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  • 基于TL494的高效降壓轉(zhuǎn)換器電路
    基于TL494的高效降壓轉(zhuǎn)換器電路
  • 基于TL494的高效降壓轉(zhuǎn)換器電路
  • 來源:circuitdigest  發(fā)布日期: 2022-08-19  瀏覽次數(shù): 1,061

    降壓轉(zhuǎn)換器(降壓轉(zhuǎn)換器)是一種DC-DC?開關(guān)轉(zhuǎn)換器,可在保持恒定功率平衡的同時(shí)降低電壓。降壓轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是效率,這意味著板載降壓轉(zhuǎn)換器可以延長電池壽命、減少熱量、減小尺寸并提高效率。

    在本文中,我們將設(shè)計(jì)、計(jì)算和測(cè)試基于流行的TL494 IC的高效降壓轉(zhuǎn)換器電路

    降壓轉(zhuǎn)換器如何工作?

    poYBAGL6BjeAXeREAADZlJDLNLo608

    上圖顯示了一個(gè)非?;镜慕祲恨D(zhuǎn)換器電路。要了解降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理,我將把電路分為兩種情況。晶體管導(dǎo)通時(shí)的第一個(gè)條件,晶體管關(guān)閉時(shí)的下一個(gè)條件。

    晶體管開啟狀態(tài)

    pYYBAGL6BjOAEDS4AAEXwk2DccI846

    在這種情況下,我們可以看到二極管處于開路狀態(tài),因?yàn)樗幱诜聪蚱脿顟B(tài)。在這種情況下,一些初始電流將開始流過負(fù)載,但電流受到電感器的限制,因此電感器也開始逐漸充電。因此,在電路導(dǎo)通期間,電容器會(huì)逐個(gè)周期地建立充電,并且該電壓會(huì)反映在負(fù)載上。

    晶體管關(guān)閉狀態(tài)

    poYBAGL6BiyAWurZAAEGU5yLE5I358

    當(dāng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),存儲(chǔ)在電感器 L1 中的能量會(huì)崩潰并通過二極管 D1 流回,如帶箭頭的電路所示。在這種情況下,電感兩端的電壓極性相反,因此二極管處于正向偏置狀態(tài)?,F(xiàn)在,由于電感器的磁場坍塌,電流繼續(xù)流過負(fù)載,直到電感器電量耗盡。所有這些都發(fā)生在晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)。

    在電感幾乎耗盡存儲(chǔ)能量的一段時(shí)間后,負(fù)載電壓再次開始下降,在這種情況下,電容器C1成為主要電流源,電容器在那里保持電流流動(dòng),直到下一個(gè)周期開始再次。

    現(xiàn)在通過改變開關(guān)頻率和開關(guān)時(shí)間,我們可以從降壓轉(zhuǎn)換器獲得從 0 到 Vin 的任何輸出。

    集成電路?TL494

    現(xiàn)在在構(gòu)建TL494 降壓轉(zhuǎn)換器之前,讓我們先了解一下 PWM 控制器 TL494 的工作原理。

    TL494 IC 有 8 個(gè)功能塊,如下所示和描述。

    poYBAGL6BiiAMk97AADv4xG7OQA439

    1. 5V 參考穩(wěn)壓器

    pYYBAGL6BiOALXHNAAAeiCtmh0k813

    5V 內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓器輸出為 REF 引腳,即 IC 的第 14 引腳。參考穩(wěn)壓器可為脈沖轉(zhuǎn)向觸發(fā)器、振蕩器、死區(qū)時(shí)間控制比較器和 PWM 比較器等內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的電源。穩(wěn)壓器還用于驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)控制輸出的誤差放大器。

    筆記!該基準(zhǔn)在內(nèi)部編程為 ±5% 的初始精度,并在 7V 至 40V 的輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性。對(duì)于低于 7V 的輸入電壓,穩(wěn)壓器在輸入的 1V 范圍內(nèi)飽和并對(duì)其進(jìn)行跟蹤。

    2. 振蕩器

    pYYBAGL6BhyAZdUoAAAf6S9JTAg375

    振蕩器生成鋸齒波并將其提供給死區(qū)時(shí)間控制器和用于各種控制信號(hào)的 PWM 比較器。

    振蕩器的頻率可以通過選擇時(shí)序組件R T 和 C T來設(shè)置。

    振蕩器的頻率可以通過以下公式計(jì)算

    Fosc = 1/(RT * CT)

    為簡單起見,我制作了一個(gè)電子表格,您可以通過它很容易地計(jì)算頻率。

    筆記! 僅對(duì)于單端應(yīng)用,振蕩器頻率等于輸出頻率。對(duì)于推挽應(yīng)用,輸出頻率是振蕩器頻率的二分之一。

    3. 死區(qū)控制比較器

    pYYBAGL6BhiAGrW8AAA9SNq8n5c565

    死區(qū)時(shí)間或簡單地說關(guān)斷時(shí)間控制提供最小死區(qū)時(shí)間或關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)輸入電壓大于振蕩器的斜坡電壓時(shí),死區(qū)時(shí)間比較器的輸出會(huì)阻塞開關(guān)晶體管。向DTC引腳施加電壓會(huì)產(chǎn)生額外的死區(qū)時(shí)間,從而在輸入電壓從 0 到 3V 變化時(shí)提供從最小值 3% 到 100% 的額外死區(qū)時(shí)間。簡單來說,我們可以在不調(diào)整誤差放大器的情況下改變輸出波的占空比。

    筆記!110 mV 的內(nèi)部偏移可確保死區(qū)時(shí)間控制輸入接地時(shí)的最小死區(qū)時(shí)間為 3%。

    4. 誤差放大器

    poYBAGL6BhSAS_JsAABv9wKJhRo028

    兩個(gè)高增益誤差放大器都從 VI 電源軌接收偏置。這允許共模輸入電壓范圍為 –0.3 V 至 2 V,低于 VI。兩個(gè)放大器都具有單端單電源放大器的特性,因?yàn)槊總€(gè)輸出僅高電平有效。

    5. 輸出控制輸入

    poYBAGL6BhGAatIwAABUuxTIs0M494

    輸出控制輸入決定了輸出晶體管是以并聯(lián)模式還是推挽模式工作。通過將引腳 13 的輸出控制引腳連接到地,可將輸出晶體管設(shè)置為并聯(lián)工作模式。但是通過將此引腳連接到 5V-REF 引腳,可以將輸出晶體管設(shè)置為推挽模式。

    6. 輸出晶體管

    pYYBAGL6Bg2AWplNAAAoKuneXGk188

    該 IC 有兩個(gè)內(nèi)部輸出晶體管,它們采用集電極開路和發(fā)射極開路配置,可提供或吸收高達(dá) 200mA 的最大電流。

    筆記!晶體管的飽和電壓在共射極配置中小于 1.3 V,在射極跟隨器配置中小于 2.5 V。

    TL494 IC的特點(diǎn)

    完整的 PWM 功率控制電路

    用于 200mA 灌電流或拉電流的未提交輸出

    輸出控制選擇單端或推挽操作

    內(nèi)部電路禁止在任一輸出端出現(xiàn)雙脈沖

    可變死區(qū)時(shí)間提供對(duì)總范圍的控制

    內(nèi)部穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的 5V

    容差為 5% 的參考電源

    電路架構(gòu)允許輕松同步

    筆記!大部分內(nèi)部原理圖和操作說明均取自數(shù)據(jù)表,并進(jìn)行了一定程度的修改以便更好地理解。

    所需組件

    TL494 集成電路 - 1

    TIP2955 晶體管 - 1

    螺絲端子?5mmx2 - 2

    1000uF,60V 電容 - 1

    470uF,60V 電容 - 1

    50K,1%?電阻?- 1

    560R?電阻器?- 1

    10K,1% 電阻 - 4

    3.3K,1% 電阻 - 2

    330R 電阻器 - 1

    0.22uF 電容 - 1

    5.6K,1W電阻 - 1

    12.1V 穩(wěn)壓二極管 - 1

    MBR20100CT 肖特基二極管 - 1

    70uH (27 x 11 x 14 ) 毫米電感器 - 1

    電位器?(10K)?微調(diào)電位器?- 1

    0.22R 電流檢測(cè)電阻 - 2

    復(fù)合板通用 50x 50mm - 1

    PSU 散熱器通用 - 1

    通用跳線?- 15

    原理圖,示意圖

    高效降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖如下所示。

    poYBAGL6BgOAJ6vRAADDjfzSRlU735

    電路結(jié)構(gòu)

    對(duì)于這個(gè)大電流降壓轉(zhuǎn)換器的演示,電路是用手工制作的?PCB構(gòu)建的,并借助原理圖和 PCB 設(shè)計(jì)文件 [?Gerber?文件];請(qǐng)注意,如果您將大負(fù)載連接到輸出降壓轉(zhuǎn)換器,則大量電流將流過 PCB 走線,并且有可能會(huì)燒壞走線。因此,為了防止 PCB 走線燒壞,我添加了一些有助于增加電流的跳線。另外,我用厚厚的焊料層加固了 PCB 走線,以降低走線電阻。

    pYYBAGL6Bf-ADoGQAAbqmfoSU5Q121

    電感器由 3 股平行的 0.45 平方毫米漆包銅線構(gòu)成。

    計(jì)算

    為了正確計(jì)算電感器和電容器的值,我使用了?texas Instruments 的文檔。

    poYBAGL6BfuADq9fAAFf2v-GrGI386

    測(cè)試這個(gè)高壓降壓轉(zhuǎn)換器

    poYBAGL6BfiAN7FpAAhdAo5GkBA384

    為了測(cè)試電路,使用了以下設(shè)置。如上圖所示,輸入電壓為 41.17 V,空載電流為 0.015 A,這使得空載功耗小于 0.6W。

    在你們中的任何人跳起來說出我的測(cè)試臺(tái)上的一碗電阻器在做什么之前。

    告訴你,滿載測(cè)試電路的時(shí)候電阻會(huì)很燙,所以我準(zhǔn)備了一碗水防止我的工作臺(tái)燒壞

    用于測(cè)試電路的工具

    12V鉛酸電池。

    具有 6-0-6 抽頭和 12-0-12 抽頭的變壓器

    5 10W 10r 電阻并聯(lián)作為負(fù)載

    Meco 108B+TRMS?萬用表

    Meco 450B+TRMS 萬用表

    泰克?6022BE?示波器

    大功率降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電源

    pYYBAGL6BfKAayiyAAd0Vlh0U-Q013

    從上圖可以看出,負(fù)載條件下輸入電壓降至27.45V,輸入電流為3.022 A,相當(dāng)于輸入功率為82.9539 W。

    輸出功率

    poYBAGL6Be6AQFrKAAiosFknDO4339

    從上圖中可以看出,輸出電壓為 12.78V,輸出電流為 5.614A,相當(dāng)于 71.6958 W 的功耗。

    因此電路的效率變?yōu)椋?1.6958 / 82.9539) x 100 % = 86.42 %

    電路中的損耗是由于為 TL494 IC 供電的電阻器和

    我的測(cè)試表中的絕對(duì)最大電流消耗

    poYBAGL6BemAMV6lAAghtNxQ47U733

    從上圖可以看出,電路的最大電流消耗為 6.96 A,幾乎是

    在這種情況下,系統(tǒng)的主要瓶頸是我的變壓器,這就是為什么我不能增加負(fù)載電流的原因,但是通過這種設(shè)計(jì)和良好的散熱器,您可以輕松地從該電路中汲取超過 10A 的電流。

    筆記!你們中的任何人都想知道為什么我在電路中安裝了一個(gè)巨大的散熱器,現(xiàn)在讓我告訴你,我的庫存中沒有任何更小的散熱器。

    進(jìn)一步增強(qiáng)

    此TL494 降壓轉(zhuǎn)換器電路僅用于演示目的,因此在電路的輸出部分沒有添加保護(hù)電路

    必須增加一個(gè)輸出保護(hù)電路來保護(hù)負(fù)載電路。

    電感器需要浸入清漆中,否則會(huì)產(chǎn)生可聽噪聲。

    具有適當(dāng)設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)PCB是強(qiáng)制性的

    可以修改開關(guān)晶體管以增加負(fù)載電流


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