tl494を使用した高出力高効率バックコンバータ回路

バックコンバータ（降圧コンバータ）降圧ステップは一定の電力バランスを維持しながらことのDC-DCスイッチングコンバータです。降圧コンバータの主な特徴は効率です。つまり、搭載された降圧コンバータを使用すると、バッテリ寿命の延長、熱の削減、サイズの縮小、効率の向上が期待できます。以前、いくつかの簡単なバックコンバータ回路を作成し、その基本と設計効率について説明しました。

したがって、この記事では、人気のあるTL494 ICに基づいて高効率の降圧コンバータ回路を設計、計算、およびテストし、最後に、回路の動作およびテスト部分を示す詳細なビデオを提供します。さらに苦労して、始めましょう。

降圧コンバータはどのように機能しますか？

上の図は、非常に基本的な降圧コンバータ回路を示しています。降圧コンバータがどのように機能するかを知るために、回路を2つの条件に分割します。トランジスタがオンのときの最初の条件、トランジスタがオフのときの次の条件。

トランジスタオン状態

このシナリオでは、ダイオードが逆バイアス状態にあるため、ダイオードが開回路状態にあることがわかります。この状況では、初期電流の一部が負荷に流れ始めますが、電流はインダクタによって制限されるため、インダクタも徐々に充電を開始します。したがって、回路のオン時間中に、コンデンサはサイクルごとに充電サイクルを構築し、この電圧は負荷全体に反射します。

トランジスタオフ状態

トランジスタがオフ状態のとき、インダクタL1に蓄積されたエネルギーは崩壊し、矢印の付いた回路に示されているようにダイオードD1を通って逆流します。この状況では、インダクタの両端の電圧は逆極性であるため、ダイオードは順方向バイアス状態になります。インダクタの磁場が崩壊するため、インダクタの電荷がなくなるまで電流が負荷を流れ続けます。これはすべて、トランジスタがオフ状態のときに発生します。

インダクタがほとんど蓄積エネルギーを使い果たした一定期間後、負荷電圧は再び低下し始めます。この状況では、コンデンサC1が主な電流源になり、コンデンサは次のサイクルが始まるまで電流を流し続けるためにあります。再び。

ここで、スイッチング周波数とスイッチング時間を変更することにより、バックコンバータから0からVinまでの任意の出力を取得できます。

IC TL494

TL494降圧コンバータを構築する前に、PWMコントローラTL494がどのように機能するかを学びましょう。

TL494 ICには8つの機能ブロックがあり、以下に示して説明します。

1.5Vリファレンスレギュレータ

5Vの内部リファレンスレギュレータ出力は、ICのピン14であるREFピンです。リファレンスレギュレータは、パルスステアリングフリップフロップ、発振器、デッドタイム制御コンパレータ、PWMコンパレータなどの内部回路に安定した電源を提供するためにあります。レギュレータは、出力の制御を担当するエラーアンプを駆動するためにも使用されます。

注意！リファレンスは内部で±5％の初期精度にプログラムされており、7V〜40Vの入力電圧範囲で安定性を維持します。7V未満の入力電圧の場合、レギュレータは入力の1V以内で飽和し、それを追跡します。

2.オシレーター

発振器は鋸歯状波を生成し、さまざまな制御信号のデッドタイムコントローラとPWMコンパレータに提供します。

発振器の周波数は、タイミングコンポーネント選択して設定することができるR T及びC Tを。

発振器の周波数は次の式で計算できます

Fosc = 1 /（RT * CT）

簡単にするために、頻度を非常に簡単に計算できるスプレッドシートを作成しました。

注意！ 発振器周波数は、シングルエンドアプリケーションの場合のみ出力周波数と同じです。プッシュプルアプリケーションの場合、出力周波数は発振器周波数の半分です。

3.デッドタイムコントロールコンパレータ

デッドタイムまたは単にオフタイム制御は、最小のデッドタイムまたはオフタイムを提供します。デッドタイムコンパレータの出力は、入力の電圧が発振器のランプ電圧よりも大きい場合、スイッチングトランジスタをブロックします。DTCピンに電圧を印加すると、追加のデッドタイムが発生する可能性があるため、入力電圧が0から3Vまで変化するときに、最小の3％から100％まで追加のデッドタイムが発生します。簡単に言うと、エラーアンプを調整することなく、出力波のデューティサイクルを変更できます。

注意！110 mVの内部オフセットにより、デッドタイム制御入力が接地された状態で3％の最小デッドタイムが保証されます。

4.エラーアンプ

両方の高ゲインエラーアンプは、VI電源レールからバイアスを受け取ります。これにより、VIよりも–0.3 V〜2V低いコモンモード入力電圧範囲が可能になります。両方のアンプは、各出力がアクティブHighのみであるという点で、シングルエンドシングル電源アンプの特徴として動作します。

5.出力-制御入力

出力制御入力は、出力トランジスタがパラレルモードで動作するかプッシュプルモードで動作するかを決定します。13番ピンの出力制御ピンをグランドに接続することにより、出力トランジスタを並列動作モードに設定します。ただし、このピンを5V-REFピンに接続すると、出力トランジスタがプッシュプルモードに設定されます。

6.出力トランジスタ

このICには、オープンコレクタ構成とオープンエミッタ構成の2つの内部出力トランジスタがあり、最大200mAの最大電流をソースまたはシンクできます。

注意！トランジスタの飽和電圧は、エミッタ接地構成で1.3 V未満、エミッタ接地構成で2.5V未満です。

TL494ICの特徴

• 完全なPWM電力制御回路
• 200mAのシンクまたはソース電流のコミットされていない出力
• 出力制御はシングルエンドまたはプッシュプル動作を選択します
• 内部回路はどちらの出力でもダブルパルスを禁止します
• 可変デッドタイムにより、全範囲を制御できます
• 内部レギュレータは安定した5Vを提供します
• 公差が5％のリファレンスサプライ
• 回路アーキテクチャにより簡単な同期が可能

注意！内部の回路図と操作の説明のほとんどは、データシートから取得され、理解を深めるためにある程度変更されています。

必要なコンポーネント

1. TL494 IC-1
2. TIP2955トランジスタ-1
3. ネジ留め式端子5mmx2-2
4. 1000uF、60Vコンデンサ-1
5. 470uF、60Vコンデンサ-1
6. 50K、1％抵抗-1
7. 560R抵抗-1
8. 10K、1％抵抗-4
9. 3.3K、1％抵抗-2
10. 330R抵抗器-1
11. 0.22uFコンデンサ-1
12. 5.6K、1W抵抗-1
13. 12.1Vツェナーダイオード-1
14. MBR20100CTショットキーダイオード-1
15. 70uH（27 x 11 x 14）mmインダクタ-1
16. ポテンショメータ（10K）トリムポット-1
17. 0.22R電流検出抵抗-2
18. クラッドボードジェネリック50x50mm-1
19. PSUヒートシンクジェネリック-1
20. ジャンパーワイヤージェネリック-15

回路図

高効率バックコンバータの回路図を以下に示します。

回路構築

この大電流降圧コンバータのこのデモンストレーションでは、回路図とPCB設計ファイルを使用して、回路を手作りのPCBで構築します。大きな負荷を出力バックコンバータに接続している場合、PCBトレースに大量の電流が流れ、トレースが焼損する可能性があることに注意してください。したがって、PCBトレースが焼損するのを防ぐために、電流の流れを増やすのに役立つジャンパーをいくつか含めました。また、トレース抵抗を下げるために、PCBトレースを厚いはんだ層で補強しました。

インダクタは、平行な0.45平方mmのエナメル銅線の3本のストランドで構成されています。

計算

インダクタとコンデンサの値を適切に計算するために、テキサスインスツルメンツのドキュメントを使用しました。

その後、計算を簡単にするためにグーグルスプレッドシートを作成しました

この高電圧降圧コンバータのテスト

回路をテストするには、次の設定を使用します。上の画像に示されているように、入力電圧は41.17 V、無負荷電流は.015 Aであるため、無負荷電力は0.6W未満になります。

誰かがジャンプして、私のテストテーブルで抵抗器のボウルが何をしているのかを言う前に。

全負荷状態で回路をテストしている間、抵抗器は非常に熱くなるので、作業台が焦げないように水を入れました。

回路のテストに使用されるツール

1. 12V鉛蓄電池。
2. 6-0-6タップと12-0-12タップの変圧器
3. 5 10W10r負荷として並列の抵抗
4. Meco 108B + TRMSマルチメータ
5. Meco 450B + TRMSマルチメータ
6. Hantek6022BEオシロスコープ

ハイパワーバックコンバータの入力電力

上の画像からわかるように、入力電圧は負荷状態で27.45Vに低下し、入力電流は3.022 Aであり、これは82.9539Wの入力電力に相当します。

出力電力

上の画像からわかるように、出力電圧は12.78Vで、出力電流は5.614Aで、これは71.6958Wの消費電力に相当します。

したがって、回路の効率は（71.6958 / 82.9539）x 100％= 86.42％になります。

回路の損失は、TL494ICに電力を供給するための抵抗と

テストテーブルの絶対最大消費電流

上の画像から、回路から引き出される最大電流は6.96Aであることがわかります。

この状況では、システムの主なボトルネックは変圧器であるため、負荷電流を増やすことはできませんが、この設計と優れたヒートシンクを使用すると、この回路から10Aを超える電流を簡単に引き出すことができます。

注意！なぜ私が大規模なヒートシンクを回路に取り付けたのか疑問に思っている人はいますが、現時点では、備蓄に小さなヒートシンクがありません。

さらなる機能強化

このTL494降圧コンバータ回路はデモンストレーションのみを目的としているため、回路の出力セクションに保護回路は追加されていません。

1. 負荷回路を保護するために、出力保護回路を追加する必要があります。
2. インダクタをワニスに浸す必要があります。そうしないと、可聴ノイズが発生します。
3. 適切な設計の高品質PCBが必須です
4. スイッチングトランジスタを変更して、負荷電流を増やすことができます

この記事が気に入って、そこから何か新しいことを学んだことを願っています。疑問がある場合は、以下のコメントで質問するか、フォーラムを使用して詳細なディスカッションを行うことができます。