基于TL494的大功率高效升壓變換器的設(shè)計(jì)

在使用電子產(chǎn)品時(shí)，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己有必要在輸入電壓保持低的情況下提高輸出電壓，這是一種我們可以依靠通常稱為升壓轉(zhuǎn)換器(升壓轉(zhuǎn)換器)的電路的情況。升壓變換器是一種DC-DC型開(kāi)關(guān)變換器，它在保持恒定功率平衡的同時(shí)提高電壓。升壓轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是效率，這意味著我們可以期待更長(zhǎng)的電池壽命和更少的熱量問(wèn)題。我們之前制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓變換器電路，并說(shuō)明了其基本設(shè)計(jì)效率。

因此，在本文中，我們將設(shè)計(jì)一個(gè)TL494升壓轉(zhuǎn)換器，并計(jì)算和測(cè)試一個(gè)基于流行的TL494 IC的高效升壓轉(zhuǎn)換器電路，其最小電源電壓為7V，最大電源電壓為40V，并且由于我們使用IRFP250 MOSFET作為開(kāi)關(guān)，該電路理論上可以處理19Amps的最大電流(受電感容量限制)。最后，將有一個(gè)詳細(xì)的視頻顯示電路的工作和測(cè)試部分，所以沒(méi)有更多的麻煩，讓我們開(kāi)始吧。

了解升壓變換器的工作原理

上圖為升壓變換器電路的基本原理圖。為了分析該電路的工作原理，我們將其分為兩部分，第一個(gè)條件解釋了當(dāng)MOSFET打開(kāi)時(shí)發(fā)生的情況，第二個(gè)條件解釋了當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)發(fā)生的情況。

當(dāng)MOSFET打開(kāi)時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

上圖顯示了當(dāng)MOSFET開(kāi)啟時(shí)電路的狀態(tài)。正如你所認(rèn)識(shí)到的，我們已經(jīng)用虛線顯示了ON條件，當(dāng)MOSFET保持ON狀態(tài)時(shí)，電感開(kāi)始充電，通過(guò)電感的電流不斷增加，以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)。

當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

現(xiàn)在，你可能知道，通過(guò)電感器的電流不能瞬間改變!這是因?yàn)樗源艌?chǎng)的形式存儲(chǔ)。因此，在MOSFET關(guān)斷的瞬間，磁場(chǎng)開(kāi)始崩塌，電流向與充電電流相反的方向流動(dòng)。正如你可以在上面的圖表中看到的，這開(kāi)始給電容器充電。

現(xiàn)在，通過(guò)連續(xù)地使開(kāi)關(guān)(MOSFET)接通和關(guān)閉，我們已經(jīng)創(chuàng)建了大于輸入電壓的輸出電壓?，F(xiàn)在，我們可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間來(lái)控制輸出電壓，這就是我們?cè)谥麟娐分兴龅摹?

了解TL494的工作原理

現(xiàn)在，在我們?nèi)?gòu)建基于TL494 PWM控制器的電路之前，讓我們了解PWM控制器TL494是如何工作的。TL494集成電路有8個(gè)功能模塊，如下所示和描述。

5-V參考穩(wěn)壓器：

5V內(nèi)部參考穩(wěn)壓器輸出是REF引腳，它是IC的引腳14。參考穩(wěn)壓器為內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的電源，如脈沖轉(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。該調(diào)節(jié)器還用于驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)控制輸出的誤差放大器。

注：該基準(zhǔn)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。對(duì)于小于7v的輸入電壓，穩(wěn)壓器在輸入電壓1v內(nèi)飽和并跟蹤它。

振蕩器:

振蕩器產(chǎn)生鋸齒波并提供給死區(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(guò)選擇定時(shí)元件RT和CT來(lái)設(shè)定。

振蕩器的頻率可以用下面的公式來(lái)計(jì)算

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我做了一個(gè)電子表格，通過(guò)它你可以很容易地計(jì)算頻率。你可以在下面的鏈接中找到。

注意：振蕩器頻率只在單端應(yīng)用中等于輸出頻率。對(duì)于推挽應(yīng)用，輸出頻率是振蕩器頻率的一半。

死區(qū)控制比較器：

停機(jī)時(shí)間或者簡(jiǎn)單地說(shuō)停機(jī)時(shí)間控制提供最小的停機(jī)時(shí)間或停機(jī)時(shí)間。當(dāng)輸入電壓大于振蕩器的斜坡電壓時(shí)，死區(qū)比較器的輸出將阻塞開(kāi)關(guān)晶體管。對(duì)DTC引腳施加電壓可以施加額外的死區(qū)時(shí)間，從而在輸入電壓從0到3V變化時(shí)提供從最小3%到100%的額外死區(qū)時(shí)間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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。

注意：110 mV的內(nèi)部偏置確保在死區(qū)時(shí)間控制輸入接地的情況下死區(qū)時(shí)間最小為3%。

誤差放大器:

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從-0.3 V到小于VI的2v。兩個(gè)放大器的特性都是單端單電源放大器，因?yàn)槊總€(gè)輸出都是高電平。

輸出控制輸入:

輸出控制輸入決定輸出晶體管是否以并聯(lián)或推挽模式工作。通過(guò)將輸出控制引腳(引腳-13)連接到地，使輸出晶體管處于并聯(lián)工作模式。但是通過(guò)將這個(gè)引腳連接到5V-REF引腳，將輸出晶體管設(shè)置為推挽模式。

輸出晶體管:

該集成電路具有兩個(gè)開(kāi)集電極和開(kāi)發(fā)射極配置的內(nèi)部輸出晶體管，通過(guò)它可以輸出或吸收最大電流達(dá)200mA。

注：晶體管的飽和電壓在共發(fā)射極配置中小于1.3 V，在發(fā)射極-從動(dòng)器配置中小于2.5 V。

構(gòu)建基于TL494的升壓轉(zhuǎn)換器電路所需的組件

包含如下所示的所有部件的表格。在此之前，我們添加了一個(gè)圖像，顯示了該電路中使用的所有組件。由于這個(gè)電路很簡(jiǎn)單，你可以在當(dāng)?shù)氐膼?ài)好商店找到所有必要的部件。

零件清單:

?Tl494 IC - 1

?Irfp250 - 1

?螺釘端子5X2 mm - 2

?1000uF， 35V電容器- 1

?1000uF，63V電容- 1

?50K， 1%電阻- 1

?560R電阻- 1

?10K，1%電阻- 4

?3.3K， 1%電阻- 1

?330R電阻- 1

?0.1uF電容器- 1

?肖特基二極管- 1

?150uH (27 x 11 x 14) mm電感器- 1

?電位器(10K)微調(diào)鍋- 1

?0.22R電流檢測(cè)電阻- 2

?覆層板通用50x 50mm - 1

?PSU散熱器通用- 1

?跳線通用- 15

基于TL494的升壓轉(zhuǎn)換器-原理圖

高效率升壓變換器的電路圖如下所示。

TL494升壓變換器電路-工作

這個(gè)TL494升壓轉(zhuǎn)換器電路由非常容易獲得的組件組成，在本節(jié)中，我們將通過(guò)電路的每個(gè)主要塊并解釋每個(gè)塊。

輸入電容:

輸入電容是用來(lái)滿足MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)閉和電感開(kāi)始充電時(shí)所需的高電流需求的。

反饋和控制回路：

電阻R2和R8為反饋回路設(shè)定控制電壓，設(shè)定電壓連接到TL494 IC的引腳2，反饋電壓連接到標(biāo)有VOLTAGE_FEEDBACK的IC的引腳1。電阻R10和R15設(shè)置電路中的電流限制。

電阻R7和R1形成控制回路，在這種反饋的幫助下，輸出PWM信號(hào)線性變化，沒(méi)有這些反饋電阻，比較器將像一個(gè)通用的比較器電路，它只會(huì)在設(shè)定的電壓下打開(kāi)/關(guān)閉電路。

開(kāi)關(guān)頻率選擇：

通過(guò)在引腳5和6上設(shè)置適當(dāng)?shù)闹担覀兛梢栽O(shè)置該IC的開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們使用了1nF的電容值和10K的電阻值，這給了我們大約100KHz的頻率，通過(guò)使用公式Fosc = 1/(RT * CT)，我們可以計(jì)算振蕩器頻率。除此之外，我們?cè)诒疚那懊嬉呀?jīng)詳細(xì)介紹了其他部分。

基于TL494的升壓轉(zhuǎn)換電路的PCB設(shè)計(jì)

我們的相角控制電路的PCB設(shè)計(jì)在一個(gè)單面板上。我已經(jīng)使用Eagle來(lái)設(shè)計(jì)我的PCB，但你可以使用任何設(shè)計(jì)軟件的選擇。我的板子設(shè)計(jì)的二維圖像如下圖所示。

正如你可以看到在板的底部，我已經(jīng)使用了一個(gè)厚的接地面，以確保足夠的電流可以通過(guò)它。電源輸入在板的左側(cè)，輸出在板的右側(cè)。完整的設(shè)計(jì)文件以及TL494升壓轉(zhuǎn)換器原理圖可以從下面的鏈接下載。

手工制作的電路板:

為了方便起見(jiàn)，我制作了我的手工版PCB，如下所示。我犯了一些錯(cuò)誤，而使這個(gè)PCB，所以我不得不舊一些跳線來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

在構(gòu)建完成后，我的板看起來(lái)像這樣。

TL494升壓變換器的設(shè)計(jì)計(jì)算與構(gòu)造

為了演示這種大電流升壓變換器，電路是在手工PCB上構(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)載連接到此升壓轉(zhuǎn)換器電路的輸出，則大量電流將流過(guò)PCB走線，并且走線有可能燒毀。因此，為了防止PCB走線燒毀，我們盡可能地增加了走線厚度。此外，我們還用一層厚厚的焊料加強(qiáng)了PCB走線，以降低走線電阻。

為了正確計(jì)算電感和電容的值，我使用了德州儀器的一份文件。

在那之后，我做了一個(gè)谷歌電子表格，使計(jì)算更容易。

測(cè)試高壓升壓轉(zhuǎn)換器電路

要測(cè)試電路，使用以下設(shè)置。如您所見(jiàn)，我們使用PC ATX電源作為輸入，因此輸入為12V。我們?cè)陔娐返妮敵龆烁接幸粋€(gè)電壓表和一個(gè)電流表，它們顯示輸出電壓和輸出電流。由此我們可以很容易地計(jì)算出該電路的輸出功率。最后，我們使用8個(gè)4.7R 10W功率電阻串聯(lián)作為負(fù)載來(lái)測(cè)試電流消耗。

用于測(cè)試電路的工具：

1.12V PC ATX電源

2.具有6-0-6抽頭和12-0-12抽頭的變壓器

3.8個(gè)串聯(lián)的10W 4.7R電阻-作為負(fù)載

4.Meco 108B+TRMS萬(wàn)用表

5.Meco 450B+TRMS萬(wàn)用表

6.一把螺絲刀

大功率升壓變換器電路輸出功耗：

如上圖所示，輸出電壓為44.53V，輸出電流為2.839A，因此總輸出功率為126.42W，因此可以看出，該電路可以輕松處理100w以上的功率。

進(jìn)一步增強(qiáng)

此TL494升壓轉(zhuǎn)換器電路僅用于演示目的，因此在電路的輸入或輸出部分沒(méi)有添加保護(hù)電路。因此，為了增強(qiáng)保護(hù)功能，您還可以添加，也因?yàn)槲沂褂肐RFP250 MOSFET，可以進(jìn)一步增強(qiáng)輸出功率，我們電路中的限制因素是電感。更大的電感芯將增加其輸出容量。

本文編譯自circuitdigest