Thiết kế bộ chuyển đổi công suất cao, hiệu suất cao sử dụng tl494

Trong khi làm việc với thiết bị điện tử, chúng ta thường thấy mình trong các tình huống cần tăng điện áp đầu ra trong khi điện áp đầu vào vẫn ở mức thấp, đây là một dạng tình huống mà chúng ta có thể dựa vào một mạch thường được gọi là bộ chuyển đổi tăng áp (bộ chuyển đổi bước lên). Bộ chuyển đổi tăng áp là bộ chuyển đổi chuyển đổi loại DC-DC giúp tăng điện áp trong khi duy trì sự cân bằng công suất không đổi. Tính năng chính của bộ chuyển đổi tăng cường là hiệu quả, có nghĩa là chúng ta có thể mong đợi tuổi thọ pin dài và giảm các vấn đề về nhiệt. Trước đây chúng tôi đã làm một mạch chuyển đổi tăng đơn giản và giải thích hiệu quả thiết kế cơ bản của nó.

Vì vậy, trong bài viết này, chúng tôi sẽ thiết kế một bộ chuyển đổi Tăng cường TL494 , đồng thời tính toán và kiểm tra mạch chuyển đổi tăng hiệu suất cao dựa trên IC TL494 phổ biến, có điện áp cung cấp tối thiểu là 7V và tối đa là 40V, và chúng tôi đang sử dụng IRFP250 MOSFET làm công tắc, mạch này có thể xử lý dòng điện tối đa là 19Amps, về mặt lý thuyết (Giới hạn bởi Công suất cuộn cảm). Cuối cùng, sẽ có một video chi tiết hiển thị phần làm việc và thử nghiệm của mạch, vì vậy bạn không cần phải lo lắng gì thêm, hãy bắt đầu.

Hiểu nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi tăng cường

Hình trên mô tả sơ đồ cơ bản của mạch chuyển đổi tăng áp. Để phân tích nguyên lý hoạt động của mạch này, chúng ta sẽ chia nó thành hai phần, điều kiện đầu tiên giải thích điều gì xảy ra khi MOSFET BẬT, điều kiện thứ hai giải thích điều gì xảy ra khi MOSFET tắt.

Điều gì xảy ra khi MOSFET BẬT:

Hình ảnh trên cho thấy điều kiện của mạch khi MOSFET được bật. Như bạn có thể nhận ra, chúng tôi đã hiển thị điều kiện BẬT với sự trợ giúp của một đường đứt nét, khi MOSFET vẫn bật, cuộn cảm bắt đầu sạc, dòng điện qua cuộn cảm tiếp tục tăng, được lưu trữ dưới dạng từ trường.

Điều gì xảy ra khi MOSFET tắt:

Bây giờ, như bạn có thể biết, dòng điện qua cuộn cảm không thể thay đổi ngay lập tức! Đó là bởi vì nó được lưu trữ dưới dạng từ trường. Do đó, thời điểm, MOSFET tắt, từ trường bắt đầu suy giảm và dòng điện chạy theo hướng ngược lại với dòng điện nạp. Như bạn có thể thấy trong sơ đồ trên, điều này bắt đầu sạc tụ điện.

Bây giờ, bằng cách liên tục bật và tắt công tắc (MOSFET), chúng tôi đã tạo ra điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Bây giờ, chúng ta có thể kiểm soát điện áp đầu ra bằng cách điều khiển thời gian bật và tắt của công tắc, và đó là những gì chúng ta đang làm trong mạch chính.

Hiểu hoạt động của TL494

Bây giờ trước khi chúng ta xây dựng mạch dựa trên bộ điều khiển PWM TL494, chúng ta hãy tìm hiểu cách bộ điều khiển PWM TL494 hoạt động. IC TL494 có 8 khối chức năng, được trình bày và mô tả bên dưới.

Bộ điều chỉnh tham chiếu 5-V:

Đầu ra bộ điều chỉnh tham chiếu bên trong 5V là chân REF, là chân 14 của IC. Bộ điều chỉnh tham chiếu ở đó để cung cấp nguồn cung cấp ổn định cho mạch bên trong như flip-flop điều khiển xung, bộ dao động, bộ so sánh điều khiển thời gian chết và bộ so sánh PWM. Bộ điều chỉnh cũng được sử dụng để điều khiển bộ khuếch đại lỗi chịu trách nhiệm kiểm soát đầu ra.

Lưu ý: Tham chiếu được lập trình nội bộ với độ chính xác ban đầu là ± 5% và duy trì sự ổn định trong dải điện áp đầu vào từ 7V đến 40 V. Đối với điện áp đầu vào nhỏ hơn 7 V, bộ điều chỉnh bão hòa trong vòng 1 V so với đầu vào và theo dõi nó.

Bộ tạo dao động:

Bộ dao động tạo và cung cấp sóng răng cưa cho bộ điều khiển thời gian chết và bộ so sánh PWM cho các tín hiệu điều khiển khác nhau.

Tần số của bộ dao động có thể được thiết lập bằng cách chọn thành phần thời gian R T và C T.

Tần số của bộ dao động có thể được tính theo công thức dưới đây-

Fosc = 1 / (RT * CT)

Để đơn giản, tôi đã tạo một bảng tính, qua đó bạn có thể tính toán tần suất rất dễ dàng. Bạn có thể tìm thấy trong liên kết bên dưới.

Lưu ý: Tần số bộ dao động bằng tần số đầu ra chỉ dành cho các ứng dụng một đầu. Đối với các ứng dụng push-pull, tần số đầu ra bằng một nửa tần số dao động.

Bộ so sánh kiểm soát thời gian chết:

Thời gian chết hay nói một cách đơn giản là kiểm soát thời gian tắt cung cấp thời gian chết hoặc thời gian tắt tối thiểu. Đầu ra của bộ so sánh thời gian chết chặn các bóng bán dẫn chuyển mạch khi điện áp ở đầu vào lớn hơn điện áp dốc của bộ dao động. Việc áp dụng điện áp vào chân DTC có thể áp đặt thêm thời gian chết, do đó cung cấp thêm thời gian chết từ tối thiểu 3% đến 100% khi điện áp đầu vào thay đổi từ 0 đến 3V. Nói một cách dễ hiểu, chúng ta có thể thay đổi Duty cycle của sóng đầu ra mà không cần điều chỉnh các bộ khuếch đại lỗi.

Lưu ý: Độ lệch bên trong 110 mV đảm bảo thời gian chết tối thiểu là 3% với đầu vào điều khiển thời gian chết được nối đất.

Bộ khuếch đại lỗi:

Cả hai bộ khuếch đại lỗi độ lợi cao đều nhận được sai lệch của chúng từ đường cung cấp VI. Điều này cho phép dải điện áp đầu vào chế độ chung từ –0,3 V đến 2 V nhỏ hơn VI. Cả hai bộ khuếch đại đều hoạt động theo đặc trưng của bộ khuếch đại nguồn đơn một đầu, trong đó, mỗi đầu ra chỉ hoạt động ở mức cao.

Đầu vào kiểm soát đầu ra:

Đầu vào điều khiển đầu ra xác định xem các bóng bán dẫn đầu ra hoạt động ở chế độ song song hoặc đẩy kéo. Bằng cách kết nối chân điều khiển đầu ra là chân 13 với mặt đất đặt các bóng bán dẫn đầu ra ở chế độ hoạt động song song. Nhưng bằng cách kết nối chân này với chân 5V-REF đặt các bóng bán dẫn đầu ra ở chế độ đẩy-kéo.

Bóng bán dẫn đầu ra:

IC có hai bóng bán dẫn đầu ra bên trong ở cấu hình bộ thu mở và bộ phát mở, nhờ đó nó có thể tạo nguồn hoặc giảm dòng điện tối đa lên đến 200mA.

Lưu ý: Các bóng bán dẫn có điện áp bão hòa nhỏ hơn 1,3 V trong cấu hình bộ phát chung và nhỏ hơn 2,5 V trong cấu hình bộ phát theo bộ phát.

Các thành phần cần thiết để xây dựng Mạch chuyển đổi tăng cường dựa trên TL494

Một bảng chứa tất cả các phần được hiển thị bên dưới. Trước đó, chúng tôi đã thêm một hình ảnh hiển thị tất cả các thành phần được sử dụng trong mạch này. Vì mạch này đơn giản, bạn có thể tìm thấy tất cả các bộ phận cần thiết tại cửa hàng sở thích tại địa phương của bạn.

Danh sách các bộ phận:

1. IC TL494 - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Đầu vít 5X2 mm - 2
4. Tụ 1000uF, 35V - 1
5. Tụ 1000uF, 63V - 1
6. 50K, 1% điện trở - 1
7. Điện trở 560R - 1
8. 10K, 1% điện trở - 4
9. Điện trở 3,3K, 1% - 1
10. Điện trở 330R - 1
11. Tụ điện 0,1uF - 1
12. MBR20100CT Schottky Diode - 1
13. 150uH (27 x 11 x 14) mm Cuộn cảm - 1
14. Chiết áp (10K) Trim Pot - 1
15. Điện trở cảm nhận hiện tại 0,22R - 2
16. Bảng ốp Chung 50x 50mm - 1
17. PSU Heat Sink Generic - 1
18. Jumper Wires Chung - 15

Bộ chuyển đổi tăng cường dựa trên TL494 - Sơ đồ

Sơ đồ mạch cho Bộ chuyển đổi Tăng cường Hiệu quả Cao được đưa ra dưới đây.

Mạch chuyển đổi tăng cường TL494 - Hoạt động

Đây TL494 Boost Chuyển đổi mạch được tạo thành từ các thành phần mà rất dễ dàng có thể đạt được, và trong phần này, chúng ta sẽ đi qua tất cả các khối lớn của mạch và giải thích tất cả các khối.

Tụ điện đầu vào:

Tụ điện đầu vào ở đó để phục vụ nhu cầu dòng điện cao được yêu cầu khi công tắc MOSFET đóng và cuộn cảm bắt đầu sạc.

Vòng lặp phản hồi và điều khiển:

Điện trở R2 và R8 đặt điện áp điều khiển cho vòng phản hồi, điện áp đặt được nối với chân 2 của IC TL494, và điện áp phản hồi được kết nối với chân một trong các IC có nhãn là VOLTAGE_FEEDBACK . Các điện trở R10 và R15 đặt giới hạn dòng điện trong mạch.

Các điện trở R7 và R1 tạo thành vòng điều khiển, với sự trợ giúp của phản hồi này, tín hiệu PWM đầu ra thay đổi tuyến tính, nếu không có các điện trở phản hồi này, bộ so sánh sẽ hoạt động giống như một mạch so sánh chung sẽ chỉ bật / tắt mạch ở một điện áp đặt.

Lựa chọn tần số chuyển mạch:

Bằng cách đặt các giá trị thích hợp cho các chân 5 và 6, chúng ta có thể đặt tần số chuyển mạch của IC này, đối với dự án này, chúng tôi đã sử dụng giá trị tụ điện là 1nF và giá trị điện trở là 10K, cung cấp cho chúng tôi tần số xấp xỉ 100KHz, bằng cách sử dụng công thức Fosc = 1 / (RT * CT) , chúng ta có thể tính tần số dao động. Ngoài ra, chúng tôi đã trình bày chi tiết các phần khác trước đó trong bài viết.

Thiết kế PCB cho mạch chuyển đổi tăng cường dựa trên TL494

PCB cho mạch Điều khiển góc pha của chúng tôi được thiết kế trong một bảng một mặt. Tôi đã sử dụng Eagle để thiết kế PCB của mình nhưng bạn có thể sử dụng bất kỳ phần mềm Thiết kế nào mà bạn chọn. Hình ảnh 2D của thiết kế bảng của tôi được hiển thị bên dưới.

Như bạn có thể thấy ở mặt dưới của bảng, tôi đã sử dụng một mặt phẳng nền dày để đảm bảo đủ dòng điện có thể chạy qua nó. Đầu vào nguồn nằm ở bên trái của bảng và đầu ra ở bên phải của bảng. Tệp thiết kế hoàn chỉnh cùng với sơ đồ bộ chuyển đổi TL494 Boost có thể được tải xuống từ liên kết bên dưới.

• Tải xuống tệp GERBER thiết kế PCB cho Mạch chuyển đổi tăng cường dựa trên TL494

PCB thủ công:

Để thuận tiện, tôi đã làm phiên bản PCB thủ công của mình và nó được hiển thị bên dưới. Tôi đã mắc một số lỗi trong khi tạo PCB này vì vậy tôi phải làm cũ một số dây jumper để khắc phục điều đó.

Bảng của tôi trông như thế này sau khi xây dựng xong.

TL494 Boost Converter Tính toán và xây dựng thiết kế

Để trình diễn bộ chuyển đổi tăng cường dòng điện cao này, mạch được xây dựng bằng PCB thủ công, với sự trợ giúp của các tệp thiết kế sơ đồ và PCB; xin lưu ý rằng nếu bạn đang kết nối một tải lớn với đầu ra của mạch chuyển đổi tăng cường này, một lượng lớn dòng điện sẽ chạy qua các dấu vết PCB và có khả năng các dấu vết sẽ bị cháy hết. Vì vậy, để ngăn các dấu vết PCB bị cháy hết, chúng tôi đã tăng độ dày vết càng nhiều càng tốt. Ngoài ra, chúng tôi đã gia cố các vết PCB bằng một lớp hàn dày để giảm điện trở vết.

Để tính toán đúng các giá trị của cuộn cảm và tụ điện, tôi đã sử dụng một tài liệu từ Texas tools.

Sau đó, mình đã lập bảng tính google để việc tính toán dễ dàng hơn.

Kiểm tra mạch chuyển đổi điện áp cao này

Để kiểm tra mạch, thiết lập sau được sử dụng. Như bạn có thể thấy, chúng tôi đã sử dụng bộ nguồn PC ATX làm đầu vào, vì vậy đầu vào là 12V. Chúng tôi đã mắc một vôn kế và một ampe kế vào đầu ra của đoạn mạch cho biết điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra. Từ đó ta có thể dễ dàng tính toán công suất đầu ra cho mạch này. Cuối cùng, chúng tôi đã sử dụng tám điện trở công suất 4,7R 10W mắc nối tiếp làm tải để kiểm tra mức tiêu thụ hiện tại.

Dụng cụ dùng để kiểm tra mạch:

1. Nguồn điện 12V PC ATX
2. Một máy biến áp có một vòi 6-0-6 và một vòi 12-0-12
3. Điện trở 8, 10W 4,7R trong Series - Hoạt động như tải
4. Đồng hồ vạn năng Meco 108B + TRMS
5. Đồng hồ vạn năng Meco 450B + TRMS
6. Tuốc nơ vít

Mức tiêu thụ điện đầu ra của mạch chuyển đổi công suất cao:

Như bạn thấy trong hình trên, điện áp đầu ra là 44,53V và dòng điện đầu ra là 2,839A, do đó tổng công suất đầu ra trở thành 126,42W, như bạn thấy, mạch này có thể dễ dàng xử lý công suất hơn 100Watts.

Cải tiến hơn nữa

Mạch Bộ chuyển đổi Tăng cường TL494 này chỉ dành cho mục đích trình diễn, do đó không có mạch bảo vệ nào được thêm vào trong phần đầu vào hoặc đầu ra của mạch. Vì vậy, để nâng cao tính năng bảo vệ, bạn cũng có thể thêm, cũng như tôi đang sử dụng IRFP250 MOSFET, công suất đầu ra có thể được tăng cường hơn nữa, yếu tố hạn chế trong mạch của chúng tôi là cuộn cảm. Một lõi lớn hơn cho cuộn cảm sẽ tăng công suất đầu ra của nó.

Tôi hy vọng bạn thích bài viết này và học được điều gì đó mới từ nó. Nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ nào, bạn có thể hỏi trong phần bình luận bên dưới hoặc có thể sử dụng diễn đàn của chúng tôi để thảo luận chi tiết.