一個(gè)簡(jiǎn)單的使用555定時(shí)器IC的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用555定時(shí)器IC構(gòu)建一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器電路。升壓轉(zhuǎn)換器是一種非隔離類型的開(kāi)關(guān)模式電源，用于升壓。換句話說(shuō)，它的輸出電壓比輸入電壓高。該電路非常類似于我們?cè)O(shè)計(jì)的用于控制電機(jī)和LED條的降壓轉(zhuǎn)換器，用于降低輸入電壓。升壓轉(zhuǎn)換器在我們的許多日常設(shè)備中都有使用，這些是非常常見(jiàn)的電力電子電路，與太陽(yáng)能電池板和其他收集技術(shù)一起廣泛使用，是當(dāng)今最重要的電路之一。在本文中，我們將學(xué)習(xí)降壓轉(zhuǎn)換器，并使用555定時(shí)器和IRFZ44N， n通道MOSFET設(shè)計(jì)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器。你可以在這里查看簡(jiǎn)單有趣的電力電子電路。

DC-DC升壓變換器的工作原理

升壓變換器用于通過(guò)減小電流來(lái)增加輸出電壓，這是通過(guò)在電感中存儲(chǔ)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且由于電感中的能量不能立即改變，因此，它開(kāi)始將能量存儲(chǔ)在其磁場(chǎng)中。通過(guò)電感器的電流由電感器= V/R給出，由于電阻和電流是恒定的，唯一可以改變的值是電壓。如下圖所示，電感與電壓源串聯(lián)連接以不斷打開(kāi)和關(guān)閉電路，開(kāi)關(guān)并聯(lián)于電壓源和電感以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，我們利用MOSFET和MOSFET驅(qū)動(dòng)器。電路與負(fù)載和與負(fù)載并聯(lián)的電容器相連。為了阻止電流從電容器反向流動(dòng)，在電容器和MOSFET之間使用一個(gè)二極管。

電感試圖抵抗電流的變化以提供恒定的輸入電流，因此升壓轉(zhuǎn)換器充當(dāng)恒定電流輸入源，而負(fù)載充當(dāng)恒定電壓源，該電路與降壓轉(zhuǎn)換器非常相似，有時(shí)被稱為反向降壓轉(zhuǎn)換器。n溝道MOSFET由PWM信號(hào)控制，我們使用IC 555定時(shí)器為MOSFET提供輸出。電容器用于存儲(chǔ)電荷并為負(fù)載提供恒定的輸出。電路分兩個(gè)階段工作，在第一階段，開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，在第二階段，開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。

第一階段：開(kāi)關(guān)打開(kāi)：充電模式

在這種情況下，MOSFET開(kāi)關(guān)被打開(kāi)。我們使用的MOSFET是一個(gè)n通道IRFZ44N MOSFET，其柵極引腳連接到IC555定時(shí)器的引腳3。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于ON狀態(tài)時(shí)，它完成了穿過(guò)電感器的電路，并在其上施加電壓，從而在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于它提供了一個(gè)非常低的電阻路徑，所有的電壓流過(guò)開(kāi)關(guān)并返回到電源，如下圖中的紅線所示。

之前在最后一個(gè)階段充電的電容器試圖從MOSFET放電并停止它，我們使用二極管來(lái)阻止電容器在相反方向流動(dòng)的電荷。

第二階段：開(kāi)關(guān)關(guān)閉：放電模式

當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電感的充電路徑?jīng)]有完成，因此電感的極性被逆轉(zhuǎn)，其周圍的磁場(chǎng)崩潰，從而產(chǎn)生電壓浪涌，通過(guò)二極管并對(duì)電容器充電。來(lái)自電感和源的累積能量用于給電容器充電，并在負(fù)載上運(yùn)行。

工作周期:

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的總時(shí)間稱為時(shí)間段(T)，開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間分別由Ton和Toff給出。因此:

頻率(f)由-給出

占空比(D)由開(kāi)關(guān)接通的總時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間段給出。占空比為：

利用基爾霍夫電壓定律，我們可以推導(dǎo)出升壓變換器的穩(wěn)態(tài)。在這里，我們認(rèn)為電路是理想電路，在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有功率損失，即：

理論上，在一個(gè)完整的周期內(nèi)，電感電流的凈變化量為零，輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之比為：

理論上，0 < D <1，但如果我們指定1為占空比，那么比率將變得無(wú)窮大，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。

電感器計(jì)算值：

我們知道平均輸入電流(Iavg)等于平均電感電流(ILavg)。因此，平均電感電流可計(jì)算為：

電感的紋波電流通常為平均輸出電流的20-40%。

計(jì)算充電電容：

計(jì)算電容器充電時(shí)間Tc = R*C

這里，R是充電電路的電阻，C是電容器的電容。在我們下面給出的電路中，充電電路遵循紅色標(biāo)記的路徑，即R3 > D2 > C2。

要計(jì)算輸入電阻和電容的值，您也可以使用這個(gè)在線計(jì)算器。

計(jì)算輸出電容：

元件選擇

我在Eschema， KiCad上設(shè)計(jì)了電路，并使用上述公式對(duì)所需元件進(jìn)行了計(jì)算。然后我在面包板上做了電路。在KiCad中設(shè)計(jì)的電路圖如下所示。

組件要求:

?1 × NE555

?1 x IRFZ44N - N溝道MOSFET

?1 × 100uH，電感器

?1 x 1K，電阻

?2個(gè)IN4001二極管

?1 x IN5822二極管

?1 × 100nF，電容

?1個(gè)1nF電容

?1 × 50k電位器

?2個(gè)2pin連接器(用于連接電路的輸入和輸出)

選擇組件時(shí)要記住的事情：

MOSFET：您需要選擇一個(gè)能夠承受最大輸出電壓的MOSFET，因此它的擊穿電壓應(yīng)該高于轉(zhuǎn)換器的最大輸出。

二極管：對(duì)于低電壓操作，我使用IN5822，因?yàn)?n4007的慢速度使其無(wú)法用于我們的操作。我們需要選擇一個(gè)快速二極管，我嘗試使用1n4007二極管作為輸出二極管，但由于性能問(wèn)題，我改為更快的IN5822。

升壓變換器電路的工作

該電路在不穩(wěn)定模式下使用555 IC作為PWM發(fā)生器，因此整個(gè)電路都是基于相同的。所有8個(gè)引腳的連接如下：

?引腳1連接地軌。

?引腳2和引腳6，通過(guò)1nF電容接地。

?引腳3給出輸出信號(hào)，因此它連接到IRFZ44N， n通道MOSFET的柵極。該引腳負(fù)責(zé)將pwm輸出驅(qū)動(dòng)到MOSFET的柵極。

?引腳4需要連接到電源

?引腳5有助于穩(wěn)定輸出，因此它通過(guò)0.01 uF電容器連接到地。它還有助于提供對(duì)電子噪音的免疫力。

?引腳7連接到倒置二極管裝置;該結(jié)通過(guò)一個(gè)1K電阻連接到正軌。

?8號(hào)引腳需要連接到電源。

任何SMPS中的主要組件都是開(kāi)關(guān)，在這個(gè)電路中，我們使用n通道MOSFET IRFZ44N作為開(kāi)關(guān)。它由IC 555發(fā)出的微弱信號(hào)驅(qū)動(dòng)，因此IRFZ44N的門接在555IC上。漏極為電路提供負(fù)開(kāi)關(guān)控制，電源連接到地。它具有以下規(guī)格

VDSS = 55v

RDS(on) = 17.5mΩ

ID= 49a

基于555定時(shí)器的直流升壓變換器電路測(cè)試

我用一個(gè)3.7V的鋰離子電池測(cè)試了這個(gè)電路，電池被充電到3.4V左右。我將電池連接到升壓轉(zhuǎn)換器，電壓顯示讀數(shù)為7.5V。升壓變換器輸出端的圖像如下所示。

為了測(cè)試電流，我將萬(wàn)用表的引線改為電流探頭(請(qǐng)記住在萬(wàn)用表上選擇10A或20A設(shè)置以保護(hù)它免受損壞)，電流顯示為3.2安培，因此該電路能夠產(chǎn)生約30瓦。電路工作正常，能夠提高電壓。

當(dāng)負(fù)載連接在電路上時(shí)，反饋的缺乏導(dǎo)致電路電壓下降。升壓變換器采用的反饋確保即使負(fù)載連接時(shí)占空比也保持穩(wěn)定。通過(guò)使用微控制器測(cè)量輸出的變化，然后改變輸入電阻，我們可以很容易地提供反饋，從而使該電路對(duì)大多數(shù)操作更有用和實(shí)用。

這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單但有效的電路，可以使用，如果你需要一個(gè)更高的電壓，那么你的電壓源可以提供，同時(shí)減少電力浪費(fèi)在你的電路。這個(gè)電路能夠提供超過(guò)30W的功率。盡管如此，建議至少使用一個(gè)穿孔板來(lái)創(chuàng)建電路，因?yàn)槌Ｒ?guī)面包板是用于低功率應(yīng)用的。如果你需要一個(gè)恒定的輸出，你應(yīng)該用固定電阻代替鍋，以提高整體設(shè)計(jì)效率。這種電路的主要缺點(diǎn)是，由于缺乏反饋，當(dāng)你連接負(fù)載時(shí)，電壓降相當(dāng)大。

本文編譯自circuitdigest