Le TL494 pour alimentation à découpage : schéma et fonctionnement

Le TL494 est un circuit intégré classique pour la conception d'alimentation à découpage régulée. Le TL494 intègre toutes les fonctions nécessaires à la conception d'un circuit de commande de modulation de largeur d'impulsion (PWM). Conçu principalement pour le contrôle des alimentations à découpage, ce dispositif offre la flexibilité nécessaire pour adapter le circuit de contrôle de l'alimentation électrique à une application spécifique. On trouve ses équivalents ou proches voisins SG3525 et KA7500B dans les anciennes alimentations ATX pour PC par exemple.

Description du TL494

Le TL494 contient deux amplificateurs d'erreur, un oscillateur réglable intégré, un comparateur de contrôle de temps mort (DTC), une bascule de contrôle d'orientation d'impulsion, un régulateur 5 Volts, et des circuits de contrôle de sortie. Les amplificateurs d'erreur présentent une plage de tension de mode commun allant de -0,3 V à VCC - 2 V. Le comparateur de contrôle du temps mort a un décalage fixe qui fournit environ 5 % de temps mort. On peut "prendre la main" sur l'oscillateur intégré en fournissant directement un signal en dents de scie sur la broche CT pour, par exemple, piloter les circuits communs dans des alimentations synchrones à plusieurs rails. Les transistors de sortie fournissent une capacité de sortie à émetteur commun ou à émetteur-suiveur. Le dispositif TL494 permet un fonctionnement en sortie push-pull ou single ended, qui peut être sélectionné par la fonction de contrôle de sortie. L'architecture de ce dispositif interdit la possibilité que l'une ou l'autre sortie soit activée deux fois pendant le fonctionnement push-pull. Le TL494C est caractérisé pour un fonctionnement de 0 °C à 70 °C. Le TL494I fonctionne sur une plage de températures de -40 °C à 85 °C.

Schéma fonctionnel du TL494

La conception du TL494 intègre non seulement les principaux blocs de construction nécessaires pour contrôler une alimentation à découpage, mais elle résout également de nombreux problèmes de base et réduit la quantité de circuits supplémentaires nécessaires. Le TL494 est un circuit de contrôle de modulation de largeur d'impulsion (PWM) à fréquence fixe. La modulation des impulsions de sortie est réalisée en comparant la forme d'onde en dents de scie créée par l'oscillateur interne sur le condensateur de synchronisation (CT) à l'un des deux signaux de commande. L'étage de sortie est activé pendant le temps où la tension en dents de scie est supérieure aux signaux de commande de tension. Lorsque le signal de commande augmente, le temps pendant lequel l'entrée en dents de scie est supérieure diminue ; par conséquent, la durée de l'impulsion de sortie diminue. Une bascule d'orientation des impulsions dirige alternativement l'impulsion modulée vers chacun des deux transistors de sortie.

Voici le schéma fonctionnel du TL494 :

Schéma interne du TL494 pour alimentations à découpage

Détaillons les différentes fonctions du TL494.

Régulateur interne 5 V

La sortie du régulateur de référence 5 V interne du TL494 est la broche REF. En plus de fournir une référence stable, elle agit comme un prérégulateur et établit une alimentation stable à partir de laquelle la logique de commande de sortie, la bascule d'orientation des impulsions, l'oscillateur, le comparateur de contrôle du temps mort et le comparateur PWM sont alimentés. Le régulateur 5 V utilise un circuit "band gap" comme référence pour maintenir une stabilité thermique de moins de 100 mV de variation sur la plage de température de fonctionnement à l'air libre de 0 à 70 °C. Une protection contre les courts-circuits est fournie pour protéger la référence interne et le prérégulateur. 10 mA de courant de charge sont disponibles pour les circuits de polarisation supplémentaires. La référence est programmée en interne pour une précision initiale de +/-5 % et maintient une stabilité de moins de 25 mV de variation sur une plage de tension d'entrée de 7 à 40 V.

Oscillateur du TL494

L'oscillateur fournit une forme d'onde positive en dents de scie aux comparateurs de temps mort et de PWM pour la comparaison avec les différents signaux de commande. La fréquence de l'oscillateur est fixée par RT et CT (f = 1 / (RT.CT)). L'oscillateur charge le condensateur de synchronisation externe, CT, avec un courant constant, dont la valeur est déterminée par la résistance de synchronisation externe, RT. Le TL494 produit une forme d'onde de tension à rampe linéaire. Lorsque la tension aux bornes de CT atteint 3 V, le circuit de l'oscillateur le décharge. Un nouveau cycle recommence.

Contrôle du temps mort ("dead time") de 3 à 100 %

L'entrée de commande du temps mort permet de contrôler le temps mort minimum. La sortie du comparateur inhibe les transistors de commutation Q1 et Q2 lorsque la tension à l'entrée est supérieure à la tension de rampe de l'oscillateur. Un décalage interne de 110 mV assure un temps mort minimum d'environ 3 % quand l'entrée "dead time" (broche 4) est reliée à la masse. L'application d'une tension à l'entrée "dead time" impose un temps mort supplémentaire. Cela permet un contrôle linéaire du temps mort de son minimum de 3 % à son maximum 100 % lorsque la tension d'entrée varie de 0 V à 3,3 V, respectivement. La sortie peut être contrôlée à partir de sources externes sans perturber les amplificateurs d'erreur. L'entrée de commande du temps mort est une entrée à relativement haute impédance (< 10 µA) et doit être utilisée lorsqu'un contrôle supplémentaire du rapport cyclique de la sortie est nécessaire.

Pour couper le TL494, on peut faire passer la broche DT à 3,3 V. Les alimentations ATX utilisent souvent ce principe lorsqu'une protection se déclenche ou pour désactiver le fonctionnement lorsque le fil vert n'est pas relié à la masse.

Comparateur du TL494

Le comparateur est polarisé à partir du régulateur de référence 5 V. Cela permet d'isoler l'alimentation d'entrée pour une meilleure stabilité. L'entrée du comparateur ne présente pas d'hystérésis, il faut donc prévoir une protection contre les faux déclenchements ("false triggering") à proximité du seuil. Le comparateur a un temps de réponse de 400 ns entre l'une ou l'autre des entrées du signal de commande et les transistors de sortie, avec seulement 100 mV entre les entrées.

Contrôleur PWM du TL494

Le comparateur permet également de contrôler la modulation de la largeur de l'impulsion de sortie (PWM). Pour cela, la tension de rampe aux bornes du condensateur CT est comparée au signal de commande présent à la sortie des amplificateurs d'erreur. L'entrée du condensateur de temporisation incorpore une diode en série qui est omise de l'entrée du signal de commande. Cela exige que le signal de commande (sortie de l'amplificateur d'erreur) soit 0,7 V supérieur à la tension aux bornes de CT pour inhiber la logique de sortie, et assure un fonctionnement à rapport cyclique maximal sans exiger que la tension de commande descende à un véritable 0 V. La largeur d'impulsion de sortie varie de 97 % de la période à 0 % lorsque la tension présente à la sortie de l'amplificateur d'erreur varie de 0,5 V à 3,5 V, respectivement.

Amplificateurs d'erreur du TL494

Les deux amplificateurs d'erreur du TL494 à gain élevé reçoivent leur polarisation du rail d'alimentation Vcc. Cela permet une plage de tension d'entrée en mode commun de -0,3 V à 2 V inférieure à Vcc. Les deux amplificateurs se comportent de manière identique à amplificateur à alimentation simple ("single supply") en ce sens que chaque sortie est uniquement active à l'état haut. Cela permet à chaque amplificateur de tirer vers le haut indépendamment pour une demande de largeur d'impulsion de sortie décroissante. Avec les deux sorties OU ensemble à l'entrée inverseuse du comparateur PWM, l'amplificateur demandant la sortie d'impulsion minimale l'emporte. C'est pourquoi il y a une diodes en série avec chaque sortie des amplificateurs d'erreur du TL494. Les sorties des amplificateurs sont polarisées à un niveau bas par un courant ("sink") pour fournir une largeur d'impulsion maximale lorsque les deux amplificateurs sont désactivés.

Fonctionnement des transistors de sortie

L'entrée de contrôle de sortie du TL494 détermine si les transistors de sortie fonctionnent en parallèle ou en push-pull. Cette entrée est la source d'alimentation de la bascule d'orientation des impulsions. L'entrée de commande de sortie est asynchrone et a un contrôle direct sur la sortie, indépendamment de l'oscillateur ou de la bascule d'impulsions. La condition d'entrée est destinée à être une condition fixe qui est définie par l'application. Pour un fonctionnement en parallèle, l'entrée de contrôle de sortie doit être mise à la masse. Cela désactive la bascule d'orientation des impulsions et inhibe ses sorties. Dans ce mode, les impulsions vues à la sortie du comparateur de contrôle de temps mort / PWM sont transmises par les deux transistors de sortie en parallèle. Pour un fonctionnement push pull, l'entrée de commande de sortie doit être connectée au régulateur de référence 5 V interne du TL494. Dans cette condition, chacun des transistors de sortie est activé, alternativement, par la bascule de commande d'impulsion.

Transistors de sortie du TL494

Deux transistors de sortie sont disponibles sur le TL494. Ils sont configurés en collecteur ouvert / émetteur ouvert, et chacun d'eux peut absorber ou fournir jusqu'à 200 mA. Les transistors ont une tension de saturation inférieure à 1,3 V dans la configuration émetteur commun et inférieure à 2,5 V dans la configuration émetteur-suiveur. Les sorties sont protégées contre une dissipation excessive de puissance afin d'éviter tout dommage, mais elles n'utilisent pas une limitation de courant suffisante pour leur permettre de fonctionner comme des sorties à source de courant.

Schéma d'alimentation avec TL494

En retirant les composants destinés à la protection d'une alimentation ATX, on peut réaliser une alimentation stabilisée de tension ajustable entre 2,5 V et 10 V :

Schéma d'alimentation avec TL494

La tension 12 V qui alimente le TL494 doit être amenée de l'extérieur.