Designa en högeffektiv, högeffektiv boost-omvandlare med hjälp av TL494

När vi arbetar med elektronik befinner vi oss ofta i situationer där det blir nödvändigt att öka utspänningen medan ingångsspänningen förblir låg, det här är en typ av situation där vi kan lita på en krets som vanligtvis kallas boost-omvandlaren (steg-upp-omvandlare). En boost-omvandlare är en växelomvandlare av DC-DC-typ som ökar spänningen samtidigt som den bibehåller en konstant effektbalans. Huvudfunktionen i en boost-omvandlare är effektivitet vilket innebär att vi kan förvänta oss lång batteritid och minskade värmeproblem. Vi har tidigare gjort en enkel boost-omvandlarkrets och förklarat dess grundläggande designeffektivitet.

Så i den här artikeln ska vi designa en TL494 Boost-omvandlare och beräkna och testa en högeffektiv boost-omvandlarkrets baserat på den populära TL494 IC, som har en minsta matningsspänning på 7V och högst 40V, och som vi använder IRFP250 MOSFET som omkopplare, denna krets kan hantera en maximal ström på 19 ampere, teoretiskt sett (begränsad av induktorkapacitet). Slutligen kommer det att finnas en detaljerad video som visar arbets- och testdelen av kretsen, så utan vidare, låt oss komma igång.

Förstå arbetsprincipen för Boost Converter

Ovanstående figur visar grundschemat för boost-omvandlarkretsen. För att analysera funktionsprincipen för denna krets ska vi dela den i två delar, det första villkoret förklarar vad som händer när MOSFET är PÅ, det andra villkoret förklarar vad som händer när MOSFET är avstängd.

Vad händer när MOSFET är PÅ:

Ovanstående bild visar kretsens tillstånd när MOSFET är på. Som du kan känna igen har vi visat PÅ-tillståndet med hjälp av en streckad linje, eftersom MOSFET förblir på, induktorn börjar ladda, strömmen genom induktorn fortsätter att öka, vilket lagras i form av ett magnetfält.

Vad händer när MOSFET är av:

Nu, som du kanske vet, kan strömmen genom en induktor inte förändras omedelbart! Det beror på att den lagras i form av ett magnetfält. Därför, när MOSFET stängs av, börjar magnetfältet att kollapsa och strömmen rinner i motsatt riktning mot laddningsströmmen. Som du kan se i diagrammet ovan börjar detta ladda kondensatorn.

Nu, genom att kontinuerligt slå på och av strömbrytaren (MOSFET), har vi skapat en utspänning som är större än ingångsspänningen. Nu kan vi styra utspänningen genom att styra strömbrytaren på och avstängning, och det är vad vi gör i huvudkretsen.

Förstå hur TL494 fungerar

Nu innan vi går och bygger kretsen baserat på TL494 PWM-styrenheten, låt oss lära oss hur PWM-styrenheten TL494 fungerar. TL494 IC har 8 funktionsblock som visas och beskrivs nedan.

5-V referensregulator:

Den 5V interna referensregulatorns utgång är REF-stiftet, som är stift-14 på IC. Referensregulatorn är där för att tillhandahålla en stabil försörjning för interna kretsar som pulsstyrningens vippa, oscillator, dödtidskomparator och PWM-komparator. Regulatorn används också för att driva felförstärkarna som är ansvariga för att kontrollera utgången.

Obs: Referensen är internt programmerad till en initial noggrannhet på ± 5% och bibehåller stabilitet över ett ingångsspänningsområde på 7V till 40 V. För ingångsspänningar mindre än 7 V, mättas regulatorn inom 1 V från ingången och spårar den.

Oscillator:

Oscillatorn genererar och tillhandahåller en sågtandvåg till dödtidskontrollen och PWM-komparatorerna för olika styrsignaler.

Frekvensen hos oscillatorn kan ställas in genom att välja timing komponenter R T och C T.

Oscillatorns frekvens kan beräknas med formeln nedan-

Fosc = 1 / (RT * CT)

För enkelhetens skull har jag gjort ett kalkylblad där du enkelt kan beräkna frekvensen. Som du hittar i länken nedan.

Obs! Oscillatorfrekvensen är lika med utgångsfrekvensen endast för applikationer med ena änden. För push-pull-applikationer är utgångsfrekvensen hälften av oscillatorfrekvensen.

Dödtidskomparator:

Den döda tiden eller att helt enkelt säga ledighetskontroll ger den minsta dödtiden eller ledigheten. Utgången från dödtidskomparatorn blockerar växlingstransistorer när spänningen vid ingången är större än oscillatorns rampspänning. Att applicera en spänning på DTC- stiftet kan medföra ytterligare dödtid, vilket ger ytterligare dödtid från dess minimum 3% till 100% eftersom ingångsspänningen varierar från 0 till 3V. Enkelt uttryckt kan vi ändra utgångsvågens arbetscykel utan att finjustera felförstärkarna.

Obs: En intern förskjutning på 110 mV säkerställer en minsta dödtid på 3% med dödtidskontrollingången jordad.

Felförstärkare:

Båda högförstärkningsfelförstärkarna får sin förspänning från VI-försörjningsskenan. Detta tillåter ett gemensamt ingångsspänningsområde från –0,3 V till 2 V mindre än VI. Båda förstärkarna beter sig karakteristiskt för en enda slutförstärkare med enda ändar, eftersom varje utgång endast är aktiv hög.

Ingång för utgångskontroll:

Utgångsstyringången bestämmer om utgångstransistorerna fungerar i parallell- eller push-pull-läge. Genom att ansluta utgångsstyrstiftet som är stift-13 till marken ställer utgångstransistorerna i parallellt driftsläge. Men genom att ansluta denna stift till 5V-REF-stift sätter utgångstransistorerna i push-pull-läge.

Utgångstransistorer:

IC har två interna utgångstransistorer som är i öppen kollektor och öppen emitterkonfiguration, genom vilken den kan källa eller sänka en maximal ström upp till 200 mA.

Obs! Transistorerna har en mättnadsspänning på mindre än 1,3 V i common-emitter-konfigurationen och mindre än 2,5 V i emitter-follower-konfigurationen.

Komponenter som krävs för att bygga TL494-baserad Boost Converter Circuit

En tabell som innehåller alla delar som visas nedan. Innan det har vi lagt till en bild som visar alla komponenter som används i denna krets. Eftersom denna krets är enkel kan du hitta alla nödvändiga delar i din lokala hobbybutik.

Dellista:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Skruvplint 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V kondensator - 1
5. 1000uF, 63V kondensator - 1
6. 50K, 1% motstånd - 1
7. 560R Motstånd - 1
8. 10K, 1% motstånd - 4
9. 3.3K, 1% motstånd - 1
10. 330R motstånd - 1
11. 0.1uF kondensator - 1
12. MBR20100CT Schottky-diod - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm Induktor - 1
14. Potentiometer (10K) Trimkruka - 1
15. 0.22R Strömavkänningsmotstånd - 2
16. Plädtavla Generic 50x 50mm - 1
17. PSU Heat Sink Generic - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

TL494-baserad boostkonverterare - schematiskt diagram

Kretsschemat för High-Efficiency Boost Converter ges nedan.

TL494 Boost Converter Circuit - Arbetar

Denna TL494 Boost Converter-krets består av komponenter som är mycket lätta att få, och i detta avsnitt kommer vi att gå igenom varje större block i kretsen och förklara varje block.

Ingångskondensator:

Ingångskondensatorn är där för att tillgodose det höga strömbehov som krävs när MOSFET-omkopplaren stängs och induktorn börjar ladda.

Feedback och kontrollslinga:

Motstånd R2 och R8 ställer in styrspänningen för återkopplingsslingan, den inställda spänningen är ansluten till stift 2 på TL494 IC och återkopplingsspänningen är ansluten till stift en av IC: n märkt som VOLTAGE_FEEDBACK . Motstånden R10 och R15 ställer in strömgränsen i kretsen.

Motstånd R7 och R1 bildar styrslingan, med hjälp av denna återkoppling ändras utgången PWM-signalen linjärt, utan dessa återkopplingsmotstånd fungerar komparatorn som en generisk komparatorkrets som bara slår på / av kretsen vid en inställd spänning.

Växlingsfrekvensval:

Genom att ställa in rätt värden till stift 5 och 6 kan vi ställa in omkopplingsfrekvensen för denna IC, för detta projekt har vi använt ett kondensatorvärde på 1nF och ett motståndsvärde på 10K vilket ger oss ungefär en frekvens på 100KHz, genom att använda med formeln Fosc = 1 / (RT * CT) kan vi beräkna oscillatorfrekvensen. Utöver det har vi täckt andra avsnitt i detalj tidigare i artikeln.

PCB-design för TL494-baserad Boost Converter-krets

Kretskortet för vår fasvinkelkontrollkrets är utformat i ett ensidigt kort. Jag har använt Eagle för att designa min PCB men du kan använda valfri designprogramvara. 2D-bilden av min brädedesign visas nedan.

Som du kan se på undersidan av brädet har jag använt ett tjockt jordplan för att säkerställa att tillräcklig ström kan strömma genom det. Strömingången finns på kortets vänstra sida och utgången på kortets högra sida. Hela designfilen tillsammans med TL494 Boost-omvandlingsscheman kan laddas ner från länken nedan.

• Ladda ner PCB Design GERBER-fil för TL494-baserad Boost Converter Circuit

Handgjord PCB:

För enkelhets skull gjorde jag min handgjorda version av kretskortet och den visas nedan. Jag gjorde några misstag när jag gjorde detta PCB så jag var tvungen att äldre några bygelkablar för att fixa det.

Min styrelse ser ut så här efter att byggnaden är klar.

TL494 Boost Converter Design Beräkning och konstruktion

För demonstrationen av denna högströmsförstärkningsomvandlare är kretsen konstruerad i handgjord kretskort, med hjälp av schematiska och kretskortsdesignfiler; Observera att om du ansluter en stor belastning till utgången från denna boost-omvandlarkrets, kommer en enorm mängd ström att strömma genom kretskortspåren, och det finns en chans att spåren kommer att brinna ut. Så för att förhindra att PCB-spåren brinner ut har vi ökat spårtjockleken så mycket som möjligt. Vi har också förstärkt PCB-spåren med ett tjockt lödlager för att sänka spårmotståndet.

För att korrekt beräkna värdena på induktorn och kondensatorn har jag använt ett dokument från Texas-instrument.

Efter det har jag gjort ett Google-kalkylblad för att göra beräkningen enklare.

Testar denna högspänning Boost Converter Circuit

För att testa kretsen används följande inställning. Som du ser har vi använt PC ATX-strömförsörjningen som ingång, så ingången är 12V. Vi har anslutit en voltmeter och en amperemeter till utgången på kretsen som visar utspänningen och utströmmen. Från vilken vi enkelt kan beräkna uteffekten för denna krets. Slutligen har vi använt åtta 4.7R 10W effektmotstånd i serie som en belastning för att testa strömförbrukningen.

Verktyg som används för att testa kretsen:

1. 12V PC ATX strömförsörjning
2. En transformator som har en 6-0-6 kran och en 12-0-12 kran
3. Åtta, 10W 4.7R-motstånd i serie - Fungerar som belastningen
4. Meco 108B + TRMS-multimeter
5. Meco 450B + TRMS-multimeter
6. En skruvdragare

Effektförbrukning för High-Power Boost Converter-kretsen:

Som du kan se i bilden ovan är utspänningen 44,53V och utgångsströmmen 2,839A, så den totala uteffekten blir 126,42W, så som du kan se kan denna krets enkelt hantera ström mer än 100Watt.

Ytterligare förbättringar

Denna TL494 Boost Converter-krets är endast för demonstrationsändamål, därför finns det ingen skyddskrets tillagd i kretsens ingångs- eller utgångssektion. Så för att förbättra skyddsfunktionen kan du också lägga till, även när jag använder IRFP250 MOSFET kan uteffekten förbättras ytterligare, den begränsande faktorn i vår krets är induktorn. En större kärna för induktorn ökar dess uteffekt.

Jag hoppas att du gillade den här artikeln och lärde dig något nytt av den. Om du är osäker kan du fråga i kommentarerna nedan eller använda våra forum för detaljerad diskussion.