การออกแบบตัวแปลงบูสต์กำลังสูงประสิทธิภาพสูงโดยใช้ tl494

ในขณะที่ทำงานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เรามักพบว่าตัวเองอยู่ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกในขณะที่แรงดันไฟฟ้าเข้ายังคงต่ำนี่เป็นสถานการณ์ประเภทหนึ่งที่เราสามารถพึ่งพาวงจรที่เรียกกันทั่วไปว่าตัวแปลงเพิ่ม ( แปลงขั้นตอนขึ้นไป) ตัวแปลงบูสต์คือตัวแปลงสวิตชิ่งประเภท DC-DC ที่เพิ่มแรงดันไฟฟ้าในขณะที่รักษาสมดุลพลังงานให้คงที่ คุณสมบัติหลักของตัวแปลงเพิ่มประสิทธิภาพคือประสิทธิภาพซึ่งหมายความว่าเราสามารถคาดหวังอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานและปัญหาความร้อนลดลง ก่อนหน้านี้เราได้สร้างวงจร Boost converter อย่างง่ายและอธิบายประสิทธิภาพการออกแบบพื้นฐาน

ดังนั้นในบทความนี้เราจะออกแบบตัว แปลงTL494 Boost และคำนวณและทดสอบวงจรตัวแปลงบูสต์ประสิทธิภาพสูงโดยใช้TL494 IC ยอดนิยมซึ่งมีแรงดันจ่ายขั้นต่ำ 7V และสูงสุด 40V และตามที่ เราใช้IRFP250 MOSFETเป็นสวิตช์วงจรนี้สามารถรองรับกระแสสูงสุด 19Amps ในทางทฤษฎี (จำกัด โดยความจุตัวเหนี่ยวนำ) สุดท้ายจะมีวิดีโอโดยละเอียดที่แสดงส่วนการทำงานและการทดสอบของวงจรดังนั้นโดยไม่ต้องกังวลใจอีกต่อไปเรามาเริ่มกันเลย

การทำความเข้าใจหลักการทำงานของ Boost Converter

รูปด้านบนแสดงแผนผังพื้นฐานของ วงจรบูสคอนเวอร์เตอร์ ในการวิเคราะห์หลักการทำงานของวงจรนี้เราจะแบ่งมันออกเป็นสองส่วนเงื่อนไขแรกอธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อ MOSFET เปิดอยู่เงื่อนไขที่สองอธิบายว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ MOSFET ปิดอยู่

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ MOSFET เปิดอยู่:

ภาพด้านบนแสดงสภาพของวงจรเมื่อเปิด MOSFET ดังที่คุณทราบเราได้แสดงเงื่อนไข ON ด้วยความช่วยเหลือของเส้นประเมื่อ MOSFET ยังคงเปิดอยู่ตัวเหนี่ยวนำจะเริ่มชาร์จกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งจะถูกเก็บไว้ในรูปของสนามแม่เหล็ก

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ MOSFET ปิดอยู่:

ตอนนี้อย่างที่คุณทราบกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ทันที! นั่นเป็นเพราะมันถูกเก็บไว้ในรูปของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นในขณะนั้น MOSFET จะดับลงสนามแม่เหล็กเริ่มยุบและกระแสจะไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสชาร์จ ดังที่คุณเห็นในแผนภาพด้านบนสิ่งนี้จะเริ่มชาร์จตัวเก็บประจุ

ตอนนี้ด้วยการเปิดและปิดสวิตช์ (MOSFET) อย่างต่อเนื่องเราได้สร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกที่มากกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ตอนนี้เราสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกได้โดยการควบคุมเวลาเปิดและปิดของสวิตช์และนั่นคือสิ่งที่เรากำลังทำในวงจรหลัก

ทำความเข้าใจการทำงานของ TL494

ตอนนี้ก่อนที่เราจะไปและสร้างวงจรตามคอนโทรลเลอร์ TL494 PWMมาเรียนรู้ว่าคอนโทรลเลอร์ PWM TL494 ทำงานอย่างไร TL494 IC มี 8 บล็อกการทำงานซึ่งแสดงและอธิบายไว้ด้านล่าง

ตัวควบคุมอ้างอิง 5-V:

เอาต์พุตตัวควบคุมอ้างอิงภายใน 5V คือขา REF ซึ่งเป็นพิน -14 ของ IC ตัวควบคุมอ้างอิงอยู่ที่นั่นเพื่อจัดหาแหล่งจ่ายที่เสถียรสำหรับวงจรภายในเช่นฟลิปฟล็อปแบบพัลส์พวงมาลัยออสซิลเลเตอร์ตัวเปรียบเทียบการควบคุมเวลาตายและตัวเปรียบเทียบ PWM ตัวควบคุมยังใช้ในการขับเคลื่อนวงจรขยายข้อผิดพลาดซึ่งมีหน้าที่ในการควบคุมเอาต์พุต

หมายเหตุ:การอ้างอิงถูกตั้งโปรแกรมภายในให้มีความแม่นยำเริ่มต้นที่± 5% และรักษาเสถียรภาพในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตตั้งแต่ 7V ถึง 40 V สำหรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตน้อยกว่า 7 V ตัวควบคุมจะอิ่มตัวภายใน 1 V ของอินพุตและติดตาม

ออสซิลเลเตอร์:

ออสซิลเลเตอร์สร้างและส่งคลื่นฟันเลื่อยไปยังตัวควบคุมเวลาตายและตัวเปรียบเทียบ PWM สำหรับสัญญาณควบคุมต่างๆ

ความถี่ของออสซิลที่สามารถตั้งค่าได้โดยการเลือกส่วนประกอบระยะเวลาR T และ C T

ความถี่ของออสซิลเลเตอร์สามารถคำนวณได้จากสูตรด้านล่าง -

Fosc = 1 / (RT * CT)

เพื่อความง่ายฉันได้สร้างสเปรดชีตซึ่งคุณสามารถคำนวณความถี่ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งคุณสามารถค้นหาได้จากลิงค์ด้านล่างนี้.

หมายเหตุ:ความถี่ของออสซิลเลเตอร์เท่ากับความถี่เอาต์พุตสำหรับแอปพลิเคชันแบบ single-end เท่านั้น สำหรับการใช้งานแบบกดดึงความถี่ขาออกคือครึ่งหนึ่งของความถี่ออสซิลเลเตอร์

ตัวเปรียบเทียบการควบคุมเวลาตาย:

เวลาตายหรือพูดง่ายๆว่าการควบคุมนอกเวลาให้เวลาตายขั้นต่ำหรือนอกเวลา เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบเวลาตายจะบล็อกการสลับทรานซิสเตอร์เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตมากกว่าแรงดันทางลาดของออสซิลเลเตอร์ การใช้แรงดันไฟฟ้ากับขาDTCสามารถกำหนดเวลาตายเพิ่มเติมได้ดังนั้นจึงให้เวลาตายเพิ่มเติมจากขั้นต่ำ 3% ถึง 100% เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0 ถึง 3V พูดง่ายๆก็คือเราสามารถเปลี่ยน Duty cycle ของคลื่นเอาต์พุตได้โดยไม่ต้องปรับแต่ง error amplifiers

หมายเหตุ:ค่าชดเชยภายใน 110 mV ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีเวลาตายขั้นต่ำ 3% โดยที่อินพุตควบคุมเวลาตายต่อสายดิน

ตัวขยายข้อผิดพลาด:

แอมพลิฟายเออร์ข้อผิดพลาดอัตราขยายสูงทั้งสองได้รับอคติจากรางจ่าย VI สิ่งนี้อนุญาตให้ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดทั่วไปตั้งแต่ –0.3 V ถึง 2 V น้อยกว่า VI แอมพลิฟายเออร์ทั้งสองทำงานตามลักษณะเฉพาะของแอมพลิฟายเออร์ single-ended single-ended ซึ่งแต่ละเอาต์พุตจะทำงานสูงเท่านั้น

อินพุตควบคุมเอาต์พุต:

อินพุตควบคุมเอาต์พุตจะกำหนดว่าทรานซิสเตอร์เอาท์พุตทำงานในโหมดขนานหรือโหมดผลักดึง ด้วยการเชื่อมต่อขาควบคุมเอาต์พุตซึ่งเป็นพิน -13 เข้ากับกราวด์จะทำให้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตอยู่ในโหมดการทำงานแบบขนาน แต่การเชื่อมต่อพินนี้กับขา 5V-REF จะทำให้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตอยู่ในโหมดผลักดึง

ทรานซิสเตอร์เอาต์พุต:

IC มีทรานซิสเตอร์เอาต์พุตภายในสองตัวซึ่งอยู่ในคอนฟิกูเรชัน open-Collector และ open-emitter ซึ่งสามารถจ่ายกระแสหรือจมกระแสสูงสุดได้ถึง 200mA

หมายเหตุ:ทรานซิสเตอร์มีแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวน้อยกว่า 1.3 V ในการกำหนดค่าตัวส่งสัญญาณทั่วไปและน้อยกว่า 2.5 V ในการกำหนดค่าตัวส่งตามตัวปล่อย

ส่วนประกอบที่จำเป็นในการสร้างวงจร Boost Converter ที่ใช้ TL494

ตารางที่มีชิ้นส่วนทั้งหมดที่แสดงด้านล่าง ก่อนหน้านั้นเราได้เพิ่มรูปภาพที่แสดงส่วนประกอบทั้งหมดที่ใช้ในวงจรนี้ เนื่องจากวงจรนี้เรียบง่ายคุณสามารถค้นหาชิ้นส่วนที่จำเป็นทั้งหมดได้ที่ร้านขายอุปกรณ์งานอดิเรกในพื้นที่ของคุณ

ส่วนรายการ:

TL494 IC - 1
IRFP250 MOSFET - 1
ขั้วต่อสกรู 5X2 มม. - 2
1000uF, ตัวเก็บประจุ 35V - 1
1000uF, 63V Capacitor - 1
50K, ตัวต้านทาน 1% - 1
ตัวต้านทาน 560R - 1
10K, ตัวต้านทาน 1% - 4
3.3K, ตัวต้านทาน 1% - 1
ตัวต้านทาน 330R - 1
ตัวเก็บประจุ 0.1uF - 1
MBR20100CT Schottky Diode - 1
150uH (27 x 11 x 14) mm Inductor - 1
โพเทนชิออมิเตอร์ (10K) หม้อตัด - 1
0.22R ตัวต้านทานความรู้สึกปัจจุบัน - 2
กระดานหุ้มทั่วไป 50x 50 มม. - 1
PSU Heat Sink ทั่วไป - 1
สายจัมเปอร์ทั่วไป - 15

TL494 Based Boost Converter - แผนผัง

แผนภาพวงจรสำหรับHigh-Efficiency Boost Converter แสดงไว้ด้านล่าง

TL494 Boost Converter Circuit - ทำงาน

นี้TL494 Boost Converter วงจรถูกสร้างขึ้นจากส่วนประกอบที่มีมากหาได้ง่ายและในส่วนนี้เราจะผ่านไปทุกบล็อกที่สำคัญของวงจรและอธิบายทุกบล็อก

ตัวเก็บประจุอินพุต:

ตัวเก็บประจุอินพุตอยู่ที่นั่นเพื่อรองรับความต้องการกระแสไฟฟ้าสูงที่จำเป็นเมื่อสวิตช์ MOSFET ปิดลงและตัวเหนี่ยวนำเริ่มชาร์จ

คำติชมและลูปควบคุม:

ตัวต้านทาน R2 และ R8 ตั้งควบคุมแรงดันไฟฟ้าสำหรับห่วงความคิดเห็นที่แรงดันไฟฟ้าชุดเชื่อมต่อกับขาที่ 2 ของ TL494 IC และแรงดันข้อเสนอแนะที่มีการเชื่อมต่อไปยังหนึ่งในขาของ IC ระบุว่าเป็นVOLTAGE_FEEDBACK ตัวต้านทาน R10 และ R15 ตั้งค่าขีด จำกัด กระแสในวงจร

ตัวต้านทาน R7 และ R1 สร้างลูปควบคุมด้วยความช่วยเหลือของข้อเสนอแนะนี้สัญญาณ PWM เอาต์พุตจะเปลี่ยนไปในเชิงเส้นโดยไม่มีตัวต้านทานแบบป้อนกลับเหล่านี้ตัวเปรียบเทียบจะทำหน้าที่เหมือนวงจรเปรียบเทียบทั่วไปซึ่งจะเปิด / ปิดวงจรที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเท่านั้น.

การสลับการเลือกความถี่:

ด้วยการตั้งค่าที่เหมาะสมเป็นพิน 5 และ 6 เราสามารถตั้งค่าความถี่สวิตชิ่งของ IC นี้สำหรับโปรเจ็กต์นี้เราได้ใช้ค่าตัวเก็บประจุเป็น 1nF และค่าตัวต้านทาน 10K ซึ่งทำให้เรามีความถี่ประมาณ 100KHz โดยใช้ สูตร FOSC = 1 / (RT * ส์) , เราสามารถคำนวณความถี่ oscillator นอกเหนือจากนั้นเราได้กล่าวถึงส่วนอื่น ๆ โดยละเอียดก่อนหน้านี้ในบทความ

การออกแบบ PCB สำหรับวงจร Boost Converter ที่ใช้ TL494

PCB สำหรับวงจรควบคุมมุมเฟสของเราได้รับการออกแบบในบอร์ดด้านเดียว ฉันใช้ Eagle เพื่อออกแบบ PCB ของฉัน แต่คุณสามารถใช้ซอฟต์แวร์การออกแบบที่คุณเลือกได้ ภาพ 2D ของการออกแบบบอร์ดของฉันแสดงอยู่ด้านล่าง

อย่างที่คุณเห็นที่ด้านล่างของบอร์ดฉันได้ใช้ระนาบกราวด์หนาเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้เพียงพอ อินพุตไฟอยู่ทางด้านซ้ายของบอร์ดและเอาต์พุตอยู่ทางด้านขวาของบอร์ด ไฟล์ออกแบบที่สมบูรณ์พร้อมกับแผนผังตัวแปลง TL494 Boostสามารถดาวน์โหลดได้จากลิงค์ด้านล่าง

ดาวน์โหลดไฟล์ PCB Design GERBER สำหรับวงจร Boost Converter ที่ใช้ TL494

ทำด้วยมือ PCB:

เพื่อความสะดวกฉันทำ PCB แบบแฮนด์เมดตามรูปด้านล่าง ฉันทำผิดพลาดขณะสร้าง PCB นี้ดังนั้นฉันจึงต้องใช้สายจัมเปอร์เก่ากว่าเพื่อแก้ไข

บอร์ดของฉันมีลักษณะเช่นนี้หลังจากการสร้างเสร็จสมบูรณ์

TL494 Boost Converter Design การคำนวณและการก่อสร้าง

สำหรับการสาธิตตัวแปลงบูสต์กระแสสูงนี้ วงจรถูกสร้างขึ้นด้วย PCB ที่ทำด้วยมือโดยใช้ไฟล์การออกแบบแผนผังและ PCB โปรดทราบว่าหากคุณกำลังเชื่อมต่อโหลดขนาดใหญ่เข้ากับเอาต์พุตของวงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์นี้กระแสจำนวนมากจะไหลผ่านร่องรอยของ PCB และมีโอกาสที่ร่องรอยจะไหม้หมด ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ร่องรอยของ PCB ไหม้เราได้เพิ่มความหนาของร่องรอยให้มากที่สุด นอกจากนี้เราได้เสริมร่องรอย PCB ด้วยชั้นบัดกรีหนาเพื่อลดความต้านทานการติดตาม

ในการคำนวณค่าของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุอย่างถูกต้องฉันได้ใช้เอกสารจาก Texas Instruments

หลังจากนั้นฉันได้สร้าง Google สเปรดชีตเพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น

การทดสอบวงจรแปลงแรงดันสูงนี้

ในการทดสอบวงจรจะใช้การตั้งค่าต่อไปนี้ อย่างที่คุณเห็นเราใช้แหล่งจ่ายไฟ PC ATX เป็นอินพุตดังนั้นอินพุตจึงเป็น 12V เราได้ติดโวลต์มิเตอร์และแอมป์มิเตอร์เข้ากับเอาต์พุตของวงจรซึ่งแสดงแรงดันขาออกและกระแสเอาต์พุต จากที่เราสามารถคำนวณกำลังขับสำหรับวงจรนี้ได้อย่างง่ายดาย ในที่สุดเราได้ใช้ตัวต้านทานกำลังไฟ 4.7R 10W แปดตัวในอนุกรมเป็นโหลดเพื่อทดสอบการใช้กระแสไฟฟ้า

เครื่องมือที่ใช้ทดสอบวงจร:

แหล่งจ่ายไฟ 12V PC ATX
หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีต๊าป 6-0-6 และต๊าป 12-0-12
ตัวต้านทานแปดตัว 10W 4.7R ในซีรีส์ - ทำหน้าที่เป็นโหลด
Meco 108B + TRMS มัลติมิเตอร์
มัลติมิเตอร์ Meco 450B + TRMS
ไขควง

การใช้พลังงานเอาต์พุตของวงจร High-Power Boost Converter:

ในขณะที่คุณสามารถเห็นในภาพด้านบนแรงดันไฟฟ้าออกเป็น44.53Vและส่งออกในปัจจุบันคือ2.839A,เพื่อให้กำลังขับทั้งหมดจะกลายเป็น126.42W,เพื่อที่คุณสามารถดูวงจรนี้สามารถจัดการพลังงานมากกว่า100Watts

การปรับปรุงเพิ่มเติม

วงจร TL494 Boost Converter นี้มีไว้เพื่อการสาธิตเท่านั้นดังนั้นจึงไม่มีการเพิ่มวงจรป้องกันในส่วนอินพุตหรือเอาต์พุตของวงจร ดังนั้นเพื่อเพิ่มคุณสมบัติการป้องกันคุณสามารถเพิ่มได้เช่นกันในขณะที่ฉันใช้ IRFP250 MOSFET กำลังขับสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกปัจจัยที่ จำกัด ในวงจรของเราคือตัวเหนี่ยวนำ แกนที่ใหญ่กว่าสำหรับตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มกำลังการผลิต

ฉันหวังว่าคุณจะชอบบทความนี้และเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ จากบทความนี้ หากคุณมีข้อสงสัยคุณสามารถถามได้ในความคิดเห็นด้านล่างหรือสามารถใช้ฟอรัมของเราสำหรับการอภิปรายโดยละเอียด