Progettazione di un convertitore boost ad alta potenza e alta efficienza utilizzando tl494

Mentre lavoriamo con l'elettronica, ci troviamo spesso in situazioni in cui diventa necessario aumentare la tensione di uscita mentre la tensione di ingresso rimane bassa, questo è un tipo di situazione in cui possiamo fare affidamento su un circuito che è comunemente noto come convertitore boost (convertitore step-up). Un convertitore boost è un convertitore a commutazione di tipo CC-CC che aumenta la tensione mantenendo un equilibrio di potenza costante. La caratteristica principale di un convertitore boost è l'efficienza, il che significa che possiamo aspettarci una lunga durata della batteria e problemi di calore ridotti. In precedenza abbiamo realizzato un semplice circuito convertitore boost e spiegato la sua efficienza di progettazione di base.

Quindi, in questo articolo, progetteremo un convertitore Boost TL494 e calcoleremo e testeremo un circuito convertitore boost ad alta efficienza basato sul popolare IC TL494, che ha una tensione di alimentazione minima di 7 V e un massimo di 40 V, e come stiamo usando il MOSFET IRFP250 come interruttore, questo circuito può gestire una corrente massima di 19Amps, teoricamente (limitato dalla capacità dell'induttore). Infine, ci sarà un video dettagliato che mostra la parte di lavoro e di test del circuito, quindi senza ulteriori indugi, iniziamo.

Comprensione del principio di funzionamento del convertitore boost

La figura sopra mostra lo schema di base del circuito del convertitore boost. Per analizzare il principio di funzionamento di questo circuito, lo divideremo in due parti, la prima condizione spiega cosa succede quando il MOSFET è acceso, la seconda condizione spiega cosa succede quando il MOSFET è spento.

Cosa succede quando il MOSFET è acceso:

L'immagine sopra mostra la condizione del circuito quando il MOSFET è acceso. Come puoi riconoscere, abbiamo mostrato la condizione ON con l'aiuto di una linea tratteggiata, mentre il MOSFET rimane acceso, l'induttore inizia a caricarsi, la corrente attraverso l'induttore continua ad aumentare, che viene immagazzinata sotto forma di un campo magnetico.

Cosa succede quando il MOSFET è spento:

Ora, come forse saprai, la corrente attraverso un induttore non può cambiare istantaneamente! Questo perché è immagazzinato sotto forma di un campo magnetico. Pertanto, nel momento in cui il MOSFET si spegne, il campo magnetico inizia a collassare e la corrente scorre nella direzione opposta alla corrente di carica. Come puoi vedere nel diagramma sopra, questo inizia a caricare il condensatore.

Ora, attivando e disattivando continuamente l'interruttore (MOSFET), abbiamo creato una tensione di uscita maggiore della tensione di ingresso. Ora, possiamo controllare la tensione di uscita controllando i tempi di accensione e spegnimento dell'interruttore, ed è quello che stiamo facendo nel circuito principale.

Comprendere il funzionamento del TL494

Ora, prima di andare a costruire il circuito basato sul controller PWM TL494, impariamo come funziona il controller PWM TL494. L'IC TL494 ha 8 blocchi funzionali, che sono mostrati e descritti di seguito.

Regolatore di riferimento a 5 V:

L'uscita del regolatore di riferimento interno a 5 V è il pin REF, che è il pin 14 dell'IC. Il regolatore di riferimento è lì per fornire un'alimentazione stabile per i circuiti interni come il flip-flop a impulsi, l'oscillatore, il comparatore di controllo del tempo morto e il comparatore PWM. Il regolatore viene utilizzato anche per pilotare gli amplificatori di errore che sono responsabili del controllo dell'uscita.

Nota: il riferimento è programmato internamente con una precisione iniziale di ± 5% e mantiene la stabilità su un intervallo di tensione di ingresso compreso tra 7 V e 40 V. Per tensioni di ingresso inferiori a 7 V, il regolatore si satura entro 1 V dall'ingresso e lo segue.

Oscillatore:

L'oscillatore genera e fornisce un'onda a dente di sega al controller del tempo morto e ai comparatori PWM per vari segnali di controllo.

La frequenza dell'oscillatore può essere regolata selezionando componenti di temporizzazione R T e C T.

La frequenza dell'oscillatore può essere calcolata con la formula seguente:

Fosc = 1 / (RT * CT)

Per semplicità, ho creato un foglio di calcolo, con il quale puoi calcolare la frequenza molto facilmente. Che puoi trovare nel link sottostante.

Nota: la frequenza dell'oscillatore è uguale alla frequenza di uscita solo per applicazioni single-ended. Per le applicazioni push-pull, la frequenza di uscita è la metà della frequenza dell'oscillatore.

Comparatore di controllo dei tempi morti:

Il tempo morto o semplicemente il controllo del tempo di spegnimento fornisce il tempo morto o il tempo di spegnimento minimo. L'uscita del comparatore del tempo morto blocca la commutazione dei transistor quando la tensione in ingresso è maggiore della tensione di rampa dell'oscillatore. L'applicazione di una tensione al pin DTC può imporre un tempo morto aggiuntivo, fornendo così un tempo morto aggiuntivo dal suo minimo del 3% al 100% poiché la tensione di ingresso varia da 0 a 3V. In termini semplici, possiamo cambiare il ciclo di lavoro dell'onda di uscita senza modificare gli amplificatori di errore.

Nota: un offset interno di 110 mV garantisce un tempo morto minimo del 3% con l'ingresso di controllo del tempo morto collegato a terra.

Amplificatori di errore:

Entrambi gli amplificatori di errore ad alto guadagno ricevono il bias dalla barra di alimentazione VI. Ciò consente un intervallo di tensione di ingresso di modo comune da –0,3 V a 2 V inferiore a VI. Entrambi gli amplificatori si comportano in modo caratteristico di un amplificatore single-ended ad alimentazione singola, in quanto ogni uscita è attiva solo in alto.

Ingresso controllo uscita:

L'ingresso di controllo dell'uscita determina se i transistor di uscita funzionano in modalità parallela o push-pull. Collegando il pin di controllo dell'uscita che è il pin 13 a massa, i transistor di uscita vengono impostati in modalità di funzionamento in parallelo. Ma collegando questo pin al pin 5V-REF si impostano i transistor di uscita in modalità push-pull.

Transistor di uscita:

L'IC ha due transistor di uscita interni che sono in configurazioni open-collector e open-emitter, grazie ai quali può generare o assorbire una corrente massima fino a 200mA.

Nota: i transistor hanno una tensione di saturazione inferiore a 1,3 V nella configurazione a emettitore comune e inferiore a 2,5 V nella configurazione a inseguitore di emettitore.

Componenti necessari per costruire il circuito del convertitore boost basato su TL494

Una tabella contenente tutte le parti mostrate di seguito. Prima di ciò, abbiamo aggiunto un'immagine che mostra tutti i componenti utilizzati in questo circuito. Poiché questo circuito è semplice, puoi trovare tutte le parti necessarie nel tuo negozio di hobby locale.

Elenco delle parti:

1. TL494 IC - 1
2. MOSFET IRFP250 - 1
3. Morsetto a vite 5X2 mm - 2
4. Condensatore da 1000uF, 35V - 1
5. Condensatore da 1000uF, 63V - 1
6. Resistenza 50K, 1% - 1
7. Resistore 560R - 1
8. 10K, 1% Resistenza - 4
9. 3.3K, 1% Resistenza - 1
10. Resistore 330R - 1
11. Condensatore 0.1uF - 1
12. Diodo Schottky MBR20100CT - 1
13. Induttore da 150 uH (27 x 11 x 14) mm - 1
14. Potenziometro (10K) Potenziometro - 1
15. Resistenza di rilevamento corrente 0.22R - 2
16. Pannello placcato generico 50 x 50 mm - 1
17. Dissipatore di calore PSU generico - 1
18. Cavi ponticello generico - 15

Convertitore boost basato su TL494 - Diagramma schematico

Di seguito è riportato lo schema del circuito per il convertitore boost ad alta efficienza.

Circuito convertitore boost TL494 - funzionante

Questo circuito del convertitore boost TL494 è costituito da componenti che sono molto facilmente ottenibili e in questa sezione esamineremo ogni blocco principale del circuito e spiegheremo ogni blocco.

Condensatore di ingresso:

Il condensatore di ingresso è lì per soddisfare l'elevata richiesta di corrente richiesta quando l'interruttore MOSFET si chiude e l'induttore inizia a caricarsi.

Il feedback e il circuito di controllo:

I resistori R2 e R8 impostano la tensione di controllo per il circuito di feedback, la tensione impostata è collegata al pin 2 dell'IC TL494 e la tensione di feedback è collegata al pin uno dell'IC etichettato come VOLTAGE_FEEDBACK . I resistori R10 e R15 impostano il limite di corrente nel circuito.

I resistori R7 e R1 formano il circuito di controllo, con l'aiuto di questo feedback, il segnale PWM in uscita cambia linearmente, senza questi resistori di feedback, il comparatore agirà come un circuito comparatore generico che accenderà / spegnerà il circuito solo a una tensione impostata.

Selezione della frequenza di commutazione:

Impostando i valori corretti sui pin 5 e 6, possiamo impostare la frequenza di commutazione di questo IC, per questo progetto abbiamo utilizzato un valore del condensatore di 1nF e un valore del resistore di 10K che ci dà approssimativamente una frequenza di 100KHz, utilizzando la formula Fosc = 1 / (RT * CT) , possiamo calcolare la frequenza dell'oscillatore. Oltre a questo, abbiamo trattato altre sezioni in dettaglio in precedenza nell'articolo.

Progettazione PCB per circuito convertitore boost basato su TL494

Il PCB per il nostro circuito di controllo dell'angolo di fase è progettato in una scheda unilaterale. Ho usato Eagle per progettare il mio PCB ma puoi utilizzare qualsiasi software di progettazione di tua scelta. L'immagine 2D del disegno della mia tavola è mostrata di seguito.

Come puoi vedere sul lato inferiore della scheda, ho usato un piano di massa spesso per garantire che una corrente sufficiente possa fluire attraverso di esso. L'ingresso di alimentazione si trova sul lato sinistro della scheda e l'uscita si trova sul lato destro della scheda. Il file di progetto completo insieme agli schemi del convertitore Boost TL494 può essere scaricato dal collegamento sottostante.

• Scarica il file PCB Design GERBER per il circuito convertitore Boost basato su TL494

PCB fatto a mano:

Per comodità, ho realizzato la mia versione artigianale del PCB ed è mostrata di seguito. Ho commesso alcuni errori durante la realizzazione di questo PCB, quindi ho dovuto invecchiare alcuni cavi per risolverlo.

La mia scheda appare così dopo che la build è stata completata.

Calcolo e costruzione del progetto del convertitore boost TL494

Per la dimostrazione di questo convertitore boost ad alta corrente, il circuito è costruito in PCB fatto a mano, con l'aiuto degli schemi e dei file di progettazione PCB; si noti che se si collega un grande carico all'uscita di questo circuito del convertitore boost, un'enorme quantità di corrente fluirà attraverso le tracce PCB e c'è la possibilità che le tracce si brucino. Quindi, per evitare che le tracce del PCB si brucino, abbiamo aumentato lo spessore delle tracce il più possibile. Inoltre, abbiamo rinforzato le tracce del PCB con uno spesso strato di saldatura per ridurre la resistenza alle tracce.

Per calcolare correttamente i valori dell'induttore e del condensatore, ho utilizzato un documento della Texas Instruments.

Dopodiché, ho creato un foglio di calcolo Google per semplificare il calcolo.

Test di questo circuito convertitore boost ad alta tensione

Per testare il circuito, viene utilizzata la seguente configurazione. Come puoi vedere, abbiamo utilizzato l'alimentatore PC ATX come ingresso, quindi l'ingresso è 12V. Abbiamo collegato un voltmetro e un amperometro all'uscita del circuito che mostra la tensione e la corrente di uscita. Da cui possiamo facilmente calcolare la potenza di uscita per questo circuito. Infine, abbiamo utilizzato otto resistenze di potenza 4.7R 10W in serie come carico per testare il consumo di corrente.

Strumenti utilizzati per testare il circuito:

1. Alimentatore ATX per PC 12V
2. Un trasformatore che ha una presa 6-0-6 e una presa 12-0-12
3. Otto resistori 4.7R da 10 W in serie - Fungono da carico
4. Multimetro Meco 108B + TRMS
5. Multimetro Meco 450B + TRMS
6. Un cacciavite

Consumo energetico in uscita del circuito del convertitore boost ad alta potenza:

Come puoi vedere nell'immagine sopra, la tensione di uscita è 44,53 V e la corrente di uscita è 2,839 A, quindi la potenza di uscita totale diventa 126,42 W, quindi come puoi vedere, questo circuito può facilmente gestire una potenza superiore a 100 Watt.

Ulteriori miglioramenti

Questo circuito del convertitore boost TL494 è solo a scopo dimostrativo, quindi non è stato aggiunto alcun circuito di protezione nella sezione di ingresso o uscita del circuito. Quindi, per migliorare la funzione di protezione, puoi anche aggiungere, inoltre, poiché sto usando il MOSFET IRFP250, la potenza di uscita può essere ulteriormente migliorata, il fattore limitante nel nostro circuito è l'induttore. Un nucleo più grande per l'induttore aumenterà la sua capacità di uscita.

Spero che questo articolo ti sia piaciuto e che abbia imparato qualcosa di nuovo da esso. Se hai qualche dubbio, puoi chiedere nei commenti qui sotto o puoi usare i nostri forum per una discussione dettagliata.