Vysokovýkonný vysokoúčinný obvod prevodníka buck pomocou tl494

Buck prevodník (step-down konvertor) je DC-k-DC konvertor, ktorý prepínanie odstúpi napätie pri zachovaní konštantný výkon rovnováhu. Hlavnou vlastnosťou prevodníka buck je efektívnosť, čo znamená, že s prevodníkom buck na doske môžeme očakávať predĺženú životnosť batérie, zníženú teplotu, menšie rozmery a vylepšenú účinnosť. Predtým sme vyrobili niekoľko jednoduchých obvodov prevodníka Buck a vysvetlili sme jeho základy a efektivitu návrhu.

V tomto článku teda navrhneme, vypočítame a otestujeme obvod vysokoúčinného buck prevodníka založený na populárnom obvode TL494 IC a nakoniec bude k dispozícii podrobné video zobrazujúce pracovnú a testovaciu časť obvodu, teda bez ďalšie reči, začnime.

Ako funguje nástroj Buck Converter?

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje veľmi základný obvod prevodníka buck. Aby som vedel, ako funguje prevodník buckov, idem rozdeliť obvod na dve podmienky. Prvá podmienka, keď je tranzistor zapnutý, ďalšia podmienka, keď je tranzistor vypnutý.

Tranzistor je zapnutý

V tomto scenári vidíme, že dióda je v stave otvoreného obvodu, pretože je v stave spätného predpätia. V tejto situácii začne cez záťaž prúdiť určitý počiatočný prúd, ale prúd je obmedzený induktorom, a preto sa induktor začne tiež postupne nabíjať. Preto počas doby zapnutia obvodu kondenzátor vytvára nabíjací cyklus po cykle a toto napätie sa odráža v celej záťaži.

Stav tranzistora vypnutý

Keď je tranzistor vo vypnutom stave, energia uložená v tlmivke L1 sa zrúti a prúdi späť cez diódu D1, ako je to znázornené v obvode šípkami. V tejto situácii je napätie na induktore v opačnej polarite, takže dióda je v stave predpätia. Teraz kvôli kolabujúcemu magnetickému poľu induktora prúd stále preteká záťažou, kým sa induktor nevybije. To všetko sa deje, keď je tranzistor vypnutý.

Po určitom období, keď je induktor takmer mimo akumulovanej energie, napätie záťaže začne opäť klesať, v tejto situácii sa kondenzátor C1 stane hlavným zdrojom prúdu, kondenzátor je tu na to, aby udržal prúd v prúde až do začiatku ďalšieho cyklu ešte raz.

Teraz zmenou spínacej frekvencie a doby spínania môžeme získať akýkoľvek výstup z 0 na Vin z prevodníka dolárov.

IC TL494

Teraz, skôr ako sa chystáme zostaviť prevodník TL494 buck, poďme sa naučiť, ako funguje radič PWM TL494.

TL494 IC má 8 funkčných blokov, ktoré sú zobrazené a popísané nižšie.

1. 5-V referenčný regulátor

Výstupom interného referenčného regulátora 5 V je pin REF, ktorý je pinom 14 IC. Referenčný regulátor slúži na stabilné napájanie vnútorných obvodov, ako je klopný obvod s pulzným riadením, oscilátor, komparátor riadenia mŕtveho času a komparátor PWM. Regulátor sa tiež používa na riadenie chybových zosilňovačov, ktoré sú zodpovedné za riadenie výstupu.

Poznámka! Referencia je interne naprogramovaná na počiatočnú presnosť ± 5% a udržuje stabilitu v rozsahu vstupného napätia 7 V až 40 V. Pre vstupné napätie menšie ako 7 V regulátor nasýti do 1 V od vstupu a sleduje ho.

2. Oscilátor

Oscilátor generuje a poskytuje píliovú vlnu regulátoru mŕtveho času a PWM komparátorom pre rôzne riadiace signály.

Frekvencia oscilátora môže byť nastavená voľbou načasovanie zložiek R T a C T.

Frekvencia oscilátora môže byť vypočítaná podľa vzorca nižšie

Fosc = 1 / (RT * CT)

Pre jednoduchosť som vytvoril tabuľku, pomocou ktorej si viete veľmi ľahko vypočítať frekvenciu.

Poznámka! Frekvencia oscilátora sa rovná výstupnej frekvencii iba pre aplikácie s jedným koncom. Pre aplikácie typu push-pull je výstupná frekvencia polovica frekvencie oscilátora.

3. Porovnávač kontroly mŕtveho času

Mŕtvy čas alebo jednoducho povedané riadenie mimo času poskytuje minimálny mŕtvy čas alebo čas mimo prevádzky. Výstup komparátora mŕtveho času blokuje spínanie tranzistorov, keď je napätie na vstupe väčšie ako napätie rampy oscilátora. Pripojenie napätia na kolík DTC môže spôsobiť dodatočnú mŕtvu dobu, a tým poskytnúť ďalšiu mŕtvu dobu od minima 3% do 100%, pretože vstupné napätie sa pohybuje od 0 do 3V. Zjednodušene môžeme zmeniť pracovný cyklus výstupnej vlny bez doladenia chybových zosilňovačov.

Poznámka! Interný posun 110 mV zaisťuje minimálny mŕtvy čas 3% pri uzemnenom vstupe riadenia mŕtveho času.

4. Zosilňovače chýb

Oba zosilňovače chýb s vysokým ziskom dostávajú predpätie zo napájacej lišty VI. To umožňuje rozsah vstupného napätia v spoločnom režime od –0,3 V do 2 V menej ako VI. Oba zosilňovače sa vyznačujú charakteristickým znakom zosilňovača s jedným napájaním na jednom konci a tým, že každý výstup je aktívny iba na vysokej úrovni.

5. Výstup - riadiaci vstup

Vstup riadenia výstupu určuje, či výstupné tranzistory pracujú v paralelnom alebo push-pull režime. Pripojením výstupného riadiaceho kolíka, ktorým je kolík-13, k zemi sa nastavia výstupné tranzistory v paralelnom prevádzkovom režime. Ale pripojením tohto kolíka k kolíku 5V-REF nastaví výstupné tranzistory na režim push-pull.

6. Výstupné tranzistory

IC má dva interné výstupné tranzistory, ktoré sú v konfiguráciách otvoreného kolektora a otvoreného vysielača, pomocou ktorých môže napájať alebo znižovať maximálny prúd až do 200 mA.

Poznámka! Tranzistory majú saturačné napätie menšie ako 1,3 V v konfigurácii spoločného vysielača a menej ako 2,5 V v konfigurácii vysielača a sledovača.

Vlastnosti TL494 IC

• Kompletný obvod riadenia výkonu PWM
• Nepotvrdené výstupy pre 200-mA výlevku alebo zdrojový prúd
• Ovládanie výstupu volí jednostrannú alebo push-pull operáciu
• Interné obvody zakazujú dvojitý impulz na obidvoch výstupoch
• Variabilný mŕtvy čas poskytuje kontrolu nad celkovým rozsahom
• Interný regulátor poskytuje stabilné 5 V
• Referenčná ponuka s toleranciou 5%
• Circuit Architecture umožňuje ľahkú synchronizáciu

Poznámka! Väčšina interných schém a opisov operácií je prevzatá z údajového listu a pre lepšie pochopenie je do istej miery upravená.

Súčasti sú povinné

1. TL494 IC - 1
2. Tranzistor TIP2955 - 1
3. Skrutkovacia svorka 5mmx2 - 2
4. 1000uF, 60V kondenzátor - 1
5. 470uF, 60V kondenzátor - 1
6. 50K, 1% odpor - 1
7. Rezistor 560R - 1
8. 10K, 1% rezistor - 4
9. 3,3 tis., 1% rezistor - 2
10. Rezistor 330R - 1
11. Kondenzátor 0,22uF - 1
12. 5,6K, 1W rezistor - 1
13. 12,1 V Zenerova dióda - 1
14. Schottkyho dióda MBR20100CT - 1
15. Induktor 70uH (27 x 11 x 14) mm - 1
16. Potenciometer (10K) Trim-Pot - 1
17. Rezistor snímania prúdu 0,22R - 2
18. Plátovaná doska Generic 50x 50mm - 1
19. Všeobecný chladič zdroja - 1
20. Jumper Wires Generic - 15

Schematický diagram

Schéma zapojenia pre vysokoúčinný prevodník buckov je uvedená nižšie.

Stavba obvodu

Pre demonštráciu tohto vysokoprúdového buck prevodníka je obvod skonštruovaný z ručne vyrobenej dosky plošných spojov pomocou schém a súborov návrhu plošného spoja; prosím, nezabudnite, že ak pripájate veľké zaťaženie k výstupnému konvertoru, potom cez stopy PCB pretečie obrovské množstvo prúdu a je pravdepodobné, že stopy zhoria. Aby som zabránil vyhoreniu stôp plošných spojov, zahrnul som niekoľko prepojok, ktoré pomáhajú zvyšovať prúd. Taktiež som zosilnil stopy PCB silnou vrstvou spájky, aby som znížil stopový odpor.

Induktor je vyrobený z 3 vlákien paralelného smaltovaného medeného drôtu s veľkosťou 0,45 štvorcových mm.

Výpočty

Pre správny výpočet hodnôt induktora a kondenzátora som použil dokument z texaských prístrojov.

Potom som vytvoril tabuľku Google, aby som uľahčil výpočet

Testovanie tohto vysokonapäťového redukčného prevodníka

Na testovanie obvodu sa používa nasledujúce nastavenie. Ako je znázornené na obrázku vyššie, vstupné napätie je 41,17 V a prúd naprázdno 0,15 A, vďaka čomu je príkon naprázdno nižší ako 0,6 W.

Predtým, ako ktokoľvek z vás skočí a povie, čo robí miska odporu v mojej testovacej tabuľke.

Poviem vám, rezistory sa počas testovania obvodu s plným zaťažením veľmi veľmi zahrievajú, preto som pripravil misku s vodou, ktorá zabráni spáleniu môjho pracovného stola.

Nástroje používané na testovanie obvodu

1. 12V olovená batéria.
2. Transformátor, ktorý má odbočku 6-0-6 a odbočku 12-0-12
3. 5 10 W 10r Odpor paralelne ako záťaž
4. Multimetr Meco 108B + TRMS
5. Multimetr Meco 450B + TRMS
6. Osciloskop Hantek 6022BE

Vstupný výkon pre vysoko výkonný prevodník buckov

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného obrázka, vstupné napätie v stave zaťaženia poklesne na 27,45 V a vstupný prúd je 3,022 A, čo sa rovná vstupnému výkonu 82,9539 W.

Výstupný výkon

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného obrázka, výstupné napätie je 12,78 V a výstupný prúd je 5,614 A, čo zodpovedá príkonu 71,6958 W.

Takže účinnosť obvodu sa stáva (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Strata v obvode je spôsobená odpormi na napájanie TL494 IC a

Absolútny maximálny odber prúdu v mojej testovacej tabuľke

Z vyššie uvedeného obrázku je vidieť, že maximálny odber prúdu z obvodu je 6,96 A, je takmer

V tejto situácii je hlavným prekážkou systému môj transformátor, a preto nemôžem zvýšiť zaťažovací prúd, ale s touto konštrukciou a s dobrým chladičom môžete z tohto obvodu ľahko odoberať viac ako 10 A.

Poznámka! Každý z vás, kto sa pýta, prečo som do okruhu zapojil masívny chladič, dovoľte mi, aby som vám povedal, že momentálne nemám v zásobe žiadny menší chladič.

Ďalšie vylepšenia

Tento obvod prevodníka TL494 má iba demonštračné účely, preto do výstupnej časti obvodu nie je pridaný žiadny ochranný obvod.

1. Na ochranu obvodu záťaže je potrebné pridať ochranný obvod výstupu.
2. Induktor musí byť ponorený do laku, inak bude generovať počuteľný šum.
3. Kvalitná doska plošných spojov so správnym dizajnom je povinná
4. Spínací tranzistor je možné upraviť tak, aby sa zvýšil záťažový prúd

Dúfam, že sa vám tento článok páčil a dozvedeli ste sa z neho niečo nové. Ak máte pochybnosti, môžete sa opýtať v komentároch nižšie alebo môžete využiť naše fóra na podrobnú diskusiu.