Nagy teljesítményű, nagy hatásfokú boost konverter tervezése a tl494 segítségével

Miközben az elektronikával dolgozunk, gyakran kerülünk olyan helyzetekbe, amikor szükségessé válik a kimeneti feszültség növelése, miközben a bemeneti feszültség alacsony marad, ez egyfajta helyzet, amikor támaszkodhatunk egy áramkörre, amelyet közönségesen boost-átalakítónak (fokozatos átalakító). A boost konverter egy DC-DC típusú kapcsoló konverter, amely növeli a feszültséget, miközben állandó teljesítmény-egyensúlyt tart fenn. A boost konverter fő jellemzője a hatékonyság, ami azt jelenti, hogy hosszú akkumulátor-élettartamra és csökkent hőproblémákra számíthatunk. Korábban készítettünk egy egyszerű lendület-átalakító áramkört és ismertettük az alapvető tervezési hatékonyságot.

Tehát ebben a cikkben egy TL494 Boost konvertert tervezünk megtervezni , és a népszerű TL494 IC alapján kiszámítani és tesztelni egy nagy hatásfokú boost konverter áramkört, amelynek minimális tápfeszültsége 7V, maximum 40V, és mint kapcsolóként használjuk az IRFP250 MOSFET- et, ez az áramkör elméletileg maximum 19 A / s áramot képes kezelni (az induktivitás korlátozza). Végül lesz egy részletes videó, amely bemutatja az áramkör működését és tesztelését, így minden további nélkül kezdjük.

A Boost Converter működési elvének megértése

A fenti ábra a boost konverter áramkörének alapvázlatát mutatja. Az áramkör működési elvének elemzéséhez két részre osztjuk: az első feltétel elmagyarázza, mi történik, ha a MOSFET be van kapcsolva, a második feltétel pedig azt, hogy mi történik, amikor a MOSFET ki van kapcsolva.

Mi történik, ha a MOSFET BE van kapcsolva:

A fenti kép az áramkör állapotát mutatja, amikor a MOSFET be van kapcsolva. Amint felismerheti, szaggatott vonal segítségével megmutattuk az ON állapotot, mivel a MOSFET bekapcsolva marad, az induktor tölteni kezd, az induktoron keresztüli áram folyamatosan növekszik, amely mágneses tér formájában tárolódik.

Mi történik, ha a MOSFET ki van kapcsolva:

Most, mint tudhatja, az induktoron keresztüli áram nem változhat azonnal! Ez azért van, mert mágneses tér formájában van tárolva. Ezért abban a pillanatban, amikor a MOSFET kikapcsol, a mágneses mező összeomlik, és az áram a töltőárammal ellentétes irányban folyik. Amint a fenti ábrán láthatja, ez megkezdi a kondenzátor töltését.

Most, a kapcsoló (MOSFET) folyamatos be- és kikapcsolásával létrehoztunk egy kimeneti feszültséget, amely nagyobb, mint a bemeneti feszültség. Most a kimeneti feszültséget a kapcsoló be- és kikapcsolási idejének vezérlésével szabályozhatjuk, és ezt tesszük a főáramkörben.

Ismerje meg a TL494 működését

Mielőtt elmennénk és felépítenénk az áramkört a TL494 PWM vezérlő alapján, ismerkedjünk meg a TL494 PWM vezérlő működésével. A TL494 IC-nek 8 funkcionális blokkja van, amelyeket az alábbiakban mutatunk be és írunk le.

5 V-os referenciaszabályozó:

Az 5V-os belső referencia-szabályozó kimenete a REF tű, amely az IC 14-es tűje. A referenciavezérlő stabil belső ellátást biztosít a belső áramkörökhöz, mint például az impulzus-kormányzó flip-flop, az oszcillátor, a holtidő vezérlő komparátor és a PWM komparátor. A szabályozót a kimenet vezérléséért felelős hibaerősítők meghajtására is használják.

Megjegyzés: A referencia belső programozásra kezdeti pontossága ± 5%, és fenntartja a stabilitást a 7 V és 40 V közötti bemeneti feszültségtartományban. 7 V-nál kisebb bemeneti feszültség esetén a szabályozó a bemenet 1 V-ján belül telít és követi azt.

Oszcillátor:

Az oszcillátor fűrészfog hullámot generál és biztosít a holtidő vezérlőnek és a PWM komparátoroknak a különböző vezérlőjelekhez.

Az oszcillátor frekvenciája az R T és C T időzítő komponensek kiválasztásával állítható be.

Az oszcillátor frekvenciáját az alábbi képlettel lehet kiszámítani-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Az egyszerűség kedvéért készítettem egy táblázatot, amellyel nagyon egyszerűen kiszámíthatja a frekvenciát. Amit az alábbi linken talál.

Megjegyzés: Az oszcillátor frekvenciája megegyezik a kimeneti frekvenciával csak egyvégű alkalmazások esetén. Push-pull alkalmazásoknál a kimeneti frekvencia az oszcillátor frekvenciájának a fele.

Holtidő vezérlő összehasonlító:

A holtidő, vagy egyszerűen csak az off-time vezérlés jelenti a minimális holt- vagy off-time értéket. A holtidő komparátor kimenete blokkolja a tranzisztorokat, ha a bemenet feszültsége nagyobb, mint az oszcillátor rámpafeszültsége. Feszültség alkalmazása a hibakód tüskéjére további holtidőt szabhat ki, ezáltal további holtidőt biztosítva a minimum 3% és 100% között, mivel a bemeneti feszültség 0 és 3 V között változik. Egyszerű fogalommal megváltoztathatjuk a kimeneti hullám Duty ciklusát anélkül, hogy módosítanánk a hibaerősítőket.

Megjegyzés: A 110 mV belső eltolás biztosítja a minimális 3% -os holtidőt a holtidő vezérlő bemenet földelésével.

Hibaerősítők:

Mindkét nagy nyereségű hibaerősítő megkapja előfeszültségét a VI tápvezetékről. Ez lehetővé teszi, hogy a közös üzemmódú bemeneti feszültségtartomány –0,3 V és 2 V között kisebb legyen, mint VI. Mindkét erősítő jellemzően egy egyvégű egy táperősítőre jellemző, hogy mindegyik kimenet csak magasan aktív.

Kimenet-vezérlő bemenet:

A kimenet-vezérlő bemenet határozza meg, hogy a kimeneti tranzisztorok párhuzamos vagy push-pull módban működnek-e. A 13-as kimeneti vezérlőcsap földhöz csatlakoztatásával a kimeneti tranzisztorok párhuzamos üzemmódba kerülnek. De ha ezt a csapot csatlakoztatja az 5V-REF tűhöz, a kimeneti tranzisztorokat push-pull módba állítja.

Kimeneti tranzisztorok:

Az IC-nek két belső kimeneti tranzisztora van, amelyek nyitott kollektoros és nyitott emitteres konfigurációkban vannak, és amelyek segítségével legfeljebb 200mA áramot tud forrni vagy elnyelni.

Megjegyzés: A tranzisztorok telítési feszültsége kisebb, mint 1,3 V a közös-emitter konfigurációban, és kevesebb, mint 2,5 V az emitter-követő konfigurációban.

A TL494 alapú Boost Converter áramkör kiépítéséhez szükséges alkatrészek

Az alábbiakban bemutatott összes részt tartalmazó táblázat. Előtte felvettünk egy képet, amely bemutatja az ebben az áramkörben használt összes komponenst. Mivel ez az áramkör egyszerű, az összes szükséges alkatrészt megtalálja a helyi hobbiboltban.

Alkatrész lista:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Csavaros kapocs 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V kondenzátor - 1
5. 1000uF, 63V kondenzátor - 1
6. 50K, 1% ellenállás - 1
7. 560R ellenállás - 1
8. 10K, 1% ellenállás - 4
9. 3.3K, 1% ellenállás - 1
10. 330R ellenállás - 1
11. 0,1 uF kondenzátor - 1
12. MBR20100CT Schottky dióda - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm induktivitás - 1
14. Potenciométer (10K) trimmelő edény - 1
15. 0,22 R áramérzékelő ellenállás - 2
16. Burkolt tábla Generic 50x 50mm - 1
17. PSU általános hűtőbordák - 1
18. Jumper huzalok általános - 15

TL494 alapú Boost Converter - sematikus ábra

Az alábbiakban a nagy hatékonyságú Boost Converter kapcsolási rajza látható.

TL494 Boost Converter áramkör - működik

Ez a TL494 Boost Converter áramkör olyan alkatrészekből áll, amelyek könnyen beszerezhetők, és ebben a szakaszban át fogjuk nézni az áramkör minden nagyobb blokkját, és megmagyarázzuk az összes blokkot.

Bemeneti kondenzátor:

A bemeneti kondenzátor arra szolgál, hogy kielégítse a nagy áramigényt, amely akkor szükséges, amikor a MOSFET kapcsoló bezárul és az induktor elkezd tölteni.

A visszajelzés és a vezérlő hurok:

Az R2 és R8 ellenállások beállítják a visszacsatoló hurok vezérlőfeszültségét, a beállított feszültséget a TL494 IC 2. érintkezőjéhez, a visszacsatolási feszültséget pedig a VOLTAGE_FEEDBACK feliratú IC egyik csatlakozójához kötik . Az R10 és R15 ellenállások beállítják az áramkorlátot.

Az R7 és R1 ellenállások alkotják a vezérlőhurkot, ennek a visszacsatolásnak a segítségével a kimeneti PWM jel lineárisan változik, ezek a visszacsatoló ellenállások nélkül az összehasonlító egy általános összehasonlító áramkörként fog működni, amely csak meghatározott feszültségen kapcsolja be / ki az áramkört..

Frekvenciaválasztás kapcsolása:

Ha a megfelelő értékeket az 5. és 6. érintkezőre állítjuk, beállíthatjuk ennek az IC-nek a kapcsolási frekvenciáját. Ehhez a projekthez 1nF kondenzátorértéket és 10K ellenállási értéket használtunk, amely hozzávetőlegesen 100KHz frekvenciát ad számunkra. a Fosc = 1 / (RT * CT) képletet , kiszámíthatjuk az oszcillátor frekvenciáját. Ettől eltekintve a cikk korábban részletesen kitértünk más szakaszokra.

NYÁK-tervezés a TL494 alapú Boost Converter áramkörhöz

A fázisszögvezérlő áramkörünk nyomtatott áramköre egyoldalas táblában van kialakítva. Az Eagle-t használtam a NYÁK tervezéséhez, de bármilyen tetszőleges Design szoftvert használhat. Az alaplapom 2D képe az alábbiakban látható.

Amint az a tábla alsó oldalán látható, vastag alapsíkot használtam annak biztosítására, hogy elegendő áram folyhasson rajta keresztül. Az áramellátás a kártya bal oldalán, a kimenet pedig a kártya jobb oldalán található. A teljes tervezési fájl és a TL494 Boost átalakító sematikája letölthető az alábbi linkről.

• Töltse le a PCB Design GERBER fájlt a TL494 alapú Boost Converter áramkörhöz

Kézzel készített NYÁK:

A kényelem kedvéért elkészítettem a PCB kézzel készített változatát, amely az alábbiakban látható. Néhány hibát elkövettem ennek a NYÁK-nak a gyártása során, ezért időnként néhány áthidaló vezetéket kellett rögzítenem.

A táblám így néz ki, miután az összeállítás befejeződött.

TL494 Boost Converter tervezés kiszámítása és felépítése

Ennek a nagy áramerősségű átalakítónak a bemutatásához az áramkört kézzel készített NYÁK-ba építik fel, a sematikus és a NYÁK-tervfájlok segítségével; kérjük, vegye figyelembe, hogy ha nagy terhelést csatlakoztat ennek az átalakító áramkörnek a kimenetéhez, akkor hatalmas áram áramlik át a NYÁK nyomvonalain, és van esély arra, hogy a nyomok kiégjenek. Tehát, hogy megakadályozzuk a NYÁK nyomainak kiégését, a nyomvastagságot a lehető legnagyobb mértékben megnöveltük. Ezenkívül vastag forrasztóréteggel erősítettük meg a NYÁK nyomokat a nyomellenállás csökkentése érdekében.

Az induktor és a kondenzátor értékeinek megfelelő kiszámításához egy texasi eszközökből származó dokumentumot használtam.

Ezt követően készítettem egy google táblázatot, hogy megkönnyítsem a számítást.

Ennek a nagyfeszültségű átalakító áramkörnek a tesztelése

Az áramkör teszteléséhez a következő beállítást kell használni. Mint látható, a PC ATX tápegységet használtuk bemenetként, így a bemenet 12V. Az áramkör kimenetéhez voltmérőt és ampermérőt csatlakoztattunk, amely a kimeneti feszültséget és a kimeneti áramot mutatja. Amiből könnyen kiszámíthatjuk ennek az áramkörnek a kimenő teljesítményét. Végül nyolc, 4,7R 10W-os ellenállást használtunk sorban terhelésként az áramfogyasztás tesztelésére.

Az áramkör teszteléséhez használt eszközök:

1. 12 V-os PC ATX tápegység
2. Transzformátor, amelynek 6-0-6 és 12-0-12 csapja van
3. Nyolc, 10 W-os 4.7R ellenállás sorozatban - terhelésként működik
4. Meco 108B + TRMS multiméter
5. Meco 450B + TRMS multiméter
6. Egy csavarhúzó

A nagy teljesítményű átalakító áramkör kimeneti energiafogyasztása:

Amint a fenti képen látható, a kimeneti feszültség 44,53 V, a kimeneti áram pedig 2,839 A, tehát a teljes kimeneti teljesítmény 126,42 W lesz , így, mint látható, ez az áramkör könnyedén képes kezelni a 100 W- nál nagyobb teljesítményt is.

További fejlesztések

Ez a TL494 Boost Converter áramkör csak demonstrációs célokat szolgál, ezért az áramkör bemeneti vagy kimeneti szakaszába nincs hozzáadva védelmi áramkör. Tehát, hogy fokozzuk a védelmi funkciót, hozzáadhatjuk, mivel én is az IRFP250 MOSFET-et használom, a kimeneti teljesítmény tovább növelhető, áramkörünk korlátozó tényezője az induktor. Az induktor nagyobb magja növeli annak kimeneti kapacitását.

Remélem tetszett ez a cikk, és valami újat tanultál belőle. Ha kétségei vannak, kérje az alábbi megjegyzéseket, vagy használhatja fórumunkat a részletes megbeszéléshez.