วงจรแปลงบั๊กประสิทธิภาพสูงกำลังสูงโดยใช้ tl494

แปลงเจ้าชู้ (ขั้นตอนลงแปลง)เป็นแปลงสลับ DC-DC ไปที่ขั้นตอนลงแรงดันไฟฟ้าในขณะที่รักษาความสมดุลของพลังงานอย่างต่อเนื่อง คุณสมบัติหลักของตัวแปลงบั๊กคือประสิทธิภาพซึ่งหมายความว่าด้วยตัวแปลงบั๊กบนบอร์ดเราสามารถคาดหวังอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นลดความร้อนขนาดเล็กลงและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ก่อนหน้านี้เราได้สร้างวงจรบั๊กคอนเวอร์เตอร์แบบง่ายๆสองสามตัวและอธิบายพื้นฐานและประสิทธิภาพการออกแบบ

ดังนั้นในบทความนี้เราจะออกแบบคำนวณและทดสอบวงจรตัวแปลงบั๊กประสิทธิภาพสูงโดยใช้TL494 ICยอดนิยมและในที่สุดจะมีวิดีโอโดยละเอียดที่แสดงส่วนการทำงานและการทดสอบของวงจรดังนั้นหากไม่มี ความกังวลใจเพิ่มเติมมาเริ่มกันเลย

Buck Converter ทำงานอย่างไร

ตัวเลขข้างต้นแสดงให้เห็นมากวงจรแปลงเจ้าชู้ขั้นพื้นฐานหากต้องการทราบว่าตัวแปลงบั๊กทำงานอย่างไรฉันจะแบ่งวงจรออกเป็นสองเงื่อนไข เงื่อนไขแรกเมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่เงื่อนไขถัดไปเมื่อทรานซิสเตอร์ปิด

ทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะ

ในสถานการณ์นี้เราจะเห็นว่าไดโอดอยู่ในสภาพวงจรเปิดเนื่องจากอยู่ในสถานะแบบย้อนกลับ ในสถานการณ์นี้กระแสเริ่มต้นบางส่วนจะเริ่มไหลผ่านโหลด แต่กระแสถูก จำกัด โดยตัวเหนี่ยวนำดังนั้นตัวเหนี่ยวนำจึงเริ่มชาร์จทีละน้อย ดังนั้นในช่วงตรงต่อเวลาของวงจรตัวเก็บประจุจะสร้างวงจรประจุขึ้นโดยรอบและแรงดันไฟฟ้านี้จะสะท้อนไปทั่วทั้งโหลด

ทรานซิสเตอร์ปิดสถานะ

เมื่อทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะปิดพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำ L1 จะยุบตัวและไหลกลับผ่านไดโอด D1 ดังที่แสดงในวงจรด้วยลูกศร ในสถานการณ์นี้แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเหนี่ยวนำจะอยู่ในขั้วย้อนกลับดังนั้นไดโอดจึงอยู่ในสภาพอคติไปข้างหน้า ตอนนี้เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่ยุบตัวของตัวเหนี่ยวนำกระแสยังคงไหลผ่านโหลดจนกว่าตัวเหนี่ยวนำจะหมดประจุ ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในขณะที่ทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาพปิด

หลังจากช่วงเวลาหนึ่งเมื่อตัวเหนี่ยวนำเกือบจะหมดพลังงานที่เก็บไว้แรงดันไฟฟ้าของโหลดจะเริ่มลดลงอีกครั้งในสถานการณ์นี้ตัวเก็บประจุ C1 จะกลายเป็นแหล่งกระแสหลักตัวเก็บประจุจะอยู่ที่นั่นเพื่อให้กระแสไหลต่อไปจนกว่ารอบถัดไปจะเริ่มขึ้น อีกครั้ง.

ตอนนี้ด้วยการเปลี่ยนความถี่การสลับและเวลาในการเปลี่ยนเราสามารถรับเอาต์พุตใด ๆ จาก 0 ถึง Vin จากตัวแปลงบั๊ก

IC TL494

ตอนนี้ก่อนที่จะสร้างตัวแปลงบั๊ก TL494เรามาเรียนรู้ว่าคอนโทรลเลอร์ PWM TL494 ทำงานอย่างไร

TL494 IC มีบล็อกการทำงาน 8 บล็อกซึ่งแสดงและอธิบายไว้ด้านล่าง

1. ตัวควบคุมอ้างอิง 5-V

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

บันทึก! การอ้างอิงถูกตั้งโปรแกรมภายในให้มีความแม่นยำเริ่มต้นที่± 5% และรักษาเสถียรภาพในช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ 7V ถึง 40 V สำหรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตน้อยกว่า 7V ตัวควบคุมจะอิ่มตัวภายใน 1V ของอินพุตและติดตาม

2. ออสซิลเลเตอร์

ออสซิลเลเตอร์สร้างและส่งคลื่นฟันเลื่อยไปยังตัวควบคุมเวลาตายและตัวเปรียบเทียบ PWM สำหรับสัญญาณควบคุมต่างๆ

ความถี่ของออสซิลที่สามารถตั้งค่าได้โดยการเลือกส่วนประกอบระยะเวลาR T และ C T

ความถี่ของ oscillatorสามารถคำนวณได้จากสูตรดังต่อไปนี้

Fosc = 1 / (RT * CT)

เพื่อความง่ายฉันได้สร้างสเปรดชีตซึ่งคุณสามารถคำนวณความถี่ได้อย่างง่ายดาย

บันทึก! ความถี่ของออสซิลเลเตอร์เท่ากับความถี่เอาต์พุตสำหรับการใช้งานแบบ single-end เท่านั้น สำหรับการใช้งานแบบกดดึงความถี่ขาออกคือครึ่งหนึ่งของความถี่ออสซิลเลเตอร์

3. ตัวเปรียบเทียบการควบคุมเวลาตาย

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

บันทึก! ออฟเซ็ตภายใน 110 mV ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีเวลาตายขั้นต่ำ 3% โดยที่อินพุตควบคุมเวลาตายต่อสายดิน

4. ตัวขยายข้อผิดพลาด

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

5. อินพุตควบคุมเอาต์พุต

อินพุตควบคุมเอาต์พุตจะกำหนดว่าทรานซิสเตอร์เอาท์พุตทำงานในโหมดขนานหรือโหมดผลักดึง ด้วยการเชื่อมต่อขาควบคุมเอาต์พุตซึ่งเป็นพิน -13 เข้ากับกราวด์จะทำให้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตอยู่ในโหมดการทำงานแบบขนาน แต่การเชื่อมต่อพินนี้กับขา 5V-REF จะทำให้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตอยู่ในโหมดผลักดึง

6. ทรานซิสเตอร์เอาท์พุต

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

บันทึก! ทรานซิสเตอร์มีแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวน้อยกว่า 1.3 V ในคอนฟิกูเรชันอีซีแอลทั่วไปและน้อยกว่า 2.5 V ในคอนฟิกูเรชันอีซีแอล - ตัวติดตาม

คุณสมบัติของ TL494 IC

• วงจรควบคุมพลังงาน PWM ที่สมบูรณ์
• เอาต์พุตที่ไม่ได้กำหนดไว้สำหรับ 200-mA Sink หรือ Source Current
• การควบคุมเอาต์พุตเลือกการทำงานแบบ Single-Ended หรือ Push-Pull
• วงจรภายในห้าม Double Pulse ที่เอาต์พุตอย่างใดอย่างหนึ่ง
• Variable Dead Time ให้การควบคุมช่วงรวม
• Internal Regulator ให้ 5-V ที่เสถียร
• แหล่งอ้างอิงที่มีความอดทน 5%
• สถาปัตยกรรมวงจรช่วยให้สามารถซิงโครไนซ์ได้ง่าย

บันทึก! แผนผังภายในและคำอธิบายการดำเนินงานส่วนใหญ่นำมาจากแผ่นข้อมูลและแก้ไขบางส่วนเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น

ส่วนประกอบที่จำเป็น

1. TL494 IC - 1
2. TIP2955 ทรานซิสเตอร์ - 1
3. ขั้วต่อสกรู 5mmx2 - 2
4. 1000uF, 60V ตัวเก็บประจุ - 1
5. 470uF, 60V ตัวเก็บประจุ - 1
6. 50K, ตัวต้านทาน 1% - 1
7. ตัวต้านทาน 560R - 1
8. 10K, ตัวต้านทาน 1% - 4
9. 3.3K, ตัวต้านทาน 1% - 2
10. ตัวต้านทาน 330R - 1
11. 0.22uF ตัวเก็บประจุ - 1
12. 5.6K, ตัวต้านทาน 1W - 1
13. 12.1V ซีเนอร์ไดโอด - 1
14. MBR20100CT Schottky Diode - 1
15. 70uH (27 x 11 x 14) มม. ตัวเหนี่ยวนำ - 1
16. โพเทนชิออมิเตอร์ (10K) Trim-Pot - 1
17. 0.22R ตัวต้านทานความรู้สึกปัจจุบัน - 2
18. กระดานหุ้มทั่วไป 50x 50 มม. - 1
19. PSU Heat Sink ทั่วไป - 1
20. สายจัมเปอร์ทั่วไป - 15

แผนภาพ

แผนภาพวงจรสำหรับตัวแปลงบั๊กประสิทธิภาพสูงแสดงไว้ด้านล่าง

การก่อสร้างวงจร

สำหรับการสาธิตตัวแปลงบั๊กกระแสสูงนี้วงจรนี้สร้างขึ้นด้วย PCB ที่ทำด้วยมือโดยใช้ไฟล์การออกแบบแผนผังและ PCB โปรดทราบว่าหากคุณกำลังเชื่อมต่อโหลดขนาดใหญ่เข้ากับตัวแปลงบั๊กเอาต์พุตกระแสไฟฟ้าจำนวนมากจะไหลผ่านร่องรอยของ PCB และมีโอกาสที่ร่องรอยจะไหม้หมด ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ร่องรอย PCB ไหม้ฉันได้รวมจัมเปอร์บางตัวซึ่งช่วยเพิ่มการไหลของกระแส นอกจากนี้ฉันได้เสริมร่องรอย PCB ด้วยชั้นบัดกรีหนาเพื่อลดความต้านทานการติดตาม

ตัวเหนี่ยวนำถูกสร้างขึ้นด้วยลวดทองแดงเคลือบ 0.45 ตร.ม. 3 เส้นขนานกัน

การคำนวณ

ในการคำนวณค่าของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุอย่างถูกต้องฉันได้ใช้เอกสารจากเครื่องมือเท็กซัส

หลังจากนั้นฉันได้สร้าง Google สเปรดชีตเพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น

การทดสอบตัวแปลง Step-Down แรงดันสูงนี้

ในการทดสอบวงจรจะใช้การตั้งค่าต่อไปนี้ ดังที่แสดงในภาพด้านบนแรงดันไฟฟ้าอินพุตคือ 41.17 V และกระแสไฟฟ้าที่ไม่โหลดคือ. 015 A ซึ่งทำให้กำลังไฟฟ้าที่ไม่โหลดเหลือน้อยกว่า 0.6W

ก่อนที่คุณจะกระโดดและบอกว่าชามของตัวต้านทานกำลังทำอะไรในตารางการทดสอบของฉัน

ให้ฉันบอกคุณว่าตัวต้านทานจะร้อนมากในช่วงที่ทดสอบวงจรด้วยสภาวะโหลดเต็มดังนั้นฉันจึงเตรียมชามน้ำไว้เพื่อป้องกันไม่ให้โต๊ะทำงานของฉันไหม้

เครื่องมือที่ใช้ในการทดสอบวงจร

1. แบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V
2. หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีต๊าป 6-0-6 และต๊าป 12-0-12
3. 5 10W 10r ความต้านทานขนานเป็นโหลด
4. Meco 108B + TRMS มัลติมิเตอร์
5. มัลติมิเตอร์ Meco 450B + TRMS
6. Hantek 6022BE ออสซิลโลสโคป

กำลังไฟฟ้าเข้าสำหรับตัวแปลงบั๊กพลังงานสูง

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะลดลงเหลือ27.45Vในสภาวะโหลดและกระแสอินพุตคือ3.022 Aซึ่งเท่ากับกำลังไฟฟ้าเข้า82.9539 W

กำลังขับ

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนแรงดันไฟฟ้าขาออกคือ 12.78V และกระแสไฟขาออก 5.614A ซึ่งเทียบเท่ากับการดึงพลังงาน 71.6958 W.

ดังนั้นประสิทธิภาพของวงจรจึงกลายเป็น(71.6958 / 82.9539) x 100% = 86.42%

การสูญเสียในวงจรเกิดจากตัวต้านทานสำหรับเปิด IC TL494 และ

การดึงกระแสสูงสุดที่แน่นอนในตารางการทดสอบของฉัน

จากภาพด้านบนจะเห็นได้ว่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ดึงออกมาจากวงจรคือ 6.96 A เกือบ

ในสถานการณ์นี้คอขวดหลักของระบบคือหม้อแปลงของฉันนั่นคือสาเหตุที่ฉันไม่สามารถเพิ่มกระแสโหลดได้ แต่ด้วยการออกแบบนี้และด้วยตัวระบายความร้อนที่ดีคุณสามารถดึงกระแสมากกว่า 10A จากวงจรนี้ได้อย่างง่ายดาย

บันทึก! พวกคุณสงสัยว่าทำไมฉันถึงติดฮีตซิงก์ขนาดใหญ่เข้ากับวงจรให้ฉันบอกคุณว่าในตอนนี้ฉันไม่มีฮีตซิงก์ขนาดเล็กในคลังของฉัน

การปรับปรุงเพิ่มเติม

วงจรแปลงบั๊ก TL494นี้มีไว้เพื่อการสาธิตเท่านั้นดังนั้นจึงไม่มีการเพิ่มวงจรป้องกันในส่วนเอาต์พุตของวงจร

1. ต้องเพิ่มวงจรป้องกันเอาต์พุตเพื่อป้องกันวงจรโหลด
2. ต้องจุ่มตัวเหนี่ยวนำลงในสารเคลือบเงามิฉะนั้นจะเกิดเสียงรบกวน
3. จำเป็นต้องใช้ PCB คุณภาพดีพร้อมการออกแบบที่เหมาะสม
4. ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อเพิ่มกระแสโหลดได้

ฉันหวังว่าคุณจะชอบบทความนี้และเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ จากบทความนี้ หากคุณมีข้อสงสัยคุณสามารถถามได้ในความคิดเห็นด้านล่างหรือสามารถใช้ฟอรัมของเราสำหรับการอภิปรายโดยละเอียด