Obwód konwertera buck o wysokiej mocy i wysokiej wydajności wykorzystujący tl494

Przetwornica Buck (step-down konwerter) jest DC-to-DC przełączania że kroki w dół napięcia przy jednoczesnym zachowaniu równowagi stałej mocy. Główną cechą konwertera buck jest wydajność, co oznacza, że ​​mając na pokładzie konwerter buck, możemy spodziewać się wydłużonej żywotności baterii, zmniejszonego ciepła, mniejszych rozmiarów i lepszej wydajności. Wcześniej stworzyliśmy kilka prostych obwodów konwertera Buck i wyjaśniliśmy jego podstawy i wydajność projektu.

W tym artykule zamierzamy zaprojektować, obliczyć i przetestować wysokowydajny obwód konwertera buck w oparciu o popularny układ scalony TL494, a na koniec zostanie wyświetlony szczegółowy film pokazujący działającą i testującą część obwodu, więc bez dalej, zaczynajmy.

Jak działa Buck Converter?

Powyższy rysunek przedstawia bardzo podstawowy obwód konwertera buck. Aby wiedzieć, jak działa konwerter złotówki, podzielę obwód na dwa warunki. Pierwszy stan, gdy tranzystor jest włączony, następny stan, gdy tranzystor jest wyłączony.

Tranzystor włączony

W tym scenariuszu widzimy, że dioda jest w stanie obwodu otwartego, ponieważ jest w stanie spolaryzowanym wstecz. W tej sytuacji przez obciążenie zacznie płynąć pewien prąd początkowy, ale prąd jest ograniczany przez cewkę indukcyjną, w związku z czym cewka również zaczyna się stopniowo ładować. Dlatego w czasie trwania obwodu kondensator zwiększa cykl ładowania po cyklu, a napięcie to odbija się na obciążeniu.

Stan wyłączenia tranzystora

Kiedy tranzystor jest w stanie wyłączonym, energia zmagazynowana w cewce indukcyjnej L1 zapada się i przepływa z powrotem przez diodę D1, jak pokazano w obwodzie ze strzałkami. W tej sytuacji napięcie na cewce ma odwrotną polaryzację, więc dioda jest w stanie przewodzenia. Teraz, z powodu zapadania się pola magnetycznego cewki indukcyjnej, prąd nadal przepływa przez obciążenie, dopóki cewka nie zostanie rozładowana. Wszystko to dzieje się, gdy tranzystor jest wyłączony.

Po pewnym okresie, gdy cewka jest prawie wyczerpana ze zgromadzonej energii, napięcie obciążenia zaczyna ponownie spadać, w tej sytuacji kondensator C1 staje się głównym źródłem prądu, kondensator jest po to, aby utrzymać przepływ prądu do rozpoczęcia następnego cyklu jeszcze raz.

Teraz zmieniając częstotliwość przełączania i czas przełączania, możemy uzyskać dowolne wyjście od 0 do Vin z konwertera buck.

IC TL494

Teraz, zanim zaczniemy budować konwerter buck TL494, dowiedzmy się, jak działa kontroler PWM TL494.

Układ scalony TL494 ma 8 bloków funkcjonalnych, które są pokazane i opisane poniżej.

1. Regulator odniesienia 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 zakresie 1 V od wejścia i śledzi go.

2. 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 poniższym wzorem

Fosc = 1 / (RT * CT)

Dla uproszczenia stworzyłem arkusz kalkulacyjny, za pomocą którego można bardzo łatwo obliczyć częstotliwość.

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

3. 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 wynoszący 3% przy uziemionym wejściu sterującym czasu martwego.

4. 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.

5. Wejście sterujące wyjściem

Wejście sterujące wyjściem określa, czy tranzystory wyjściowe działają równolegle, czy w trybie przeciwsobnym. Podłączenie styku sterującego wyjścia, który jest stykiem 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.

6. 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.

Cechy układu TL494 IC

• Kompletny obwód sterowania zasilaniem PWM
• Niezatwierdzone wyjścia dla prądu zlewu lub źródła 200 mA
• Sterowanie wyjściem wybiera działanie z pojedynczym zakończeniem lub przeciwsobne
• Obwód wewnętrzny zabrania podwójnego impulsu na którymkolwiek wyjściu
• Zmienny czas martwy zapewnia kontrolę nad całkowitym zakresem
• Wewnętrzny regulator zapewnia stabilne napięcie 5 V.
• Zasilanie referencyjne z 5% tolerancją
• Architektura obwodów umożliwia łatwą synchronizację

Uwaga! Większość wewnętrznego schematu i opisu operacji pochodzi z arkusza danych i jest do pewnego stopnia modyfikowana w celu lepszego zrozumienia.

Wymagane składniki

1. Układ scalony TL494 - 1
2. Tranzystor TIP2955 - 1
3. Zacisk śrubowy 5mmx2 - 2
4. Kondensator 1000 uF, 60 V - 1
5. Kondensator 470uF, 60V - 1
6. 50 K, 1% rezystor - 1
7. Rezystor 560R - 1
8. 10 K, 1% rezystor - 4
9. 3,3 K, 1% rezystor - 2
10. Rezystor 330R - 1
11. Kondensator 0,22 uF - 1
12. Rezystor 5,6 K, 1 W - 1
13. Dioda Zenera 12,1 V - 1
14. Dioda Schottky'ego MBR20100CT - 1
15. 70uH (27 x 11 x 14) mm Cewka - 1
16. Potencjometr (10K) Trim-Pot - 1
17. 0,22R rezystor wykrywania prądu - 2
18. Płyta platerowana Generic 50 x 50 mm - 1
19. Ogólny radiator zasilacza - 1
20. Przewody połączeniowe ogólne - 15

Schemat

Schemat obwodu konwertera Buck o wysokiej sprawności przedstawiono poniżej.

Budowa obwodu

Na potrzeby demonstracji tego wysokoprądowego przetwornika buck, obwód jest wykonany w ręcznie wykonanej płytce drukowanej, przy pomocy plików schematów i projektów PCB; zwróć uwagę, że jeśli podłączasz duże obciążenie do wyjściowego przetwornika buck, wówczas przez ścieżki PCB przepłynie ogromna ilość prądu i istnieje szansa, że ​​ślady wypalą się. Tak więc, aby zapobiec wypalaniu się śladów PCB, dołączyłem kilka zworek, które pomagają zwiększyć przepływ prądu. Wzmocniłem również ścieżki PCB grubą warstwą lutowia, aby obniżyć rezystancję śladu.

Cewka zbudowana jest z 3 pasm równoległego emaliowanego drutu miedzianego o przekroju 0,45 mm2.

Obliczenia

Aby poprawnie obliczyć wartości cewki indukcyjnej i kondensatora, wykorzystałem dokument z Texas Instruments.

Następnie utworzyłem arkusz kalkulacyjny Google, aby ułatwić obliczenia

Testowanie tego konwertera obniżającego napięcie wysokiego napięcia

Aby przetestować obwód, stosuje się następującą konfigurację. Jak pokazano na powyższym obrazku, napięcie wejściowe wynosi 41,17 V, a prąd bez obciążenia 0,015 A, co sprawia, że ​​pobór mocy w stanie bez obciążenia jest mniejszy niż 0,6 W.

Zanim ktokolwiek z was podskoczy i powie, co robi miska rezystora w moim stole testowym.

Pozwól, że powiem ci, że rezystory bardzo się nagrzewają w czasie testowania obwodu przy pełnym obciążeniu, dlatego przygotowałem miskę wody, aby zapobiec spaleniu się stołu roboczego

Narzędzia używane do testowania obwodu

1. Akumulator kwasowo-ołowiowy 12V.
2. Transformator z zaczepem 6-0-6 i zaczepem 12-0-12
3. 5 10W 10r Rezystancja równolegle jako obciążenie
4. Multimetr Meco 108B + TRMS
5. Multimetr Meco 450B + TRMS
6. Oscyloskop Hantek 6022BE

Moc wejściowa dla przetwornika Buck o dużej mocy

Jak widać na powyższym obrazku, napięcie wejściowe spada do 27,45 V w stanie obciążenia, a prąd wejściowy wynosi 3,022 A, co odpowiada mocy wejściowej 82,9539 W.

Moc wyjściowa

Jak widać na powyższym obrazku, napięcie wyjściowe wynosi 12,78 V, a pobór prądu wyjściowego 5,614 A, co odpowiada poborowi mocy 71,6958 W.

Zatem sprawność obwodu wynosi (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Strata w obwodzie jest spowodowana rezystorami do zasilania układu TL494 i

Bezwzględny maksymalny pobór prądu w moim stole testowym

Z powyższego zdjęcia widać, że maksymalny pobór prądu z obwodu to 6,96 A to prawie

W tej sytuacji głównym wąskim gardłem systemu jest mój transformator, dlatego nie mogę zwiększyć prądu obciążenia, ale przy takiej konstrukcji i dobrym radiatorze można bez problemu pobrać z tego obwodu więcej niż 10A prądu.

Uwaga! Ktokolwiek z was zastanawia się, dlaczego podłączyłem do obwodu masywny radiator, powiem wam w tej chwili, że nie mam w swoim składzie żadnego mniejszego radiatora.

Dalsze ulepszenia

Ten obwód konwertera buck TL494 służy wyłącznie do celów demonstracyjnych, dlatego w sekcji wyjściowej obwodu nie ma obwodu ochronnego

1. Należy dodać obwód ochronny wyjścia, aby chronić obwód obciążenia.
2. Cewkę należy zanurzyć w lakierze, w przeciwnym razie będzie generować słyszalny hałas.
3. Dobra jakość PCB z odpowiednim projektem jest obowiązkowa
4. Tranzystor przełączający można zmodyfikować, aby zwiększyć prąd obciążenia

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.