基于TL494的大功率高效升壓變換器的設計

時間：2024-12-07 16:28:43

關鍵字： TL494 升壓轉換器 DC-DC型開關變換器

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導讀]在使用電子產(chǎn)品時，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換器(升壓轉換器)的電路的情況。升壓變換器是一種DC-DC型開關變換器，它在保持恒定功率平衡的同時提高電壓。升壓轉換器的主要特點是效率，這意味著我們可以期待更長的電池壽命和更少的熱量問題。我們之前制作了一個簡單的升壓變換器電路，并說明了其基本設計效率。

在使用電子產(chǎn)品時，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換器(升壓轉換器)的電路的情況。升壓變換器是一種DC-DC型開關變換器，它在保持恒定功率平衡的同時提高電壓。升壓轉換器的主要特點是效率，這意味著我們可以期待更長的電池壽命和更少的熱量問題。我們之前制作了一個簡單的升壓變換器電路，并說明了其基本設計效率。

因此，在本文中，我們將設計一個TL494升壓轉換器，并計算和測試一個基于流行的TL494 IC的高效升壓轉換器電路，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作為開關，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，將有一個詳細的視頻顯示電路的工作和測試部分，所以沒有更多的麻煩，讓我們開始吧。

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，第一個條件解釋了當MOSFET打開時發(fā)生的情況，第二個條件解釋了當MOSFET關閉時發(fā)生的情況。

當MOSFET打開時會發(fā)生什么：

上圖顯示了當MOSFET開啟時電路的狀態(tài)。正如你所認識到的，我們已經(jīng)用虛線顯示了ON條件，當MOSFET保持ON狀態(tài)時，電感開始充電，通過電感的電流不斷增加，以磁場的形式存儲。

當MOSFET關閉時會發(fā)生什么：

現(xiàn)在，你可能知道，通過電感器的電流不能瞬間改變!這是因為它以磁場的形式存儲。因此，在MOSFET關斷的瞬間，磁場開始崩塌，電流向與充電電流相反的方向流動。正如你可以在上面的圖表中看到的，這開始給電容器充電。

現(xiàn)在，通過連續(xù)地使開關(MOSFET)接通和關閉，我們已經(jīng)創(chuàng)建了大于輸入電壓的輸出電壓。現(xiàn)在，我們可以通過控制開關的通斷時間來控制輸出電壓，這就是我們在主電路中所做的。

了解TL494的工作原理

現(xiàn)在，在我們去構建基于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個功能模塊，如下所示和描述。

5-V參考穩(wěn)壓器：

5V內部參考穩(wěn)壓器輸出是REF引腳，它是IC的引腳14。參考穩(wěn)壓器為內部電路提供穩(wěn)定的電源，如脈沖轉向觸發(fā)器、振蕩器、死區(qū)時間控制比較器和PWM比較器。該調節(jié)器還用于驅動負責控制輸出的誤差放大器。

注：該基準內部編程為±5%的初始精度，并在7V至40v的輸入電壓范圍內保持穩(wěn)定。對于小于7v的輸入電壓，穩(wěn)壓器在輸入電壓1v內飽和并跟蹤它。

振蕩器:

振蕩器產(chǎn)生鋸齒波并提供給死區(qū)時間控制器和用于各種控制信號的PWM比較器。

振蕩器的頻率可以通過選擇定時元件RT和CT來設定。

振蕩器的頻率可以用下面的公式來計算

為了簡單起見，我做了一個電子表格，通過它你可以很容易地計算頻率。你可以在下面的鏈接中找到。

注意：振蕩器頻率只在單端應用中等于輸出頻率。對于推挽應用，輸出頻率是振蕩器頻率的一半。

死區(qū)控制比較器：

停機時間或者簡單地說停機時間控制提供最小的停機時間或停機時間。當輸入電壓大于振蕩器的斜坡電壓時，死區(qū)比較器的輸出將阻塞開關晶體管。對DTC引腳施加電壓可以施加額外的死區(qū)時間，從而在輸入電壓從0到3V變化時提供從最小3%到100%的額外死區(qū)時間。簡單來說，我們可以在不調整誤差放大器的情況下改變輸出波的占空比。

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

誤差放大器:

兩個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。兩個放大器的特性都是單端單電源放大器，因為每個輸出都是高電平。

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。但是通過將這個引腳連接到5V-REF引腳，將輸出晶體管設置為推挽模式。

輸出晶體管:

該集成電路具有兩個開集電極和開發(fā)射極配置的內部輸出晶體管，通過它可以輸出或吸收最大電流達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-從動器配置中小于2.5 V。

構建基于TL494的升壓轉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，我們添加了一個圖像，顯示了該電路中使用的所有組件。由于這個電路很簡單，你可以在當?shù)氐膼酆蒙痰暾业剿斜匾牟考?

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)微調鍋- 1

?0.22R電流檢測電阻- 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TL494升壓轉換器電路由非常容易獲得的組件組成，在本節(jié)中，我們將通過電路的每個主要塊并解釋每個塊。

輸入電容:

輸入電容是用來滿足MOSFET開關關閉和電感開始充電時所需的高電流需求的。

反饋和控制回路：

電阻R2和R8為反饋回路設定控制電壓，設定電壓連接到TL494 IC的引腳2，反饋電壓連接到標有VOLTAGE_FEEDBACK的IC的引腳1。電阻R10和R15設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信號線性變化，沒有這些反饋電阻，比較器將像一個通用的比較器電路，它只會在設定的電壓下打開/關閉電路。

開關頻率選擇：

通過在引腳5和6上設置適當?shù)闹?，我們可以設置該IC的開關頻率，對于這個項目，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，通過使用公式Fosc = 1/(RT * CT)，我們可以計算振蕩器頻率。除此之外，我們在本文前面已經(jīng)詳細介紹了其他部分。

基于TL494的升壓轉換電路的PCB設計

我們的相角控制電路的PCB設計在一個單面板上。我已經(jīng)使用Eagle來設計我的PCB，但你可以使用任何設計軟件的選擇。我的板子設計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)使用了一個厚的接地面，以確保足夠的電流可以通過它。電源輸入在板的左側，輸出在板的右側。完整的設計文件以及TL494升壓轉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，我制作了我的手工版PCB，如下所示。我犯了一些錯誤，而使這個PCB，所以我不得不舊一些跳線來解決這個問題。

在構建完成后，我的板看起來像這樣。

TL494升壓變換器的設計計算與構造

為了演示這種大電流升壓變換器，電路是在手工PCB上構建的，并借助原理圖和PCB設計文件[Gerber文件];請注意，如果您將大負載連接到此升壓轉換器電路的輸出，則大量電流將流過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了PCB走線，以降低走線電阻。

為了正確計算電感和電容的值，我使用了德州儀器的一份文件。