专题指导ErrAMP1外围电路分析与设计

专题指导：ErrAMP1外围电路分析与设计编者按：有些同学对TL494误差放大器1（ErrAMP1）外围电路分析和工程设计路径存有疑惑，感觉一时难以理清思路。特编写此文，提供一条思考线路，或许对大家有帮助和启发。课程建议的电路拓扑结构课程建议的ErrAMP1外围电路拓扑结构如图1所示。其中5refV来自TL494内置电压基准源，outV表示电源模块的输出电压。图中运放表示TL494内置误差放大器1（ErrAMP1），引脚标号依随TL494引脚序号。工程设计目标“工程实践与科技创新[3A]”实验中，ErrAMP1外围电路设计的工程设计目标如下：设计目标1：静态工作点（工作区间）设计，即通过调节可变电阻R12使电源模块输出电压在5.0~10.0V区间可调。设计目标2：为了保证动态调整率指标，应确保误差放大器电路增益大于200注1。静态工作点（工作区间）设计如图1，其中3R和2C用于降低信号较高频率成分增益（对信号较高频率分量而言，运放电路反馈阻抗为432//()RRjC），抑制放大器自激，在做静态工作区间设计时可不加考虑。另外，原始电路中设置有满程为1K的可变电阻14R，主要为了方便老师检测操作，在此可作为0电阻看待。图1误差放大器电路（整体电路之局部）i5i8i4由负反馈运放电路工作原理，易知电路平衡时12vv（1）即30v按照电路基本理论分析，可得关系式131111213outRvVRRR（2）482548//5//RRvRRR（3）由于误差放大器增益一般可达数百倍，因此48RR，也就是说488//RRR，引入858/()RRR，并根据（1）、（2）和（3），可得111213135outRRRVR（4）课程实验中，12R指定使用满程22K电位器；另外，不妨取115.1RK。考虑一定的工程余量，可令1204VoutRV，122211VoutRKV；代入（4）并解得137.47RK和0.475。为便利计，工程实际中取137.5RK（5）和0.5（6）代回（4）做检验，可算得理论值1204.2VoutRV，122211.53VoutRKV，显然能够满足设计目标1。误差放大器电路增益设计关于误差放大器电路，其中“误差”指的是“输出电压偏差（误差）”注2，即电源模块实际输出电压与输出设点电压之间的偏差。误差放大器电路输出电压与该差值之比的绝对值，就是所谓“误差放大器电路增益”。结合电路图1，可写作关系式3erroutoutcvAVV（7）其中outcV表示输出设点电压。为慎重计，以下推导先不引入近似条件。为方便表述，引入13111213/()RRRR，并注意到由于12R是可变电阻，相应有变动区间。据图1，列写方程组1125258284234548(5)//()/outvVvvivRivRivvRiii（8）解得342425285(///5/)vRvRvRvRR（9）为表述方便，引入458////pRRRR，则式（9）可改写为345(/5/)outpvRVRR（10）式中当30v，有55poutoutcRVVR，根据式（7）得到4/errpARR（11）由于（6），可设58RRr，并按之前分析可知，要保证min40.22(12/)200errARr（12）考虑工程实现上方便，可取42RM注3（13）584.3RRrK（14）以上取值均已考虑比较充分的工程设计余量。注1：误差放大器电路增益下限的确定根据本课程任务要求，=0.5%入上限出入下限出整率出输电压为时输电压输电压为时输电压电压调输设点电压（15）=1%出空出流整率（整率）出满载时输电压-载时输电压电调负载调输设点电压（16）因为输出设点电压的最小值为5V，所以输出电压绝对偏差不能大于0.025V。换言之，当输出电压偏差达到0.025V时，误差信号经过误差放大电路放大后，必须确保能够触发自动纠偏机制向减小该偏差的方向调整。从图2上看，PWMComparator必须被触动，若此时其输入信号3v大于另一路输入信号（锯齿波）的幅度，则触动条件一定满足。锯齿波的幅度在TL494Datasheet中不一定给出，但我们知道，发生锯齿波的振荡电路使用芯片内部5refV电压供电，故锯齿波幅度不会超过5refV。由此，5V/0.025V=200可以作为工程设计的下限。鉴于增益过大的放大器容易自激，误差放大器增益可按下限设计。图2TL494内部逻辑框图注2：“输出电压偏差”是一种系统误差所有以类似TL494的PWM控制器为核心元件的电源转换电路，其输出实际电压与设点电压之间的偏差是电路系统固有的，并会随着输入电压改变而变化，也会随着输出电流（负载）改变而变化。这是一种系统误差，无法彻底被消除。以下通过简单举例来说明。图3稳压纠偏机制工作原理示意图能量转换SPWMPWMComparatorErrAMP13v图3是经过简化的TL494为核心元件的一个DC-DC开关电源稳压纠偏机制工作原理示意图。图中，inV为输入电压，从直流10V到20V可变；refV来源于TL494内部基准电压源；outV为输出电压，其设点固定为5V；LR为负载电阻。图中示出ErrAMP1（引脚标号依随TL494引脚序号）和PWMComparator等TL494局部关键电路。为简便计，假定能量转换的工作效率为100%，也就是说输出功率与输入功率相等。若设d为信号SPWM的占空比，则有2/ininonoutLVIdVR（17）式中inonI指开关晶体管处于导通状态时，能量转换电路的输入电流。图43V与SPWM占空比的关联在图3电路中，经图4分析易知，当电压3V增大时，信号SPWM的占空比减小，开关晶体管的相对导通时间间隔减小，outV趋向减小；当3V减小时，则反之。可以关系式表示3(5)5VVdV（18）另外显见，3()(/)outreffiVVVRR（19）分别考察下列三种情况。先看情况1，10inVV，10LR。由于/0.5inonoutoutLIIVRA，根据式（17）和（18）可得50%d，32.5VV。所以，据式（19）有（a1）当增益(/)20fiRR，5.125outVV；（b1）当增益(/)50fiRR，5.05outVV；（c1）当增益(/)100fiRR，5.025outVV。5VV3SPWM0再看情况2，20inVV，10LR。通过类似分析计算可得（a2）当增益(/)20fiRR，5.1875outVV；（b2）当增益(/)50fiRR，5.075outVV；（c2）当增益(/)100fiRR，5.0375outVV。再看情况3，10inVV，100LR（近似作为空载情况）。分析计算可得（a3）当增益(/)20fiRR，5.225outVV；（b3）当增益(/)50fiRR，5.09outVV；（c3）当增益(/)100fiRR，5.045outVV。对比情况1和情况2，可见当负载不变而输入电压改变时，尽管输出设点电压未变，但实际输出电压会有一定程度变化。在误差放大电路增益为20、50、100时，按式（15）计算对应的电压调整率分别为1.25%、0.5%、0.25%。对比情况1和情况3，可见当输入电压不变而负载改变时，尽管输出设点电压未变，但实际输出电压会有一定程度变化。在误差放大电路增益为20、50、100时，按式（16）计算对应的电流调整率分别为2%、0.8%、0.4%。仅从调整率角度看，误差放大电路增益越大越好，但过大的增益也容易引发电路自激。注3：反馈电阻取值的考虑因素（1）由于误差放大器增益很高，若反馈电阻4R取值过小，会迫使5R、8R的取值偏小，该分压电路自5refV获取的工作电流就会比较大，易对基准源稳定性产生不利影响。（2）更主要的因素是，开关电源（电压反馈型）较容易产生自激。这种自激频率可低至几百赫兹。往往需要在反馈电阻上并联一个RC（图1中32RC）补偿电路。由于针对的频率较低，RC时间常数较大，3R的取值较大。要使补偿效果良好，4R应远大于3R。