Zaprojektowanie konwertera boost o dużej mocy i wysokiej wydajności przy użyciu tl494

Podczas pracy z elektroniką często znajdujemy się w sytuacjach, w których konieczne staje się podwyższenie napięcia wyjściowego przy niskim napięciu wejściowym, jest to sytuacja, w której możemy polegać na obwodzie, który jest powszechnie znany jako przetwornica podwyższająca (konwerter podwyższający). Przetwornica podwyższająca napięcie to konwerter przełączający typu DC-DC, który podwyższa napięcie przy zachowaniu stałego bilansu mocy. Główną cechą konwertera doładowania jest wydajność, co oznacza, że ​​możemy oczekiwać długiej żywotności baterii i zmniejszonych problemów z ciepłem. Wcześniej stworzyliśmy prosty obwód konwertera boost i wyjaśniliśmy jego podstawową wydajność projektową.

Więc w tym artykule, mamy zamiar zaprojektować TL494 konwerter Boost, oraz obliczyć i przetestować wysokiej wydajności układu przetwornicy podwyższającej oparty na popularnym TL494 IC, który ma napięcie minimum podaży 7V, a maksymalnie 40V, a jak używamy tranzystora IRFP250 MOSFET jako przełącznika, obwód ten może teoretycznie wytrzymać maksymalny prąd 19 A (ograniczone przez pojemność cewki indukcyjnej). Na koniec zostanie wyświetlony szczegółowy film pokazujący działającą i testującą część obwodu, więc bez dalszych ceregieli zacznijmy.

Zrozumienie zasady działania konwertera boost

Powyższy rysunek przedstawia podstawowy schemat obwodu przetwornika podwyższającego napięcie. Aby przeanalizować zasadę działania tego obwodu, podzielimy go na dwie części, pierwszy warunek wyjaśnia, co się dzieje, gdy MOSFET jest włączony, drugi warunek wyjaśnia, co się dzieje, gdy MOSFET jest wyłączony.

Co się dzieje, gdy MOSFET jest WŁĄCZONY:

Powyższy obraz przedstawia stan obwodu, gdy MOSFET jest włączony. Jak widać, stan ON pokazaliśmy za pomocą przerywanej linii, gdy MOSFET pozostaje włączony, cewka zaczyna się ładować, prąd płynący przez cewkę stale rośnie, co jest gromadzone w postaci pola magnetycznego.

Co się dzieje, gdy MOSFET jest wyłączony:

Teraz, jak być może wiesz, prąd płynący przez cewkę indukcyjną nie może się natychmiast zmienić! Dzieje się tak, ponieważ jest przechowywany w postaci pola magnetycznego. Dlatego z chwilą wyłączenia MOSFET-u pole magnetyczne zaczyna się zapadać, a prąd płynie w kierunku przeciwnym do prądu ładowania. Jak widać na powyższym schemacie, rozpoczyna się ładowanie kondensatora.

Teraz, poprzez ciągłe włączanie i wyłączanie przełącznika (MOSFET), stworzyliśmy napięcie wyjściowe, które jest większe niż napięcie wejściowe. Teraz możemy kontrolować napięcie wyjściowe, kontrolując czas włączenia i wyłączenia przełącznika, i to właśnie robimy w obwodzie głównym.

Poznaj działanie TL494

Teraz, zanim przejdziemy i zbudujemy obwód oparty na kontrolerze PWM TL494, nauczmy się, jak działa kontroler PWM TL494. Układ scalony TL494 ma 8 bloków funkcjonalnych, które są pokazane i opisane poniżej.

Regulator referencyjny 5 V:

Wyjście regulatora wewnętrznego napięcia odniesienia 5 V to pin REF, który jest pinem 14 układu scalonego. Regulator odniesienia zapewnia stabilne zasilanie obwodów wewnętrznych, takich jak przerzutnik sterujący impulsem, oscylator, komparator sterowania czasem martwym i komparator PWM. Regulator służy również do sterowania wzmacniaczami błędu, które są odpowiedzialne za sterowanie wyjściem.

Uwaga: Zadawanie jest programowane wewnętrznie z początkową dokładnością ± 5% i zachowuje stabilność w zakresie napięcia wejściowego od 7 V do 40 V. Dla napięć wejściowych mniejszych niż 7 V, regulator nasyca się w granicach 1 V od wejścia i śledzi je.

Oscylator:

Oscylator generuje i dostarcza falę piłokształtną do kontrolera czasu martwego i komparatorów PWM dla różnych sygnałów sterujących.

Częstotliwość oscylatora można ustawić, wybierając składowe taktowania R T i CT.

Częstotliwość oscylatora można obliczyć za pomocą poniższego wzoru:

Fosc = 1 / (RT * CT)

Dla uproszczenia stworzyłem arkusz kalkulacyjny, za pomocą którego można bardzo łatwo obliczyć częstotliwość. Które można znaleźć w linku poniżej.

Uwaga: Częstotliwość oscylatora jest równa częstotliwości wyjściowej tylko dla zastosowań single-ended. W zastosowaniach przeciwsobnych częstotliwość wyjściowa jest równa połowie częstotliwości oscylatora.

Komparator regulacji czasu martwego:

Czas martwy lub po prostu sterowanie poza czasem zapewnia minimalny czas martwy lub czas wolny. Wyjście komparatora czasu martwego blokuje przełączające tranzystory, gdy napięcie na wejściu jest większe niż napięcie rampy oscylatora. Przyłożenie napięcia do pinu DTC może nałożyć dodatkowy czas martwy, zapewniając w ten sposób dodatkowy czas martwy od minimum 3% do 100%, gdy napięcie wejściowe zmienia się od 0 do 3 V. Mówiąc prościej, możemy zmienić cykl pracy fali wyjściowej bez dostrajania wzmacniaczy błędu.

Uwaga: Wewnętrzne przesunięcie 110 mV zapewnia minimalny czas martwy na poziomie 3% przy uziemionym wejściu sterującym czasu martwego.

Wzmacniacze błędów:

Oba wzmacniacze błędu o wysokim wzmocnieniu otrzymują odchylenie z szyny zasilającej VI. Pozwala to na zakres napięcia wejściowego w trybie wspólnym od –0,3 V do 2 V mniej niż VI. Oba wzmacniacze zachowują się w sposób charakterystyczny dla wzmacniaczy single-ended z pojedynczym zasilaniem, ponieważ każde wyjście jest aktywne tylko w stanie wysokim.

Wejście sterujące wyjściem:

Wejście sterujące wyjściem określa, czy tranzystory wyjściowe działają równolegle, czy w trybie przeciwsobnym. Podłączenie styku sterującego wyjścia, który jest pinem 13 do masy, ustawia tranzystory wyjściowe w tryb pracy równoległej. Ale podłączenie tego pinu do pinu 5V-REF powoduje ustawienie tranzystorów wyjściowych w tryb przeciwsobny.

Tranzystory wyjściowe:

Układ scalony ma dwa wewnętrzne tranzystory wyjściowe, które są w konfiguracji z otwartym kolektorem i otwartym emiterem, dzięki czemu może dostarczać lub odprowadzać maksymalny prąd do 200 mA.

Uwaga: Tranzystory mają napięcie nasycenia mniejsze niż 1,3 V w konfiguracji ze wspólnym emiterem i mniejsze niż 2,5 V w konfiguracji nadajnik-wtórnik.

Komponenty wymagane do zbudowania obwodu konwertera Boost opartego na TL494

Tabela zawierająca wszystkie części pokazane poniżej. Wcześniej dodaliśmy obraz, który pokazuje wszystkie komponenty użyte w tym obwodzie. Ponieważ ten obwód jest prosty, wszystkie niezbędne części można znaleźć w lokalnym sklepie hobbystycznym.

Lista części:

1. Układ scalony TL494 - 1
2. MOSFET IRFP250 - 1
3. Zacisk śrubowy 5X2 mm - 2
4. Kondensator 1000uF, 35V - 1
5. Kondensator 1000uF, 63V - 1
6. 50 K, 1% rezystor - 1
7. Rezystor 560R - 1
8. 10 K, 1% rezystor - 4
9. 3,3 K, 1% rezystor - 1
10. Rezystor 330R - 1
11. Kondensator 0,1 uF - 1
12. Dioda Schottky'ego MBR20100CT - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm Cewka - 1
14. Potencjometr (10 K) Potencjometr - 1
15. 0,22R rezystor wykrywania prądu - 2
16. Płyta platerowana Generic 50 x 50 mm - 1
17. Ogólny radiator zasilacza - 1
18. Przewody połączeniowe ogólne - 15

Konwerter Boost oparty na TL494 - Schematyczny diagram

Schemat obwodu dla wysokowydajnego konwertera doładowania przedstawiono poniżej.

Obwód konwertera doładowania TL494 - działa

Ten obwód konwertera doładowania TL494 składa się z komponentów, które są bardzo łatwo dostępne, aw tej sekcji przejdziemy przez każdy główny blok obwodu i wyjaśnimy każdy blok.

Kondensator wejściowy:

Kondensator wejściowy służy do obsługi dużego zapotrzebowania na prąd, który jest wymagany, gdy przełącznik MOSFET zostaje zamknięty, a cewka zaczyna się ładować.

Sprzężenie zwrotne i pętla sterowania:

Rezystory R2 i R8 ustawiają napięcie sterujące dla pętli sprzężenia zwrotnego, ustawione napięcie jest podłączone do styku 2 układu TL494, a napięcie sprzężenia zwrotnego jest podłączone do pierwszego styku układu scalonego oznaczonego jako VOLTAGE_FEEDBACK . Rezystory R10 i R15 ustawiają ograniczenie prądu w obwodzie.

Rezystory R7 i R1 tworzą pętlę sterującą, za pomocą tego sprzężenia zwrotnego wyjściowy sygnał PWM zmienia się liniowo, bez tych rezystorów sprzężenia zwrotnego komparator będzie działał jak ogólny obwód komparatora, który włącza / wyłącza obwód tylko przy ustawionym napięciu.

Wybór częstotliwości przełączania:

Ustawiając odpowiednie wartości na pinach 5 i 6 możemy ustawić częstotliwość przełączania tego układu scalonego, dla tego projektu użyliśmy wartości kondensatora 1nF i rezystora 10K, co daje nam w przybliżeniu częstotliwość 100KHz, używając ze wzoru Fosc = 1 / (RT * CT) , możemy obliczyć częstotliwość oscylatora. Poza tym szczegółowo omówiliśmy inne sekcje we wcześniejszej części artykułu.

Projekt PCB dla obwodu konwertera Boost opartego na TL494

Płytka drukowana naszego obwodu kontroli kąta fazowego została zaprojektowana jako płytka jednostronna. Użyłem programu Eagle do zaprojektowania mojej płytki PCB, ale możesz użyć dowolnego wybranego oprogramowania do projektowania. Obraz 2D mojego projektu płyty jest pokazany poniżej.

Jak widać na spodniej stronie płytki, użyłem grubej płaszczyzny uziemienia, aby zapewnić przepływ wystarczającego prądu. Wejście zasilania znajduje się po lewej stronie płytki, a wyjście po prawej stronie płytki. Pełny plik projektu wraz ze schematami konwertera TL494 Boost można pobrać z poniższego łącza.

• Pobierz plik GERBER projektu PCB dla obwodu konwertera Boost opartego na TL494

Ręcznie robiona płytka drukowana:

Dla wygody wykonałem ręcznie wykonaną wersję PCB i pokazano ją poniżej. Popełniłem kilka błędów podczas tworzenia tej płytki, więc musiałem postarzać niektóre przewody połączeniowe, aby to naprawić.

Moja tablica wygląda tak po zakończeniu kompilacji.

Obliczenia i konstrukcja konwertera doładowania TL494

W celu demonstracji tego wysokoprądowego przetwornika podwyższającego napięcie obwód jest wykonany w ręcznie wykonanej płytce drukowanej za pomocą plików schematów i projektów PCB; zwróć uwagę, że jeśli podłączasz duże obciążenie do wyjścia tego obwodu konwertera boost, przez ścieżki PCB przepłynie ogromna ilość prądu i istnieje szansa, że ​​ślady wypalą się. Tak więc, aby zapobiec wypalaniu się śladów PCB, zwiększyliśmy grubość śladu tak bardzo, jak to możliwe. Wzmocniliśmy również ścieżki PCB grubą warstwą lutowia, aby obniżyć rezystancję śladu.

Aby poprawnie obliczyć wartości cewki indukcyjnej i kondensatora, użyłem dokumentu z Texas Instruments.

Następnie utworzyłem arkusz kalkulacyjny Google, aby ułatwić obliczenia.

Testowanie tego obwodu przetwornika podwyższającego napięcie wysokiego napięcia

Aby przetestować obwód, używana jest następująca konfiguracja. Jak widać, użyliśmy zasilacza PC ATX jako wejścia, więc wejście ma napięcie 12 V. Do wyjścia układu dołączyliśmy woltomierz i amperomierz, który pokazuje napięcie wyjściowe i prąd wyjściowy. Z którego możemy łatwo obliczyć moc wyjściową dla tego obwodu. Wreszcie, użyliśmy ośmiu rezystorów mocy 4,7R 10W połączonych szeregowo jako obciążenie, aby przetestować pobór prądu.

Narzędzia używane do testowania obwodu:

1. Zasilacz 12V PC ATX
2. Transformator z zaczepem 6-0-6 i zaczepem 12-0-12
3. Osiem rezystorów 10W 4.7R połączonych szeregowo - działające jako obciążenie
4. Multimetr Meco 108B + TRMS
5. Multimetr Meco 450B + TRMS
6. Śrubokręt

Pobór mocy wyjściowej przez obwód przetwornika podwyższającego moc o dużej mocy:

Jak widać na powyższym zdjęciu, napięcie wyjściowe jest 44.53V i prąd wyjściowy jest 2.839A, więc całkowita moc wyjściowa staje 126.42W, więc jak widać, ten układ można łatwo obsługiwać moc ponad 100Watts.

Dalsze ulepszenia

Ten obwód konwertera doładowania TL494 służy wyłącznie do celów demonstracyjnych, dlatego nie ma obwodu zabezpieczającego dodanego w sekcji wejściowej lub wyjściowej obwodu. Tak więc, aby wzmocnić funkcję ochrony, możesz również dodać, również ponieważ używam MOSFET IRFP250, moc wyjściową można dodatkowo zwiększyć, czynnikiem ograniczającym w naszym obwodzie jest cewka indukcyjna. Większy rdzeń cewki indukcyjnej zwiększy jego pojemność wyjściową.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten artykuł i nauczyłeś się z niego czegoś nowego. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz zapytać w komentarzach poniżej lub skorzystać z naszych forów w celu szczegółowej dyskusji.