2個(gè)電阻R15，R16在基準(zhǔn)電壓上分得一恒定電壓來獲得新的基準(zhǔn)電壓。電流反饋信號(hào)經(jīng)過IC1放大比較后加到IC2的16腳，于是當(dāng)發(fā)生過電流（或過電壓）時(shí)，輸出脈沖寬度將大大減小，從而保護(hù)了大功率器件。

　　掉電保護(hù)和誤開機(jī)保護(hù)過來的信號(hào)通過光電偶合（PH1和PH2）隔離后加到IC2的4腳。當(dāng)出現(xiàn)這些現(xiàn)象時(shí)，4腳的死區(qū)電下升高，死區(qū)電平達(dá)到最大，使IC2的輸出脈沖最窄，從而達(dá)到了保護(hù)的目地。

　　由于反饋信號(hào)受到開關(guān)器件頻率的影響，導(dǎo)致調(diào)節(jié)恒定電流受到影響，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于器件的開關(guān)頻率，因此系統(tǒng)對(duì)高頻信號(hào)的抗干擾能力較差，需在反饋環(huán)節(jié)和電路之間加校正環(huán)節(jié)。故在IC3的3腳加上了由R20，R21，Ｃ4，Ｃ5構(gòu)成的校正網(wǎng)絡(luò)，其主要作用是消除輸出電流瞬時(shí)值對(duì)PWM電路的影響，瞬時(shí)值的變化受開關(guān)器件的影響，頻率與開關(guān)頻率相同。

　　2．3恒壓控制的實(shí)現(xiàn)

　　為了使輸出電壓在各種干擾情況下保持期望值，恒壓控制系統(tǒng)也按負(fù)反饋原則構(gòu)成，即將實(shí)際的輸出電壓Vf與給定的電壓期望值Vg進(jìn)行比較后，經(jīng)過放大、處理，轉(zhuǎn)換成電流給定信號(hào)，由恒流控制系統(tǒng)來處理。電壓信號(hào)處理電路包括電壓給定信號(hào)處理、采樣保持等功能。

　　3、控制方式的靈敏度分析

　　晶體管構(gòu)成的降壓型斬波電路，在儲(chǔ)能電感Ｌ足夠大時(shí)，其負(fù)載上的工作電流波形如圖3所示。根據(jù)晶體管的不同工作狀態(tài)列可寫出申路方程。

　　圖3負(fù)載上的工作電流波形

　　（1）晶體管導(dǎo)通時(shí)，斬波電路的等效電路如圖4（a）所示。

　?。?）晶體管截止時(shí)，斬波電路的等效電路如圖4（b）所示。

　　圖4斬波電路的等效電路

　　根據(jù)上列各式，結(jié)合圖3可求出在一個(gè)周期里的平均電流

　　將上列各式代入并整理得

　　此式即反映了輸出平均電流人對(duì)占空比變化的靈敏度。設(shè)兒為電流給定期望值，可以看出：

　　4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　本控制系統(tǒng)己用于高速換向脈沖電鍍電源中，該電源有恒峰值電流和恒峰值槽壓兩種工作方式：輸出峰值電流為4~40A，連續(xù)可調(diào)；輸出峰值電壓為3～30V，連續(xù)可調(diào)。為了驗(yàn)證恒流旭壓反饋控制效果的好壞，對(duì)系統(tǒng)輸出電流、輸出電壓外特性進(jìn)行測(cè)試。

　　4．1恒壓輸出

　　在不同的輸出電壓給定情況下，改變負(fù)載電阻值，測(cè)得恒壓輸出狀態(tài)下電源的外特性如圖5所示?？梢?，各測(cè)試點(diǎn)基本在一條直線上，不管輸出電流如何變化，輸出電壓基本不變，這證明電壓反饋效果很好，最大波動(dòng)率發(fā)生在大電流（近40A）的時(shí)侯。

　　4.2恒流輸出

在不同的輸出電流給定情況下，改變負(fù)載電阻值，測(cè)得恒流輸出狀態(tài)下電源的外特性如圖6所示。可見，其外特性為垂直陡降特性，不管輸出電壓如何變化，輸出電流基本不變，這證明電流反饋效果很好。

　　5、結(jié)論

　　該控制系統(tǒng)已用于高速換向脈沖電鍍電源中。該控制系統(tǒng)在其性能測(cè)試及運(yùn)行中表明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，控制效果好，具有實(shí)用多功能性，可隨時(shí)進(jìn)行周期性給定值的調(diào)節(jié)。