Design af en boost-konverter med høj effekt og høj effektivitet ved hjælp af TL494

Mens vi arbejder med elektronik, befinder vi os ofte i situationer, hvor det bliver nødvendigt at øge udgangsspændingen, mens indgangsspændingen forbliver lav, dette er en type situation, hvor vi kan stole på et kredsløb, der almindeligvis er kendt som boost-konverteren (step-up-konverter). En boost-konverter er en DC-DC-type omskifter, der styrker spændingen, samtidig med at den opretholder en konstant effektbalance. Hovedfunktionen ved en boost-konverter er effektivitet, hvilket betyder, at vi kan forvente lang batterilevetid og reducerede varmeproblemer. Vi lavede tidligere et simpelt boost-konverterkredsløb og forklarede dets grundlæggende designeffektivitet.

Så i denne artikel skal vi designe en TL494 Boost-konverter og beregne og teste et højeffektivt boost-konverterkredsløb baseret på den populære TL494 IC, som har en mindsteforsyningsspænding på 7V og et maksimum på 40V, og som Vi bruger IRFP250 MOSFET som switch, dette kredsløb kan teoretisk håndtere en maksimal strøm på 19 ampere (begrænset af induktorkapacitet). Endelig vil der være en detaljeret video, der viser arbejds- og testdelen af ​​kredsløbet, så lad os komme i gang uden videre.

Forståelse af Boost Converter-funktionsprincippet

Ovenstående figur viser det grundlæggende skema for boostomformerkredsløbet. For at analysere funktionsprincippet for dette kredsløb skal vi opdele det i to dele, den første betingelse forklarer, hvad der sker, når MOSFET er TIL, den anden betingelse forklarer, hvad der sker, når MOSFET er slukket.

Hvad sker der, når MOSFET er TIL:

Ovenstående billede viser kredsløbets tilstand, når MOSFET er tændt. Som du kan genkende, har vi vist ON-tilstanden ved hjælp af en stiplet linje, da MOSFET forbliver tændt, induktoren begynder at oplade, strømmen gennem induktoren fortsætter med at stige, hvilket lagres i form af et magnetfelt.

Hvad sker der, når MOSFET er slået fra:

Nu, som du måske ved, kan strømmen gennem en induktor ikke ændre sig øjeblikkeligt! Det skyldes, at det er lagret i form af et magnetfelt. Derfor slukkes MOSFET i det øjeblik, magnetfeltet begynder at kollapse, og strømmen strømmer i modsat retning af ladestrømmen. Som du kan se i ovenstående diagram begynder dette at oplade kondensatoren.

Nu ved kontinuerligt at tænde og slukke for kontakten (MOSFET) har vi oprettet en udgangsspænding, der er større end indgangsspændingen. Nu kan vi styre udgangsspændingen ved at styre tænd- og slukketid for kontakten, og det er hvad vi laver i hovedkredsen.

Forstå, hvordan TL494 fungerer

Lad os nu lære, hvordan PWM-controlleren TL494 fungerer, før vi går og bygger kredsløbet baseret på TL494 PWM-controlleren. TL494 IC har 8 funktionelle blokke, som er vist og beskrevet nedenfor.

5-V reference regulator:

5V intern reference regulator output er REF pin, som er pin-14 på IC. Referenceregulatoren er der for at give en stabil forsyning til interne kredsløb som pulsstyring flip-flop, oscillator, dead-time control comparator og PWM comparator. Regulatoren bruges også til at drive fejlforstærkere, der er ansvarlige for at kontrollere output.

Bemærk: Henvisningen er internt programmeret til en indledende nøjagtighed på ± 5% og opretholder stabilitet over et indgangsspændingsområde på 7V til 40 V. Ved indgangsspændinger mindre end 7 V mætter regulatoren inden for 1 V af indgangen og sporer den.

Oscillator:

Oscillatoren genererer og tilvejebringer en savtandbølge til dødtidsstyringen og PWM-komparatorerne til forskellige styresignaler.

Frekvensen af oscillatoren kan indstilles ved at vælge timing komponenter R T og C T.

Frekvensen af ​​oscillatoren kan beregnes ved hjælp af nedenstående formel-

Fosc = 1 / (RT * CT)

For enkelheds skyld har jeg lavet et regneark, som du nemt kan beregne frekvensen med. Hvilket du kan finde i nedenstående link.

Bemærk: Oscillatorfrekvensen er kun lig med udgangsfrekvensen for applikationer med en ende. Til push-pull-applikationer er udgangsfrekvensen halvdelen af ​​oscillatorfrekvensen.

Dead-time kontrolkomparator:

Den døde tid eller blot at sige off-time kontrol giver den mindste dead time eller off-time. Outputtet fra dead time-komparatoren blokerer for omskiftningstransistorer, når spændingen ved indgangen er større end oscillatorens rampespænding. Anvendelse af en spænding på DTC- stiften kan pålægge yderligere dødtid, hvilket giver yderligere dødtid fra minimum 3% til 100%, da indgangsspændingen varierer fra 0 til 3V. Enkelt sagt kan vi ændre Duty-cyklus for outputbølgen uden at finjustere fejlforstærkerne.

Bemærk: En intern forskydning på 110 mV sikrer en minimum dødtid på 3% med dødtidskontrolindgangen jordforbundet.

Fejlforstærkere:

Begge højforstærkningsfejlforstærkere modtager deres bias fra VI-forsyningsskinnen. Dette tillader et almindeligt indgangsspændingsområde fra –0,3 V til 2 V mindre end VI. Begge forstærkere opfører sig karakteristisk for en enkelt-endet forsyningsforstærker, idet hver udgang kun er aktiv høj.

Udgangskontrolindgang:

Udgangsstyringsindgangen bestemmer, om udgangstransistorer fungerer i parallel eller push-pull-tilstand. Ved at forbinde udgangskontrolstiften, som er pin-13, til jorden, indstiller outputtransistorer i parallel driftstilstand. Men ved at forbinde denne stift til 5V-REF-stiften indstiller outputtransistorer i push-pull-tilstand.

Udgangstransistorer:

IC har to interne udgangstransistorer, der er i open-collector og open-emitter konfigurationer, hvormed den kan kilde eller synke en maksimal strøm op til 200 mA.

Bemærk: Transistorer har en mætningsspænding på mindre end 1,3 V i common-emitter-konfigurationen og mindre end 2,5 V i emitter-follower-konfigurationen.

Komponenter, der kræves for at opbygge det TL494-baserede Boost Converter-kredsløb

En tabel med alle delene vist nedenfor. Før det har vi tilføjet et billede, der viser alle de komponenter, der bruges i dette kredsløb. Da dette kredsløb er simpelt, kan du finde alle de nødvendige dele i din lokale hobbybutik.

Liste over dele:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Skrueterminal 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V kondensator - 1
5. 1000uF, 63V kondensator - 1
6. 50K, 1% modstand - 1
7. 560R modstand - 1
8. 10K, 1% modstand - 4
9. 3.3K, 1% modstand - 1
10. 330R modstand - 1
11. 0,1 uF kondensator - 1
12. MBR20100CT Schottky-diode - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm induktor - 1
14. Potentiometer (10K) Trimpot - 1
15. 0.22R Strømfølsom modstand - 2
16. Pladetavle Generisk 50x 50mm - 1
17. PSU kølelegeme generisk - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

TL494-baseret boostkonverter - skematisk diagram

Kredsløbsdiagrammet til High-Efficiency Boost Converter er angivet nedenfor.

TL494 Boost Converter Circuit - Arbejder

Dette TL494 Boost Converter-kredsløb består af komponenter, der er meget let tilgængelige, og i dette afsnit gennemgår vi alle større blokke i kredsløbet og forklarer hver blok.

Indgangskondensator:

Indgangskondensatoren er der for at tjene det høje strømbehov, der kræves, når MOSFET-kontakten lukkes, og induktoren begynder at oplades.

Feedback og kontrolsløjfen:

Modstande R2 og R8 indstiller kontrolspændingen til feedback-sløjfen, den indstillede spænding er forbundet til pin 2 på TL494 IC, og feedback-spændingen er forbundet til pin en af ​​IC'en mærket som VOLTAGE_FEEDBACK . Modstandene R10 og R15 indstiller strømgrænsen i kredsløbet.

Modstande R7 og R1 danner kontrolsløjfen ved hjælp af denne feedback ændres output-PWM-signalet lineært uden disse feedbackmodstande fungerer komparatoren som et generisk komparatorkredsløb, som kun tænder / slukker kredsløbet ved en indstillet spænding.

Skift frekvensvalg:

Ved at indstille de korrekte værdier til ben 5 og 6, kan vi indstille omskifterfrekvensen for denne IC, til dette projekt har vi brugt en kondensatorværdi på 1nF og en modstandsværdi på 10K, som giver os omtrent en frekvens på 100KHz ved hjælp af med formlen Fosc = 1 / (RT * CT) , kan vi beregne oscillatorfrekvensen. Bortset fra det har vi dækket andre sektioner i detaljer tidligere i artiklen.

PCB Design til TL494-baseret Boost Converter Circuit

Printkortet til vores fase vinkel kontrol kredsløb er designet i et ensidet kort. Jeg har brugt Eagle til at designe min PCB, men du kan bruge enhver Design-software efter eget valg. 2D-billedet af mit kortdesign er vist nedenfor.

Som du kan se på undersiden af ​​tavlen, har jeg brugt et tykt jordplan for at sikre tilstrækkelig strøm kan strømme gennem det. Strømindgangen er på venstre side af tavlen, og udgangen er på højre side af tavlen. Den komplette designfil sammen med TL494 Boost-konverteringsskemaer kan downloades fra nedenstående link.

• Download PCB Design GERBER-fil til TL494-baseret Boost Converter Circuit

Håndlavet printkort:

For nemheds skyld lavede jeg min håndlavede version af printkortet, og det er vist nedenfor. Jeg lavede nogle fejl, mens jeg lavede dette printkort, så jeg måtte ældre nogle jumperledninger for at ordne det.

Mit bord ser sådan ud, når bygningen er færdig.

TL494 Boost Converter Design Beregning og konstruktion

Til demonstration af denne højstrøms boostkonverter er kredsløbet konstrueret i håndlavet PCB ved hjælp af de skematiske og PCB-designfiler; bemærk venligst, at hvis du tilslutter en stor belastning til output fra dette boost-omformerkredsløb, vil en enorm mængde strøm strømme gennem PCB-sporene, og der er en chance for, at sporene brænder ud. Så for at forhindre, at PCB-sporene brænder ud, har vi øget sporstykkelsen så meget som muligt. Vi har også forstærket PCB-sporene med et tykt lag lodde for at sænke sporemodstanden.

For korrekt at beregne værdierne for induktoren og kondensatoren har jeg brugt et dokument fra Texas-instrumenter.

Derefter har jeg lavet et google-regneark for at gøre beregningen lettere.

Test af dette High Voltage Boost Converter-kredsløb

For at teste kredsløbet anvendes følgende opsætning. Som du kan se, har vi brugt PC ATX-strømforsyningen som input, så indgangen er 12V. Vi har tilsluttet et voltmeter og et amperemeter til udgangen af ​​kredsløbet, som viser udgangsspændingen og udgangsstrømmen. Fra hvilken vi let kan beregne udgangseffekten for dette kredsløb. Endelig har vi brugt otte 4.7R 10W effektmodstande i serie som en belastning til at teste det aktuelle forbrug.

Værktøjer, der bruges til at teste kredsløbet:

1. 12V PC ATX strømforsyning
2. En transformer, der har en 6-0-6 hanen og en 12-0-12 hanen
3. Otte, 10W 4.7R-modstande i serie - fungerer som belastningen
4. Meco 108B + TRMS multimeter
5. Meco 450B + TRMS multimeter
6. En skruetrækker

Udgangseffektforbrug af High-Power Boost Converter Circuit:

Som du kan se i ovenstående billede er udgangsspændingen 44,53V, og udgangsstrømmen er 2,839A, så den samlede udgangseffekt bliver 126,42W, så som du kan se, kan dette kredsløb nemt håndtere strøm mere end 100Watt.

Yderligere forbedringer

Dette TL494 Boost Converter-kredsløb er kun til demonstrationsformål, derfor er der ikke tilføjet et beskyttelseskredsløb i input- eller output-sektionen af ​​kredsløbet. Så for at forbedre beskyttelsesfunktionen kan du også tilføje, også når jeg bruger IRFP250 MOSFET, kan udgangseffekten forbedres yderligere, den begrænsende faktor i vores kredsløb er induktoren. En større kerne for induktoren øger dens outputkapacitet.

Jeg håber, du kunne lide denne artikel og lærte noget nyt ud af den. Hvis du er i tvivl, kan du spørge i kommentarerne nedenfor eller bruge vores fora til detaljeret diskussion.