Hoogvermogen, hoog rendement buck-convertercircuit met TL494

Een buck-converter (step-down-omzetter) is een DC-naar-DC-schakelomvormer die de spanning verlaagt met behoud van een constante vermogensbalans. Het belangrijkste kenmerk van een buck-converter is efficiëntie, wat betekent dat we met een buck-converter aan boord een langere levensduur van de batterij, minder warmte, kleinere afmetingen en verbeterde efficiëntie kunnen verwachten. We hebben eerder een paar eenvoudige Buck-convertercircuits gemaakt en de basisprincipes en ontwerpefficiëntie uitgelegd.

Dus in dit artikel gaan we een high-efficiency buck-convertercircuit ontwerpen, berekenen en testen op basis van de populaire TL494 IC en eindelijk zal er een gedetailleerde video zijn die het werk- en testgedeelte van het circuit laat zien, dus zonder verder, laten we beginnen.

Hoe werkt een Buck Converter?

De bovenstaande afbeelding toont een zeer eenvoudig buck-convertercircuit. Om te weten hoe een buck-converter werkt, ga ik het circuit in twee voorwaarden verdelen. De eerste voorwaarde wanneer de transistor AAN is, de volgende voorwaarde wanneer de transistor UIT is.

Transistor Aan staat

In dit scenario kunnen we zien dat de diode zich in een open circuit bevindt omdat deze zich in de omgekeerde toestand bevindt. In deze situatie zal er een beginstroom door de belasting gaan stromen, maar de stroom wordt beperkt door de inductor, dus de inductor begint ook geleidelijk op te laden. Daarom bouwt de condensator tijdens de aan-tijd van het circuit de laadcyclus per cyclus op, en deze spanning reflecteert over de belasting.

Transistor uit staat

Wanneer de transistor in een uit-toestand is, stort de energie opgeslagen in de inductor L1 in en stroomt terug door de diode D1 zoals weergegeven in het circuit met de pijlen. In deze situatie is de spanning over de inductor in omgekeerde polariteit en dus is de diode in voorwaartse voorspanning. Nu door het instortende magnetische veld van de inductor, blijft de stroom door de belasting stromen totdat de inductor leeg raakt. Dit alles gebeurt terwijl de transistor is uitgeschakeld.

Na een bepaalde periode waarin de inductor bijna geen energie meer heeft, begint de belastingsspanning weer te dalen, in deze situatie wordt de condensator C1 de belangrijkste stroombron, de condensator is er om de stroom te laten stromen totdat de volgende cyclus begint nog een keer.

Door nu de schakelfrequentie en de schakeltijd te variëren, kunnen we elke output van de 0 naar Vin van een buck-converter krijgen.

IC TL494

Laten we, voordat we een TL494 buck-converter gaan bouwen, eens kijken hoe de PWM-controller TL494 werkt.

De TL494 IC heeft 8 functionele blokken, die hieronder worden weergegeven en beschreven.

1. 5-V referentieregelaar

De 5V interne referentieregelaaruitgang is de REF-pin, die pin-14 van de IC is. De referentieregelaar is er om een stabiele voeding te bieden voor interne schakelingen zoals de pulssturende flip-flop, oscillator, dode-tijdregelcomparator en PWM-comparator. De regelaar wordt ook gebruikt om de foutversterkers aan te sturen die verantwoordelijk zijn voor het regelen van de output.

Notitie! De referentie is intern geprogrammeerd met een initiële nauwkeurigheid van ± 5% en behoudt de stabiliteit over een ingangsspanningsbereik van 7 V tot 40 V. Voor ingangsspanningen van minder dan 7 V verzadigt de regelaar binnen 1 V van de ingang en volgt deze.

2. Oscillator

De oscillator genereert en levert een zaagtandgolf aan de dode-tijdcontroller en de PWM-comparatoren voor verschillende besturingssignalen.

De frequentie van de oscillator kan worden ingesteld door de timingcomponenten R T en C T te selecteren.

De frequentie van de oscillator kan worden berekend met de onderstaande formule

Fosc = 1 / (RT * CT)

Voor de eenvoud heb ik een spreadsheet gemaakt, waarmee je heel gemakkelijk de frequentie kunt berekenen.

Notitie! De oscillatorfrequentie is alleen gelijk aan de uitgangsfrequentie voor toepassingen met één uiteinde. Voor push-pull-toepassingen is de uitgangsfrequentie de helft van de oscillatorfrequentie.

3. Controlevergelijker voor dode tijd

De dode tijd of simpelweg uitschakeltijdregeling biedt de minimale dode tijd of uit-tijd. De uitgang van de dode-tijdvergelijker blokkeert schakeltransistors wanneer de spanning aan de ingang groter is dan de hellingsspanning van de oscillator. Het toepassen van een spanning op de DTC- pin kan extra dode tijd veroorzaken, waardoor een extra dode tijd wordt geboden van het minimum van 3% tot 100%, aangezien de ingangsspanning varieert van 0 tot 3V. In eenvoudige bewoordingen kunnen we de werkcyclus van de uitgangsgolf wijzigen zonder de foutversterkers aan te passen.

Notitie! Een interne offset van 110 mV zorgt voor een minimale dode tijd van 3% met de dode tijd stuuringang geaard.

4. Foutversterkers

Beide versterkers met hoge versterking krijgen hun voorspanning van de VI-voedingsrail. Dit maakt een common-mode ingangsspanningsbereik mogelijk van –0,3 V tot 2 V minder dan VI. Beide versterkers gedragen zich kenmerkend voor een versterker met enkelvoudige voeding, doordat elke uitgang alleen actief hoog is.

5. Output-stuuringang

De output-control input bepaalt of de output transistors parallel of push-pull werken. Door de uitgangsbesturingspen die pen-13 is aan te sluiten op aarde, worden de uitgangstransistors in parallelle werkingsmodus gezet. Maar door deze pin aan te sluiten op de 5V-REF-pin, worden de uitgangstransistors in push-pull-modus gezet.

6. Uitgangstransistors

Het IC heeft twee interne uitgangstransistors in open-collector- en open-emitter-configuraties, waarmee het een maximale stroom tot 200mA kan genereren of afvoeren.

Notitie! De transistors hebben een verzadigingsspanning van minder dan 1,3 V in de common-emitter-configuratie en minder dan 2,5 V in de emitter-follower-configuratie.

Kenmerken van TL494 IC

Compleet PWM Power-Control-circuit
Niet-toegewezen uitgangen voor 200 mA gootsteen of bronstroom
Uitgangsregeling Selecteert enkelzijdige of push-pull bediening
Interne schakelingen verhinderen dubbele puls aan beide uitgangen
Variabele dode tijd biedt controle over het totale bereik
Interne regelaar zorgt voor een stabiele 5-V
Referentielevering met 5% tolerantie
Circuitarchitectuur maakt eenvoudige synchronisatie mogelijk

Notitie! Het grootste deel van de interne schematische en operationele beschrijving is overgenomen uit het gegevensblad en tot op zekere hoogte aangepast voor een beter begrip.

Componenten vereist

TL494 IC - 1
TIP2955 Transistor - 1
Schroefklem 5mmx2 - 2
1000uF, 60V condensator - 1
470uF, 60V condensator - 1
50K, 1% weerstand - 1
560R-weerstand - 1
10K, 1% weerstand - 4
3.3K, 1% weerstand - 2
330R-weerstand - 1
0.22uF Condensator - 1
5.6K, 1W weerstand - 1
12.1V zenerdiode - 1
MBR20100CT Schottky-diode - 1
70uH (27 x 11 x 14) mm spoel - 1
Potentiometer (10K) Trim-Pot - 1
0.22R stroomdetectieweerstand - 2
Beklede plaat Generiek 50x 50 mm - 1
PSU-koellichaam algemeen - 1
Doorverbindingskabels algemeen - 15

Schematisch diagram

Het schakelschema voor High-Efficiency Buck Converter wordt hieronder gegeven.

Circuit constructie

Voor deze demonstratie van deze high-current buck-converter is het circuit geconstrueerd in handgemaakte PCB's, met behulp van de schematische en PCB-ontwerpbestanden; Houd er rekening mee dat als u een grote belasting aansluit op de output buck-converter, er een enorme hoeveelheid stroom door de PCB-sporen zal vloeien en de kans bestaat dat de sporen doorbranden. Om te voorkomen dat de PCB-sporen doorbranden, heb ik enkele jumpers toegevoegd die helpen om de stroom te vergroten. Ook heb ik de PCB-sporen versterkt met een dikke laag soldeer om de sporenweerstand te verlagen.

De inductor is geconstrueerd met 3 strengen parallelle geëmailleerde koperdraad van 0,45 m2.

Berekeningen

Om de waarden van de inductor en condensator goed te berekenen, heb ik een document van Texas Instruments gebruikt.

Daarna heb ik een Google-spreadsheet gemaakt om de berekening gemakkelijker te maken

Testen van deze hoogspanningsverlagingsomvormer

Om het circuit te testen wordt de volgende opstelling gebruikt. Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding, is de ingangsspanning 41,17 V en de nullaststroom is 0,015 A, waardoor het onbelaste vermogen minder dan 0,6 W bedraagt.

Voordat een van jullie springt en zegt wat een schaal van de weerstand doet in mijn testtafel.

Laat me je vertellen, de weerstanden worden erg heet tijdens het testen van het circuit met volledige belasting, dus ik heb een kom met water klaargemaakt om te voorkomen dat mijn werktafel verbrandt

Hulpmiddelen die worden gebruikt om het circuit te testen

12V-loodzuuraccu.
Een transformator met een 6-0-6 tap en een 12-0-12 tap
5 10W 10r Weerstand parallel als belasting
Meco 108B + TRMS-multimeter
Meco 450B + TRMS-multimeter
Hantek 6022BE Oscilloscoop

Ingangsvermogen voor krachtige buck-converter

Zoals je kunt zien op de bovenstaande afbeelding, daalt de ingangsspanning naar 27,45 V in belastingstoestand en is de ingangsstroom 3,022 A wat gelijk is aan een ingangsvermogen van 82,9539 W.

Uitgangsvermogen

Zoals je op de bovenstaande afbeelding kunt zien, is de uitgangsspanning 12,78 V en de uitgangsstroom van 5,614 A, wat overeenkomt met een opgenomen vermogen van 71,6958 W.

Dus de efficiëntie van het circuit wordt (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%

Het verlies in het circuit is te wijten aan de weerstanden voor het voeden van de TL494 IC en

Absoluut maximale stroomafname in mijn testtafel

Uit de bovenstaande afbeelding is te zien dat de maximale stroomafname van het circuit 6,96 A is, het is bijna

In deze situatie is het belangrijkste knelpunt van het systeem mijn transformator, daarom kan ik de laadstroom niet verhogen, maar met dit ontwerp en met een goed koellichaam kun je gemakkelijk meer dan 10A stroom uit dit circuit halen.

Notitie! Iedereen die zich afvraagt waarom ik een enorme warmteafleider in het circuit heb aangesloten, laat me je vertellen op dit moment dat ik geen kleinere warmteafleider in mijn voorraad heb.

Verdere verbeteringen

Dit TL494 buck-convertercircuit is alleen voor demonstratiedoeleinden, daarom is er geen beveiligingscircuit toegevoegd in het uitgangsgedeelte van het circuit

Er moet een uitgangsbeveiligingscircuit worden toegevoegd om het belastingscircuit te beschermen.
De inductor moet in vernis worden ondergedompeld, anders genereert hij hoorbare ruis.
Een printplaat van goede kwaliteit met een goed ontwerp is verplicht
De schakeltransistor kan worden aangepast om de belastingsstroom te verhogen

Ik hoop dat je dit artikel leuk vond en er iets nieuws van hebt geleerd. Als u twijfelt, kunt u dit in de onderstaande opmerkingen stellen of onze forums gebruiken voor een gedetailleerde discussie.