Download Print this article

POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Pembangkit Switching Regulators tegangan dengan IC TL494
Yaya Finayani,
Salechan
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Pratama Mulia Surakarta
ABSTRACT
The TL494 power-supply controller is discussed in detail. A general overview of the TL494
architecture presents the primary functional blocks contained in the device. An in-depth
study of the interrelationship between the functional blocks highlights versatility and
limitations of the TL494. The usefulness of the TL494 power-supply controller also is
demonstrated through several basic applications, and a design example is included for a 5V/10-A power supply.
PENDAHULUAN
Monolithic integrated circuits untuk kontrol
switching switching power supply sudah
tersebar luas mulai dikenalkan sejak Tahun
Tahun 1970. TL494 banyak fitur atau
kombinasi yang sebelumnya diperlukan
beberapa rangkaian kendali yang berbeda.
Tujuan tulisan aplikasi ini akan adalah
memberi pembaca suatu pemahaman yang
saksama dari
TL494, fiturnyanya,,
capaiannya,
karakteristik,
dan
pembatasannya.
Basic dvice
Gambar 1 Diagram blok TL 494
Pembangkut Switching…
82
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Disain dari TL494 yang tidak hanya
menyertakan blok diagram untuk keperluan
pengendalikan atau menswitch Power
Supply, tetapi juga menunjukan banyak
permasalahan dan mengurangi jumlah
rangkaian dasar tambahan yang diperlukan
di dalam disain lengkap. Gambar 1 adalah
suatu diagram blok TL494.
Prinsip Operasi
TL494 adalah suatu Rangkaian kontrol
fixed-frequency pulse-width-modulation (
PWM). Keluaran pulsa Modulasi akan
terpenuhi dengan
membandingkan
sawtooth dari bentuk gelombang yang di
Maret 2010
bangkitkan
oleh internal osilator
berdasarkan besaran
kapasitor Timing ( CT) dengan dua sinyal
kendali. Langkah keluaran adalah yang
dimungkinkan selama ketika sawtooth
voltase adalah lebih besar dibanding
tegangan
isyarat
kendali.
Ketika
peningkatan sinyal kendali, yang
mana Selama sawtooth masukan adalah
lebih besar dari pengurangan; maka ,
keluaran pulsa durasasi waktu berkurang.
Pulse-steering flip-flop yang secara
berurutan mengarahkan pulsa yang yang
diatur oleh masing-masing keluaran kedua
transistor. Gambar 2 adalah hubungan
antara pulsa dan sinyal.
Gambar 2.. Teknik Modulasi TL 494.
Sinyal kontrol diperoleh dari dua sumber:
Dead-time ( off-time) rangkaian kontrol
dan Penguat error. Dead-Time input kontrol
dibandingkan secara langsung oleh deadtime kontrol pembanding. Pembanding ini
telah ditetapkan oleh suatu offset 100-mV.
Dengan dibiaskannya masukan kendali ke
ground, Keluaran sawtooth waveform
selamanya tidak akan di bawah 110 mV.
Sediakan lebih dulu waktu mati ditetapkan
kira-kira 3%, itu adalah waktu mati yang
minimum yang dapat diprogramkan. PWM,
pembanding akan membandingkan sinyal
kendali yang dibangkitkan oleh penguat
kesalahan. Satu fungsi
dari penguat
Pembangkut Switching…
kesalahan adalah akan memonitor voltase
keluaran dan menyediakan gain yang cukup
dalam millivolt untuk kesalahan pada
masukannya yang mengakibatkan suatu
amplitudo sinyal kendali cukup untuk
menyediakan kontrol modulasi 100%,
Penguat error juga dapat digunakan untuk
memonitor arus keluaran dan membatasi
arus beban.
Reference Regulator
TL494 internal 5-V reference regulator
ditunjukkan pada Gambar3. Sebagai
tambahan adalah menyediakan suatu acuan
stabil, yang berfungsi
sebagai suatu
83
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
preregulator dan menetapkan suatu
persediaan stabil dari
output-control
logika, pulse-steering flip-flop, oscillator,
dead-time kontrol pembanding, dan PWM
comparator sebagai power. Regulator akan
membuat suatu rangkaian band-gap bekerja
sebagai acuan yang utamanya adalah untuk
memelihara yang berkenaan dengan panas
yang beroperasi di udara bebas variasi
Maret 2010
temperatur cakup 0C sampai 70C stabilitas
dibawah 100-mV . Short-circuit protection
digunakan untuk melindungi acuan internal
dan preregulator, Untuk Arus beban 10
mA perlu rangkaian bias tambahan. Acuan
internal yang diprogramkan ke ketelitian
awal ± 5% dan memelihara stabilitas
kurang dari 25-mV variasi di atas untuk
cakupan voltase masukan 7 V sampai 40 V.
Gambar 3. 5-V Referinsi Regulator
Gambar 4. Tegangan Referinsi VS Tegangan Input
Pembangkut Switching…
84
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Oscillator
Untuk schematic TL494 osilator internal
ditunjukkan pada Gambar 5. Osilator
menghasilkan sawtooth gelombang positif
.
Maret 2010
menuju dead-time dan PWM Komparator
untuk perbandingan
berbagai sinynal
kontrol
Gambar 5. Schematic Internal-Oscillator
Frekwensi Operasi
Frekwensi osilator diprogramkan dengan
menentukan nilai komponen timing yaitu
R T dan C T. Beban osilator adalah
kapasitor timing eksternal , C T, dengan
arus tetap nilainya adalah ditentukan oleh
pemilihan resistor timing eksternal, R T.
Hasilnya
adalah suatu voltase bentuk
gelombang linear-ramp
Ketika voltase
across C T sampai 3 V, rangkaian osilator
discharges dan charging siklus diaktipkan
kembali. Aliran Arus ditentukan oleh
rumusan:
ICHARGE = 3 V/RT
Periode dari bentuk gelombang sawtooth
adalah:
T = (3 V CT)/ICHARGE
Frekwensi dari osilator menjadi:
fOSC = 1/(RT CT)
Pembangkut Switching…
Bagaimanapun, hanya untuk
aplikasi
single-ended frekwensi osilator sama
dengan frekwensi keluaran . Karena aplikas
i push-pull frekwensi keluaran adalah onehalf frekwensi osilator.
Aplikasi Single-ended:
f = 1/(R T × C T )
Push-Pull aplikasi:
f = 1/(2R T × C T )
Programmable Osilator adalah pada ring 1
kHz sampai 300 kHz.Nilai praktek dari RT
dan CT adalah pada ring 1K sampai 500K
dan 470 pF sampai 10 uF. Alur dari
frekwensi osilator terhadap R T dan CT
ditunjukkan pada Gambar 6. Stabilitas dari
osilator pada udara bebas temperature dari
0C sampai 70 C untuk berbagai cakupan R
T dan C T juga ditunjukkan pada Gambar
6.
85
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 6. Frekwensi osilator VS RT/CT
Operasi Di atas 150 kHz
Pada operasi frekwensi150 kHz, periode
dari osilator adalah 6.67 µ s. waktu mati
yang dibentuk oleh offset internal dari
dead-time pembanding (~3% periode)
menghasilkan pulsa kosong 200 ns. ni
menjadi pulsa kosong yang minimum yang
bisa diterima untuk memastikan yang
sesuai menswitch dengan pulsa steering
flip-flop.
Karena frekwensi di atas 150 kHz, waktu
mati tambahan ( di atas 3%) adalah yang
disajikan secara internal di gunakan untuk
memastikan sesuai dengan triger dan pulsa
kosong steering internal flip-flop.
Gambar 7. Variasi of Dead Time vs R T /C T
Dead-Time Control/PWM Comparator
Fungsi dari dead-time kontror pembanding
dan PWM pembanding dijadikan satu
dengan rangkaian single comparator ( lihat
Pembangkut Switching…
Gambar 8). Dua fungsi secara total
independent oleh karena itu, masingmasing fungsi dibahas secara terpisah.
86
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 8. Dead-Time Control/PWM Comparator
Dead-Time Control
Comparator dibias dari 5-V referensi
Dead-Time masukan kontrol menyediakan
Regulator. disini mengesolir dari masukan
kendali dari dead time minimum ( off
supply untuk peningkatan stabilitas.
time). Keluaran pembanding menghalangi
Masukan dari
pembanding tidak
transistor switching Q1 dan Q2 saat voltase
memperlihatkan histeresis, maka proteksi
masukan lebih besar dibanding voltase dari
berlawanan terhadap triger threshold perlu
osilator. Offset
internal 110 mV
disediakan. Pembanding telah merespon
memastikan dead time
time 400 ns dari manapun control-signal
minimum ~ 3% dengan dead-time kendali
masuk sampai keluaran transistor , dengan
input mengground. Penerapan suatu voltase
hanya 100 mV alat penambah kecepatan.
kepada
untuk memastikan hal keluaran sinyal
dead-time
kontrol
masukan
dapat
kontrol di dalam one-half untuk operasi di
memaksakan waktu mati tambahan. Ini
dalam 300-kHz yang direkomendasikan.
menyediakan kendali yang linier
Pulse-Width Modulation (PWM)
waktu mati sat minimum 3% sampai
100% ketika voltase masukan bervariasi
Pembanding juga menyediakan kendali
dari 0 V sampai 3.3 V, berturut-turut.
modulasi keluaran pulsa lebar. Untuk ini,
Dengan penuh ring kendali, keluaran dapat
ramp voltase pemilihan timing kapasitor
dikendalikan dari sumber eksternal tanpa
CT dibandingkan dengan isyarat kendali
mengganggu error amplifier. Dead-Time
keluaran
dari
amplifier
kesalahan.
kontrol masukan adalah suatu masukan
pemilihan timing kapasitor Masukan
secara relatif high-impedance ( II< 10 µ A)
menyertakan rangkaian dioda
yang
dan harus digunakan jika kendali duty cycle
dihilangkan dari sinyal kontrol masukan.
tambahan
keluaran diperlukan.
Ini memerlukan sinyal kontrol ( keluaran
Bagaimanapun, karena kendali sesuai,
amplifier kesalahan)menjadi ~ 0.7 V lebih
masukan harus diakhiri. Rangkaian terbuka
besar dibanding voltase
CT untuk
adalah tak dapat tergambarkan kondisinya.
menghalangi
logika
keluaran,
dan
memastikan duty cycle maksimum operasi
tanpa menuntut voltase kendali untuk turun
Comparator
Pembangkut Switching…
87
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
sampai potensi ground. Keluaran lebar
pulsa bervariasi dari 97% periode 0 ketika
voltase keluaran error amplifier bervariasi
dari 0.5 V sampai 3.5 V, berturut-turut.
Error Amplifiers
scema
rangkaian
error
amplifier
ditunjukkan pada Gambar 9. Both highgain error amplifier menerima bias dari
VI supply rel. common-mode voltase input
terbentang dari – 0.3 V sampai 2 V kurang
dari VI. Mengijinkan masing-masing
Maret 2010
amplifier untuk menarik keatas dengan
bebas untuk
keluaran yang menurun
permintaan pulse-width . Dengan keduaduanya keluaran bersama-sama di masukan
membalik pada pembanding PWM,
amplifier menaikkan pulsa yang minimum
mendominasi keluar. amplifier Keluaran
yang menurun oleh current sink untuk
menyediakan pulsa lebar maksimum ke luar
ketika kedua-duanya amplifier dibiaskan
off.
Gambar 9. Error Amplifiers
Gambar 10 menunjukan struktur keluaran
penyimpangan yang diperlukan oleh
dari amplifier yang beroperasi pada 300rangkaian eksternal ke terminal umpan
µA current sink. Perhatian node
bias
balik harus tidak melebihi kemampuan dari
untuk
pergeseran
gain-control
dan
current sink . Cara lainnya,membatasi
rangkaian interface external-control. Sebab
maksimum keluaran lebar pulsa . Gambar
keluaran amplifier bergeser turun melalui
11 adalah teknik penyimpangan yang
current sink ( I sink= 0.3 mA), arus
sesuai untuk umpan balik gain control.
Gambar 10. Multiplex Structure of Error Amplifiers
Pembangkut Switching…
88
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 11. -Configurasi Bias Error-Amplifier untuk Aplikasi Gain
Controlled
Output-Control Logic
Output-Control logik adalah digunakan
untuk keperluan unjuk kerja beraneka
macam tambahkan kendali eksternal. yang
dirancang baik Untuk push-pull maupun
aplikasi single-ended, capaian sirkit dapat
dioptimalkan dengan pemilihan kondisikondisi yang sesuai
untuk berbagai
masukan kendali.
Keluaran Kendali
Output-Control
masukan
menentukan
apakah transistor keluaran beroperasi
paralel atau push-pull. Masukan ini menjadi
sumber power flip-flop pulse-steering (
lihat Gambar 14). Output-Control masukan
adalah asynchronous dan mempunyai
kendali langsung pada keluaran, tidak
terpengaruh pada osilator atau flip-flop
pulse-steering.
Kondisi
masukan
dimaksudkan untuk ditetapkan perbaiki
kondisi yang dilukiskan oleh aplikasi.
Karena operasi paralel, output-control
masukan harus di grounkan.mendesibelkan
flip-flop pulse-steering dan menghalangi
keluaran nya. pada model ini, pulsa melihat
keluaran dari
dead-time control/PWM
comparator dikirim oleh kedua-duanya
transistor keluaran paralel. Karena operasi
push-pull , output-control masukan harus
dihubungkan dengan internal 5-V acuan
Regulator. Di bawah kondisi ini, masingmasing transistor keluaran dimungkinkan,
secara berurutan, dengan flip-flop pulsesteering.
Tabel fungsi
Pembangkut Switching…
89
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 14. Arsitektur Output-Steering
Pulse-Steering Flip-Flop
pulse-steering flip-flop adalah suatu DType flip-flop positive-edge-triggered yang
berubah status secara synchronous dengan
peningkatan tepi keluaran pembanding (
lihat Gambar 14). waktu mati kosong
selama periode ini untuk memastikan
melawan terhadap kemungkinan dalam
kedua-duanya keluaran terpasang, secara
serempak, sepanjang transisi dari keluaran
pulse-steering flip-flop. Menurut bagan
Pembangkut Switching…
untuk pulse-steering flip-flop ditunjukkan
dalam Gambar 15. Karena flip-flop
menerima picu dari keluaran pembanding,
bukan osilator, keluaran selalu beroperasi
push-pull. flip-flop tidak berubah status
kecuali jika suatu pulsa keluaran terjadi
dalam periode sebelumnya osilator.
Arsitektur ini mencegah yang manapun
keluaran dari
pulsa ganda, hanyalah
membatasi aplikasi control-signal sumber
ke dc sinyal umpan balik tambahan.
90
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 15. Pulse-Steering Flip-Flop
Output Transistors
Dua transistor keluaran pada
TL494.
keluaran Struktur ditunjukkan dalam
Gambar 16. Both transistor adalah
configurasi open collector/open emitter,
dan masing-masing adalah untuk mampu
saturasi atau sourcing sampai kepada 200
mA. Transistor mempunyai u voltase
kejenuhan kurang dari 1.3 V pada emiter
bersama configurasi dan kurang dari 2.5 V
pada configurasi pengikut emiter. Keluaran
melindungi power berlebihan untuk
mencegah
kerusakan,
tetapi
tidak
mempekerjakan pembatasan, hanya cukup
untuk mengijinkan untuk dioperasikan
untuk keluaran current-source.
Gambar 16. Struktur Output-Transistor
Contoh Desain
Contoh Desain menggunakan TL494 untuk
membuat suatu Power supply 5-V/10-A .
Disain ini adalah didasarkan pada
parameter berikut :
Pembangkut Switching…
91
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Input Power Source
32-V dc sumber Power untuk supply ini
menggunakan masukan 220-V , keluaran
trafo lilitan sekunder 24-V 75 VA. 24-V
Maret 2010
memberi makan suatu
penuh dengan
penyearah
full-wave bridge currentlimiting resistor ( 0.3.) dan dua kapasitor
filter ( lihat Gambar)
Gambar 17 Input Power Source
keluaran voltase dan Arus ditentukan dengan persamaan berikut:
Pembangkut Switching…
92
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 18. Contoh Rangkaian switching
Control Circuits
Oscillator
Menghubungkan resistor dan kapasitor
eksternal ke pin 5 dan 6 kontrol osilator
Pembangkut Switching…
frekwensi TL494. Osilator
mulai
beroperasi pada 20 kHz, menggunakan
nilai-nilai komponen yang dihitung
dengan persamaan berikut :
93
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Error Amplifier
Error Amplifier bandingkan suatu contoh dari keluaran 5-V dengan acuan dan melakukan
penyesuaian PWM untuk memelihara arus keluaran tetap ( lihat Gambar ).
Gambar 19. Error-Amplifier Section
TL494 5-V internal referensi dibagi untuk 2.5 V oleh R3 dan R4. tegangan Kesalahan
sinyal juga dibagi untuk 2.5 V oleh R8 dan R9. Jika keluaran harus diatur untuk persisnya
5.0 V, 10-k. potensiometer dapat digunakan sebagai pengganti R8 untuk mengatur
penyesuaian.
Untuk meningkatkan stabilitas dari rangkaian error-amplifier, keluaran dari error amplifier
diumpan-balikkan masukan inverting melalui R7, reducing gain sampai 100.
Current-Limiting Amplifier
power supply dirancang untuk load Arus 10-A dan suatu IL swing 1.5 A; oleh karena
itu,short-circuit arus seharusnya:
Pembangkut Switching…
94
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Gambar 20. Rangkaian Current-Limiting
Resistor R1 dan R2 menetapkan acuan
sekitar 1 V pada masukan inverting
current-limiting amplifier. Resistor R11,
secara seri dengan beban, berlaku 1 V
untuk terminal yang noninverting dari
current-limiting amplifier ketika arus
beban menjangkau 10 A. -Pulse Output
lebar dikurangi
maka. Nilai R11 adalah:
Soft Start and Dead Time
Untuk
mengurangi
tekanan
pada
transistor switching pada sat memulai,
start-up surge yang terjadi ketika output
filter beban kapasitor harus dikurangi.
Ketersediaan dari dead-time kendali dari
implementasi rangkaian soft-start yang
secara relatif sederhana dapat ( lihat
Gambar 21).
Gambar 21 Soft-Start Circuit
Pembangkut Switching…
95
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Maret 2010
Rangkaian Soft-Start mengijinkan lebar
pulsa di keluaran
meningkat secara
pelan-pelan ( lihat Gambar ) dengan
penerapan
serong negatif
bentuk
gelombang dead-time input kontrol pada
(pin 4).
biaya kapasitor melalui R6, keluaran lebar
pulsa pelan-pelan meningkat sampai loop
kendali mengambil perintah. Dengan
suatu perbandingan resistor 1:10 untuk R6
dan R7, voltase pada pin 4 setelah
memulai adalah 0.1× 5 V, atau 0.5 V.
Pada awalnya, kapasitor C2 memaksa
dead-time kendali masukan untuk
mengikuti 5-V Regulator mendesibelkan
keluaran ( 100% waktu off). Ketika beban
Soft-Start time biasanya adalah di sekitar
ring 25 sampai 100 jam. Jika 50 jam
beredar pada 20-kHz switching rate
adalah terpilih, soft-start waktu adalah:
Kemudian Nilai dari kapasitor ditentukan oleh:
Kalkulasi Induktor
Gambar 22. Dasar switching
Ukuran dari induktor ( L) yang diperlukan adalah:
Kalkulasi Kapasitansi Keluaran
Sekali ketika filter induktor telah
dihitung, nilai dari filter kapasitor
keluaran dihitung untuk sesuai kebutuhan
tegangan riak keluaran
kapasitor
elektrolitik dapat digunakan
sebagai
rangkaian
koneksi
dari
Pembangkut Switching…
induktans,resistansi , dan kapasitansi.
Untuk menyediakan filter yang baik,
frekwensi ripel harus jauh di bawah
frekwensi di mana rangkaian induktans
menjadi penting.
Maka, dua komponen
menjadi
kapasitansi dan rangkaian yang efektif
96
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
Resistor ( RSE). RSE Yang maksimum
dihitung menurut hubungan antara peak-
Maret 2010
to-peak yang yang ditetapkan voltase ripel
dan peak-to-peak ripel sekarang.
maksimum 0.074.
maksimum 2.8 A.
kapasitansi Yang minimum C3 yang
diperlukan untuk memelihara VO voltase
riak kurang dari 100-mV sasaran disain
dihitung menurut penyamaan berikut :
Suatu 220-mF, 60-V kapasitor terpilih
sebab
mempunyai suatu RSE yang
dan
arus
riak
Kalkulasi Transistor Power-Switch
Transistor Power switch dibangun dengan
Transistor pnp Nte153 sebagai transistor
pengemudi dan suatu Transistor npn
Nte331 sebagai transistor keluaran . Dua
alat power ini dihubungkan di dalam
suatu Rangkaian pnp hybrid Darlington
bentuk configurasi ( lihat Gambar ).
Gambar 23. Bagian Power-Switch
Gambar Bagian Power-Switch
Rangkaian Hybrid Darlington
harus
memenuhi arus keluaran IO maksimum+
Pembangkut Switching…
. IL/2 atau 10.8 A. Darlington hFE pada
10.8 A adalah Suatu kebutuhan cukup
97
POLITEKNOSAINS VOL. IX NO. 1
tinggi tidak untuk melebihi 250-mA
maksimum arus kolektor keluaran
TL494. NTE153 Diterbitkan yang
Maret 2010
didasarkan pada NTE331 spesifikasi,
power-switch yang diperlukan minimum
dihitung oleh berikut menjadi 144 mA :
yang didasarkan pada kalkulasi Ini, nilai
resistor standard yang paling dekat adalah
220. terpilih untuk R10.
Kesimpulan
1.
Power supply yang diuraikan
menunjukkan
fleksibilitas
Dari
Rangkaian Kontrol TL494 PWM .
2.
Disain Power Supply
ini
menunjukkan banyak dari metoda
yang disajikan oleh TL494, seperti
halnya kelebihan macam-macam dari
rangkaian kontrol.
Referensi
www.ti.com
SLVS074E–JANUARY
1983–REVISED FEBRUARY 2005.
Pembangkut Switching…
98