Designe en boost-omformer med høy effekt og høy effektivitet ved hjelp av TL494

Mens vi arbeider med elektronikk, befinner vi oss ofte i situasjoner der det blir nødvendig å øke utgangsspenningen mens inngangsspenningen holder seg lav, dette er en type situasjon der vi kan stole på en krets som er kjent som boost-omformeren (step-up converter). En boost-omformer er en DC-DC-type svitsjekonverter som trapper opp spenningen mens den opprettholder en konstant effektbalanse. Hovedfunksjonen til en boost-omformer er effektivitet, noe som betyr at vi kan forvente lang batterilevetid og reduserte varmeproblemer. Vi laget tidligere en enkel boost-omformerkrets og forklarte dens grunnleggende designeffektivitet.

Så i denne artikkelen skal vi designe en TL494 Boost-omformer, og beregne og teste en høyeffektiv boost-omformerkrets basert på den populære TL494 IC, som har en minimum forsyningsspenning på 7V og maksimalt 40V, og som vi bruker IRFP250 MOSFET som en bryter, denne kretsen kan håndtere en maksimal strøm på 19 ampere, teoretisk (Begrenset av induktorkapasitet). Til slutt vil det være en detaljert video som viser arbeids- og testdelen av kretsen, så la oss komme i gang uten videre.

Forstå arbeidsprinsippet til Boost Converter

Ovenstående figur viser det grunnleggende skjemaet til boost-omformerkretsen. For å analysere arbeidsprinsippet til denne kretsen, skal vi dele den i to deler, den første tilstanden forklarer hva som skjer når MOSFET er PÅ, den andre tilstanden forklarer hva som skjer når MOSFET er av.

Hva skjer når MOSFET er PÅ:

Ovenstående bilde viser kretsens tilstand når MOSFET er på. Som du kan gjenkjenne, har vi vist PÅ-tilstanden ved hjelp av en stiplet linje, ettersom MOSFET forblir på, begynner spolen å lade, strømmen gjennom spolen fortsetter å øke, noe som blir lagret i form av et magnetfelt.

Hva skjer når MOSFET er av:

Nå, som du kanskje vet, kan ikke strømmen gjennom en induktor endre seg øyeblikkelig! Det er fordi den er lagret i form av et magnetfelt. Derfor slår MOSFET seg av, magnetfeltet begynner å kollapse, og strømmen strømmer i motsatt retning av ladestrømmen. Som du kan se i diagrammet ovenfor, begynner dette å lade kondensatoren.

Nå, ved kontinuerlig å slå bryteren (MOSFET) av og på, har vi opprettet en utgangsspenning som er større enn inngangsspenningen. Nå kan vi kontrollere utgangsspenningen ved å kontrollere bryteren på og av-tiden, og det er det vi gjør i hovedkretsen.

Forstå hvordan TL494 fungerer

Nå før vi går og bygger kretsen basert på TL494 PWM-kontrolleren, la oss lære hvordan PWM-kontrolleren TL494 fungerer. TL494 IC har 8 funksjonelle blokker, som er vist og beskrevet nedenfor.

5-V referanseregulator:

5V intern referanse regulator utgang er REF pin, som er pin-14 av IC. Referanseregulatoren er der for å gi en stabil forsyning for interne kretser, som pulsstyring flip-flop, oscillator, dead-time control comparator og PWM comparator. Regulatoren brukes også til å drive feilforsterkerne som er ansvarlige for å kontrollere utgangen.

Merk: Henvisningen er internt programmert til en innledende nøyaktighet på ± 5% og opprettholder stabilitet over et inngangsspenningsområde på 7V til 40 V. For inngangsspenninger mindre enn 7 V mettes regulatoren innen 1 V fra inngangen og sporer den.

Oscillator:

Oscillatoren genererer og gir en sagtannbølge til dødtidskontrolleren og PWM-komparatorene for forskjellige styresignaler.

Frekvensen for oscillatoren kan innstilles ved å velge timing komponenter R T og C T.

Frekvensen til oscillatoren kan beregnes med formelen nedenfor -

Fosc = 1 / (RT * CT)

For enkelhets skyld har jeg laget et regneark der du enkelt kan beregne frekvensen. Som du finner i lenken under.

Merk: Oscillatorfrekvensen er lik utgangsfrekvensen bare for applikasjoner med en slutt. For push-pull applikasjoner er utgangsfrekvensen halvparten av oscillatorfrekvensen.

Dødtids kontrollkomparator:

Dødtid eller bare å si off-time control gir minimum dead time eller off-time. Utgangen fra dødtidskomparatoren blokkerer byttetransistorer når spenningen ved inngangen er større enn rampespenningen til oscillatoren. Bruk av en spenning på DTC- pinnen kan påføre ytterligere dødtid, og dermed gi ytterligere dødtid fra minimum 3% til 100% ettersom inngangsspenningen varierer fra 0 til 3V. Enkelt sagt kan vi endre Duty-syklusen til utgangsbølgen uten å justere feilforsterkerne.

Merk: En intern forskyvning på 110 mV sikrer en minimum dødtid på 3% med dødtidskontrollinngangen jordet.

Feilforsterkere:

Begge forsterkere med høy forsterkning mottar sin forspenning fra VI-forsyningsskinnen. Dette tillater et vanlig inngangsspenningsområde fra –0,3 V til 2 V mindre enn VI. Begge forsterkerne oppfører seg karakteristisk for en enkelt-endet forsyningsforsterker, ved at hver utgang bare er aktiv høy.

Utgangskontrollinngang:

Utgangskontrollinngangen bestemmer om utgangstransistorene fungerer i parallell- eller push-pull-modus. Ved å koble utgangskontrollpinnen som er pin-13 til bakken, stiller utgangstransistorene i parallell driftsmodus. Men ved å koble denne pinnen til 5V-REF-pinnen setter du utgangstransistorene i push-pull-modus.

Utgangstransistorer:

IC har to interne utgangstransistorer som er i åpne-kollektor- og open-emitter-konfigurasjoner, hvorved den kan kilde eller synke en maksimal strøm opp til 200mA.

Merk: Transistorene har en metningsspenning på mindre enn 1,3 V i common-emitter-konfigurasjonen og mindre enn 2,5 V i emitter-follower-konfigurasjonen.

Komponenter som kreves for å bygge TL494-baserte Boost Converter Circuit

En tabell som inneholder alle delene vist nedenfor. Før det har vi lagt til et bilde som viser alle komponentene som brukes i denne kretsen. Siden denne kretsen er enkel, kan du finne alle nødvendige deler hos din lokale hobbybutikk.

Deleliste:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Skruterminal 5X2 mm - 2
4. 1000uF, 35V kondensator - 1
5. 1000uF, 63V kondensator - 1
6. 50K, 1% motstand - 1
7. 560R motstand - 1
8. 10K, 1% motstand - 4
9. 3.3K, 1% motstand - 1
10. 330R motstand - 1
11. 0.1uF kondensator - 1
12. MBR20100CT Schottky-diode - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm Induktor - 1
14. Potensiometer (10K) Trimkanne - 1
15. 0.22R Strømfølsom motstand - 2
16. Pledd generisk 50x 50mm - 1
17. PSU Heat Sink Generic - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

TL494-basert boostkonverterer - skjematisk diagram

Kretsskjemaet for høyeffektivitet Boost Converter er gitt nedenfor.

TL494 Boost Converter Circuit - Arbeider

Denne TL494 Boost Converter-kretsen består av komponenter som er veldig lett tilgjengelige, og i denne delen vil vi gå gjennom alle hovedblokkene i kretsen og forklare hver blokk.

Inngangskondensator:

Inngangskondensatoren er der for å betjene det høye strømbehovet som kreves når MOSFET-bryteren blir lukket og induktoren begynner å lade.

Tilbakemelding og kontrollsløyfe:

Motstandene R2 og R8 setter kontrollspenningen for tilbakekoblingssløyfen, den innstilte spenningen er koblet til pin 2 på TL494 IC, og tilbakemeldingsspenningen er koblet til pin en av IC merket som VOLTAGE_FEEDBACK . Motstandene R10 og R15 setter strømgrensen i kretsen.

Motstandene R7 og R1 danner kontrollsløyfen, ved hjelp av denne tilbakemeldingen endres utgang PWM-signalet lineært, uten disse tilbakemeldingsmotstandene, vil komparatoren fungere som en generisk komparatorkrets som bare vil slå på / av kretsen ved en innstilt spenning.

Byttefrekvensvalg:

Ved å sette de riktige verdiene til pinnene 5 og 6, kan vi stille byttefrekvensen til denne IC, for dette prosjektet har vi brukt en kondensatorverdi på 1nF og en motstandsverdi på 10K som gir oss omtrent en frekvens på 100KHz, ved å bruke formelen Fosc = 1 / (RT * CT) , kan vi beregne oscillatorfrekvensen. Bortsett fra det, har vi dekket andre seksjoner i detalj tidligere i artikkelen.

PCB-design for TL494-basert Boost Converter Circuit

PCB-en for vår fasevinkelkontrollkrets er designet i et ensidig kort. Jeg har brukt Eagle til å designe PCB-en, men du kan bruke hvilken som helst designprogramvare du ønsker. 2D-bildet av taveldesignet mitt er vist nedenfor.

Som du kan se på undersiden av brettet, har jeg brukt et tykt bakkeplan for å sikre at tilstrekkelig strøm kan strømme gjennom det. Strøminngangen er på venstre side av brettet, og utgangen er på høyre side av brettet. Den komplette designfilen sammen med TL494 Boost-omformerskjemaer kan lastes ned fra lenken nedenfor.

• Last ned PCB Design GERBER-fil for TL494-basert Boost Converter Circuit

Håndlaget PCB:

For enkelhets skyld laget jeg min håndlagde versjon av PCB, og den er vist nedenfor. Jeg gjorde noen feil mens jeg lagde denne PCB-en, så jeg måtte eldre noen jumperledninger for å fikse det.

Brettet mitt ser slik ut etter at bygningen er fullført.

TL494 Boost Converter Design Beregning og konstruksjon

For demonstrasjon av denne høy strøm boost converter, er kretsen bygget i håndlaget PCB, med hjelp av de skjematiske og PCB design filer; Vær oppmerksom på at hvis du kobler en stor belastning til utgangen fra denne boost-omformerkretsen, vil en stor mengde strøm strømme gjennom PCB-sporene, og det er en sjanse for at sporene vil brenne ut. Så, for å forhindre at PCB-sporene brenner ut, har vi økt sporstykkelsen så mye som mulig. Vi har også forsterket PCB-sporene med et tykt loddetinnlag for å senke sporemotstanden.

For å beregne verdiene til induktoren og kondensatoren riktig, har jeg brukt et dokument fra Texas-instrumenter.

Etter det har jeg laget et google-regneark for å gjøre beregningen enklere.

Testing av denne høyspenning Boost Converter Circuit

For å teste kretsen brukes følgende oppsett. Som du ser har vi brukt PC ATX-strømforsyningen som inngang, så inngangen er 12V. Vi har festet et voltmeter og et amperemeter til utgangen på kretsen som viser utgangsspenningen og utgangsstrømmen. Fra det kan vi enkelt beregne utgangseffekten for denne kretsen. Til slutt har vi brukt åtte 4.7R 10W effektmotstand i serie som en belastning for å teste strømforbruket.

Verktøy som brukes til å teste kretsen:

1. 12V PC ATX strømforsyning
2. En transformator som har en 6-0-6 kran og en 12-0-12 kran
3. Åtte, 10W 4.7R motstander i serie - fungerer som belastningen
4. Meco 108B + TRMS multimeter
5. Meco 450B + TRMS multimeter
6. En skrutrekker

Utgangseffektforbruk av High-Power Boost Converter-kretsen:

Som du kan se på bildet ovenfor, er utgangsspenningen 44,53V og utgangsstrømmen er 2,839A, så den totale utgangseffekten blir 126,42W, slik som du kan se, kan denne kretsen enkelt håndtere strøm mer enn 100Watt.

Ytterligere forbedringer

Denne TL494 Boost Converter-kretsen er kun for demonstrasjonsformål, derfor er det ikke lagt til noen beskyttelseskrets i inngangs- eller utgangsseksjonen til kretsen. Så, for å forbedre beskyttelsesfunksjonen, kan du også legge til, også når jeg bruker IRFP250 MOSFET, kan utgangseffekten forbedres ytterligere, den begrensende faktoren i kretsen vår er induktoren. En større kjerne for induktoren vil øke produksjonskapasiteten.

Jeg håper du likte denne artikkelen og lærte noe nytt ut av den. Hvis du er i tvil, kan du spørre i kommentarene nedenfor eller bruke forumene våre for detaljert diskusjon.