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基于TL494的D类扩音机设计 潘苗1，俞阿龙1,2** 作者简介：潘苗 （1987）女 硕士研究生 传感器与智能检测 通信联系人：俞阿龙（1964-），男，教授，工学博士，主要从事信息检测技术和仪器方面的研究. E-mail: yal04060@gmail.com （1. 南京工业大学 自动化与电气工程学院； 2. 淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院） 5 摘要：介绍了一种由TI494为核心的脉宽调制技术，并将其应用于D类扩音机设计中，改进了PWM方案，使功放效率得到提升到90%。分析了该系统的工作原理、实现电路以及PWM控制芯片的结构和具体应用。仿真结果表明该系统具有结构简单、节能以及工作稳定可靠等优点。 10 关键词：关D类功放；脉宽调制；TL494；扩音机 中图分类号：TN722 文献标识码：A The class D amplifier design based on TL494 Pan Miao1, Yu A-long1,2 15 (1. School of Electrical Engineering and Automation,Nanjing University of Technology; 2. School of Physics and Electronic Electrical Engineering,Huaiyin Normal University) Abstract: Introducing pulse width modulation which is central at TL494, this technology is applied to design D megaphone, taking the power amplifier efficiency up to 90%.It analyzes the circuit, its principle of the system and the application of PWM chip. The simulation results show 20 that the system is simple configuration, energy-saving and high reliability. Key words: Class D Power Amplifier; pulse width modulation; TL494; megaphone 0 引言 随着高速功率MOSFET生产技术的迅速发展，MOSFET的工作频率越来越高，驱动方25 式越来越安全，而且价格也越来越低。因此，近年来市场上大量出现了应用于各种家用电器的开关功率放大器。与线性功率放大器相比，虽然开关功率放大器的电路稍微复杂，但它的效率很高，可以减小散热片的大小，甚至可以不使用散热片，因此可大幅地减小产品的体积。本文采用通用集成芯片TL494把模拟信号转换PWM(脉宽调制)信号，并在输出部分采用N沟道MOSFET和P沟道MOSFET构成开关功率放大器[1-3]。TL494广泛应用于半桥式开关30 电源，它具有工作频率和工作电压高、控制方式多、价格低廉，使功放效率提高等优点。所以，采用这种模拟开关式音频功率放大器作为设计所要研究的内容，具有较大的研究意义。 1 D类功放的电路组成及工作原理 D类功放的电路组成主要可以分为三个部分：PWM调制器、开关功率放大器、低通滤波器。电路工作原理过程如图1所示。 35 图1 D类功放工作原理 2 核心芯片的选用 2.1 核心控制芯片的选用 在实现PWM调制电路中[4-5]，本设计选用TL494芯片。TL494芯片具有抗干扰能力强、40 结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。TL494的内部电路(如图2)由基准电压产生用电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。 -+锯齿波振荡器-+D ckQQ-+-+5V基准RT6CT5DTC 4死区时间控制31IN+ 11IN- 2误差放大器1误差放大器2162IN+152IN-12Ucc14REF7 GND810119Q1Q20.7mAPWM比较器FEEDBACKOUTPUTCTRL输出方式控制13死区时间比较器触发器 图2 TL494的内部电路图 其中1、2脚是误差放大器1的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为45 间歇期调理；5、6脚分别用于外接振荡电阻TR和振荡电容TC，以确定振荡器产生锯齿波的频率oscf, TToscCRf1.1 本设计中，取TR =24 kΩ，TC=1000pF；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL 494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，50 该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA，输出电路等组成15、16脚是误差放大器2的反相和同相输入端。 3 各单元电路的设计 3.1 前置放大电路和PWM调制电路 前置放大器具有双重功能，即选择音源并进行音频电压放大和音质控制。前置放大器被55 誉为音响系统的音质控制中心。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。 为了将音频叠加在直流电压上送至 TL494 的3脚，图中运放采用OP07，其同相输入端由 R7、R8，分压后偏置在 U3=VCC*R7/(R8+R7) 上，使其 6 脚亦即TL494的3脚也偏置在此值上；当有音频信号输入时，OP07 的输6脚即TL494的3脚直流电压为： 60 U3=(VCC*R7/(R8+R7)±UIMSinωt 由此可知，TL494的3脚直流电压按输入信号规律变化。TL494输出脉冲占空比随输入信号在偏置点上下按信号规律变化，从而实现SPWM调制。图3中一般取R6=R7=R8=47K，R5=250K，C4=C5=1μf，输入电位器为10K。 65 图3 信号前置放大部分和PWM发生器 TL494的死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间[6]。 70 3.2 MOSFET驱动电路、H桥功率输出及低通滤波电路 驱动电路的任务是驱动H 全桥的场效应管，为了驱动高端管子，驱动电路应具有自举浮地功能。这里可以选用两只廉价的 IR2101 来实现。将PWM调制信号变换为互补对称的驱动信号，将IR2101并联运用以获得较大的驱动电流，选用IR2101主要考虑到其转换速度较高，可提供较大电流而且成本较低的特点。 75 对于MOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。互补PWM开关驱动 信号交替开启Q1和Q4或Q2和Q3，再分别经过滤波器滤波后输出功率放大信号。Q1-Q4 选用 N 沟道功率场效应管 BUZ11，其参数如下：75W/30A/50V/0.05Ω ；L1、L2 选 100μF/2A，电容 C1、C2 选 0.47μF。MOSFET驱动、H桥功率输出及低通滤波电路如图4所示。 80 图4 MOSFET驱动、H桥功率输出及低通滤波电路 经前面脉宽调制得到的PWM信号不能直接驱动功率开关器件，需增加PWM信号的驱动功能。驱动电路可以增强信号的驱动电流，使之能够有效、快速地驱动功率开关管。对于驱动控制电路的要求一是把PWM信号整形成前后沿更加陡斜的脉冲；二是能倒相形成85 PWM和PWM两路脉冲以满足H桥功率开关管的要求；三是为防止同一桥臂上两功率管直通，PWM和PWM两脉冲之间要有一定的死区时间；四是应具有保护功能，当负载出现过流或短路时，应封锁PWM和PWM脉冲信号输出。图5所示电路即可满足以上要求，该电路采用5V电源供电，当过流保护信号为高电平“1”时，驱动电路正常工作；当过流保护信号为低电平“0”时，驱动电路无脉冲输出。为了使的H桥功率输出电路能够正常工作，90 在输出端加入二极管进行电压控制。 H 桥用 4 只场效应管组成，Q1、Q2 组成一个桥臂，Q3、Q4 组成另一个桥臂，滤波电路与一般 D类功放一样采用由 L1、L2、C1、C2 组成一个低通滤波器。如图5所示，它的工作过程是：当前级驱动正半周时，电流由 VDS → Q1 → L1 → Y → L2 → Q4 →地 ；负半周时，电流由 VDS → Q3 → L2 → Y → L1 → Q2 →地。 95 4 仿真结果 为验证系统的有效性，可以通过计算机对上述对基于TL494的D类扩音机系统电路进行仿真[7-8]。设定该系统电源电压U=15V，TL494的振荡电阻RT和振荡电容CT分别为22kΩ，1nF。通过改变输入电路的正弦信号来实现系统输出的不同占空比，当输入端接入的正弦波Vp=500V，频率分别为50Hz、500Hz、1000Hz时，所得占空比分别为：0.29、0.26、100 0.25。此占空比只是根据图3中TL494的引脚10仿真输出PWM所得的结果。仿真结果如 图5所示。 （a）占空比为0.29 105 （b）占空比为0.26 （c） 占空比为0.25 图5 不同正弦波下的占空比 因为本系统采用TL494的13脚接参考电压的方式，所以PWM输出为推挽式。当输入110 端接入正弦波信号f=200Hz，Vp=100V，由TL494的设置产生三角波（图6中的1），同一时刻TL494的9、10引脚输出的PWM波形如图6中的2和3所示。 图6 同一时刻TL494输出端PWM波形 由图5可以看出输入不同的正弦波可以得到不同的PWM调制结果，从而实现从模拟到115 数字的控制。由图6可以看出两路输出PWM轮流工作，这两路方波经过驱动芯片IR2101来驱动H桥工作。仿真结果表明本文所介绍的基于TL494的PWM调制技术在 D类扩音机的设计中是可行的。 5 结论 实验及仿真结果表明，把TL494应用于扩音机的设计中有很大优势。其主要特点为：1120 用四个功率MOS场效应管组成H桥，开关功耗小、效率高；2 用两只IR2101作驱动电路，电路结构简单，价格低；3 用一片TL494 PWM集成芯片同时实现载频发生器、调制电路、死区控制电路，电路结构简单、集成与紧凑；4 前置音频放大器用低失调、高增益、低噪声的集成运放OP07构成；5 设计高性能的滤波电路，滤波效果好。结果表明，所设计的扩音机具有效率高、节能、数字化、体积小、重量轻、声效好等优点，具有实用和应用价值。 125 [参考文献] (References) [1] 童建华.音响设备技术[M]. 电子工业出版社, 2010, 01. 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