Højeffektiv højeffektiv bockkonverterkreds ved hjælp af TL494

En buck-konverter (step-down converter) er en DC-til-DC-omskifteromformer, der nedbringer spændingen, mens den opretholder en konstant effektbalance. Hovedfunktionen ved en buck-konverter er effektivitet, hvilket betyder, at med en buck-converter om bord kan vi forvente forlænget batterilevetid, reduceret varme, mindre størrelse og forbedret effektivitet. Vi har tidligere lavet et par enkle Buck-omformerkredsløb og forklaret dets grundlæggende og designeffektivitet.

Så i denne artikel skal vi designe, beregne og teste et højeffektivt buck-konverterkredsløb baseret på den populære TL494 IC, og til sidst vil der være en detaljeret video, der viser arbejds- og testdelen af kredsløbet, så uden yderligere ado, lad os komme i gang.

Hvordan fungerer en Buck Converter?

Ovenstående figur viser et meget grundlæggende buck-konverteringskredsløb. For at vide, hvordan en buck-konverter fungerer, skal jeg opdele kredsløbet i to forhold. Den første betingelse, når transistoren er TIL, den næste tilstand, når transistoren er FRA.

Transistor tændt

I dette scenarie kan vi se, at dioden er i åben kredsløbstilstand, fordi den er i omvendt forspændt tilstand. I denne situation begynder en vis startstrøm at strømme gennem belastningen, men strømmen er begrænset af induktoren, så induktoren begynder også at oplade gradvist. Derfor opbygger kondensatoren under kredsløbstidspunktet opladningscyklussen efter cyklus, og denne spænding reflekteres over belastningen.

Transistor Fra-tilstand

Når transistoren er i slukket tilstand, kollapser den energi, der er lagret i induktoren L1, og strømmer tilbage gennem dioden D1 som vist i kredsløbet med pilene. I denne situation er spændingen over induktoren i omvendt polaritet, og dioden er således i forspændt tilstand. På grund af induktorens kollapsende magnetfelt fortsætter strømmen med at strømme gennem belastningen, indtil induktoren løber tør for opladning. Alt dette sker, mens transistoren er i slukket tilstand.

Efter en bestemt periode, hvor induktoren næsten er ude af lagret energi, begynder belastningsspændingen at falde igen, i denne situation bliver kondensatoren C1 den største strømkilde, kondensatoren er der for at holde strømmen strømende indtil næste cyklus begynder igen.

Nu ved at variere skiftefrekvens og skiftetid kan vi få ethvert output fra 0 til Vin fra en buck-konverter.

IC TL494

Lad os nu lære, hvordan PWM-controlleren TL494 fungerer, før vi bygger en TL494 buck-konverter.

TL494 IC har 8 funktionelle blokke, som er vist og beskrevet nedenfor.

1. 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 7V mætter regulatoren inden for 1V af indgangen og sporer den.

2. 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.

Den oscillatorens frekvens kan beregnes ved formlen nedenfor

Fosc = 1 / (RT * CT)

For enkelheds skyld har jeg lavet et regneark, som du nemt kan beregne frekvensen med.

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

3. Dødtids 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.

4. 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.

5. Indgang til kontrol af output

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

6. Outputtransistorer

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.

Funktioner i TL494 IC

Komplet PWM Power-Control Circuitry
Uforpligtede udgange til 200 mA sink eller kildestrøm
Output Control vælger enkelt-endet eller push-pull-handling
Internt kredsløb forbyder dobbeltpuls ved begge output
Variabel dødtid giver kontrol over det samlede interval
Intern regulator giver en stabil 5-V
Referenceforsyning med 5% tolerance
Circuit Architecture tillader nem synkronisering

Bemærk! Det meste af den interne skematiske og operationelle beskrivelse er taget fra databladet og til en vis grad modificeret for bedre forståelse.

Komponenter, der kræves

TL494 IC - 1
TIP2955 Transistor - 1
Skrueterminal 5mmx2 - 2
1000uF, 60V kondensator - 1
470uF, 60V kondensator - 1
50K, 1% modstand - 1
560R modstand - 1
10K, 1% modstand - 4
3.3K, 1% modstand - 2
330R modstand - 1
0.22uF kondensator - 1
5.6K, 1W modstand - 1
12.1V Zener-diode - 1
MBR20100CT Schottky-diode - 1
70uH (27 x 11 x 14) mm induktor - 1
Potentiometer (10K) Trim-Pot - 1
0.22R Strømfølsom modstand - 2
Pladetavle Generisk 50x 50mm - 1
PSU kølelegeme generisk - 1
Jumper Wires Generic - 15

Skematisk diagram

Kredsløbsdiagram for højeffektiv bukkeomformer er angivet nedenfor.

Kredsløbskonstruktion

Til denne demonstration af denne konvertering med høj strømforsyning er kredsløbet konstrueret i håndlavet PCB ved hjælp af de skematiske og PCB-designfiler; bemærk, at hvis du tilslutter en stor belastning til output-buck-konverteren, strømmer en enorm mængde strøm gennem PCB-sporene, og der er en chance for, at sporene brænder ud. Så for at forhindre, at PCB-sporene brænder ud, har jeg inkluderet nogle springere, der hjælper med at øge den aktuelle strømning. Jeg har også forstærket PCB-sporene med et tykt lag lodde for at sænke sporemodstanden.

Spolen er konstrueret med 3 tråde af parallel 0,45 kvm emaljeret kobbertråd.

Beregninger

For korrekt beregning af 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 denne High-Voltage Step-Down Converter

For at teste kredsløbet anvendes følgende opsætning. Som vist i ovenstående billede er indgangsspændingen 41,17 V, og strømmen uden belastning er 0,015 A, hvilket får tomgangseffekten til at blive mindre end 0,6W.

Før nogen af jer springer og siger, hvad en skål med modstanden laver i min testtabel.

Lad mig fortælle dig, at modstandene bliver meget meget varme i løbet af testen af kredsløbet med fuld belastningstilstand, så jeg har forberedt en skål vand for at forhindre, at mit arbejdsbord brænder

Værktøjer, der bruges til at teste kredsløbet

12V blybatteri.
En transformer, der har en 6-0-6 hanen og en 12-0-12 hanen
5 10W 10r Modstand parallelt som belastning
Meco 108B + TRMS multimeter
Meco 450B + TRMS multimeter
Hantek 6022BE oscilloskop

Indgangseffekt til High Power Buck Converter

Som du kan se fra ovenstående billede, falder indgangsspændingen til 27,45 V i belastningstilstand, og indgangsstrømmen er 3,022 A, hvilket svarer til en indgangseffekt på 82,9539 W.

Udgangseffekt

Som du kan se fra ovenstående billede er udgangsspændingen 12,78V og udgangsstrømforbruget på 5.614A, hvilket svarer til en effektforbrug på 71,6958 W.

Så kredsløbets effektivitet bliver (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Tabet i kredsløbet skyldes modstandene til strømforsyning til TL494 IC og

Absolut maksimal strømforbrug i min testtabel

Fra ovenstående billede kan det ses, at den maksimale strømtrækning fra kredsløbet er 6,96 A, det er næsten

I denne situation er systemets vigtigste flaskehals min transformer, hvorfor jeg ikke kan øge belastningsstrømmen, men med dette design og med en god køleplade kan du nemt trække mere end 10A strøm fra dette kredsløb.

Bemærk! Enhver af jer, der spekulerer på, hvorfor jeg har knyttet en massiv kølelegeme til kredsløbet, lad mig fortælle jer i øjeblikket, at jeg ikke har nogen mindre kølelegeme på lageret.

Yderligere forbedringer

Dette TL494 buck-konverterkredsløb er kun til demonstrationsformål, derfor er der ikke tilføjet et beskyttelseskredsløb i udgangssektionen af kredsløbet

Et outputbeskyttelseskredsløb skal tilføjes for at beskytte belastningskredsløbet.
Spolen skal dyppes i lak, ellers genererer den hørbar støj.
En PCB af god kvalitet med et korrekt design er obligatorisk
Skiftetransistoren kan modificeres for at øge belastningsstrømmen

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.