Issuu on Google+

2010

Pembangkit Switching Regulators tegangan dengan IC TL494 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 powersupply controller also is demonstrated through several basic applications, and a design example is included for a 5-V/10-A power supply.

Yaya Finayani. Salechan Politeknik Pratama Mulia Surakarta Maret/2010


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

83


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 84


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 Âą 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

85


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. 86


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 Âľ 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.

87


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 Âľ 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 Switchingâ&#x20AC;Ś

88


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 â&#x20AC;&#x201C; 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 ÂľA 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 Switchingâ&#x20AC;Ś

89


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

90


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

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.

91


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

92


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

93


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

frekwensi TL494. Osilator mulai beroperasi pada 20 kHz, menggunakan nilai-nilai komponen yang dihitung dengan persamaan berikut :

94


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

95


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

96


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 0.1Ă&#x2014; 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 Switchingâ&#x20AC;Ś

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

97


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 Switchingâ&#x20AC;Ś

. IL/2 atau 10.8 A. Darlington hFE pada 10.8 A adalah Suatu kebutuhan cukup

98


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…

99


Pembangkit Switching Regulators tegangan dengan IC TL494