Mạch nguồn Buck hiệu suất cao sử dụng TL494 là bộ chuyển đổi chuyển đổi DC sang DC giúp giảm điện áp trong khi duy trì sự cân bằng công suất không đổi. Tính năng chính của bộ chuyển đổi buck là hiệu quả, có nghĩa là với bộ chuyển đổi buck trên bo mạch, chúng ta có thể mong đợi tuổi thọ pin kéo dài, giảm nhiệt, kích thước nhỏ hơn và cải thiện hiệu suất. Trước đây đã giới thiệu Nguyên lý làm việc nguồn xung buck converter
Tải Full Sách Điện Tử Cơ Bản
Vì vậy, trong bài viết này, chúng tôi sẽ thiết kế, tính toán và kiểm tra một mạch chuyển đổi buck hiệu suất cao dựa trên IC TL494 thông dụng và cuối cùng, sẽ có một video chi tiết hiển thị phần làm việc và kiểm tra của mạch, vì vậy không thêm nữa, hãy bắt đầu.
Mạch Buck hoạt động như thế nào?
Hình trên mô tả một mạch chuyển đổi buck rất cơ bản . Để biết cách hoạt động của bộ chuyển đổi buck, tôi sẽ chia mạch thành hai điều kiện. Điều kiện đầu tiên khi bóng bán dẫn BẬT, điều kiện tiếp theo khi bóng bán dẫn TẮT.
Trạng thái Transistor “On”
Trong trường hợp này, chúng ta có thể thấy rằng diode ở trạng thái hở mạch vì nó ở trạng thái phân cực ngược. Trong tình huống này, một số dòng điện ban đầu sẽ bắt đầu chạy qua tải, nhưng dòng điện bị hạn chế bởi cuộn cảm, do đó cuộn cảm cũng bắt đầu tích điện dần dần. Do đó, trong thời gian hoạt động của mạch, tụ điện sẽ tích điện theo chu kỳ, và điện áp này phản xạ qua tải.
Trạng thái Transistor ” Off ”
Khi bóng bán dẫn ở trạng thái tắt, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm L1 sẽ suy giảm và chảy ngược lại qua diode D1 như hình vẽ trong mạch với các mũi tên. Trong tình huống này, điện áp trên cuộn cảm là phân cực ngược và do đó diode ở trong điều kiện phân cực thuận. Lúc này do từ trường của cuộn cảm suy giảm, dòng điện tiếp tục chạy qua tải cho đến khi cuộn cảm hết điện tích. Tất cả điều này xảy ra trong khi bóng bán dẫn ở trạng thái tắt.
Sau một khoảng thời gian khi cuộn cảm gần hết năng lượng dự trữ, điện áp tải lại bắt đầu giảm, trong tình huống này, tụ C1 trở thành nguồn chính của dòng điện, tụ điện ở đó để giữ cho dòng điện chạy cho đến khi bắt đầu chu kỳ tiếp theo. lần nữa.
Bây giờ bằng cách thay đổi tần số chuyển đổi và thời gian chuyển đổi, chúng ta có thể nhận được bất kỳ đầu ra nào từ 0 đến Vin từ bộ chuyển đổi buck.
IC TL494
Bây giờ trước khi xây dựng bộ chuyển đổi buck TL494 , chúng ta hãy tìm hiểu cách hoạt động của bộ điều khiển PWM TL494.
IC TL494 có 8 khối chức năng, được hiển thị và mô tả bên dưới.
1. Bộ điều chỉnh điện áp chuẩn 5-V
Đầu ra bộ điều chỉnh tham chiếu bên trong 5V là chân REF, là chân 14 của vi mạch. 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.
Ghi chú! Điện áp chuẩn được lập trình bên trong với độ chính xác ban đầu là ± 5% và duy trì sự ổn định trên dải điện áp đầu vào từ 7V đến 40 V. Đối với điện áp đầu vào nhỏ hơn 7V, bộ điều chỉnh bão hòa trong phạm vi 1V của đầu vào và theo dõi nó.
2. 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 .
Các 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 : https://docs.google.com/spreadsheets/d/1BW-fSp9gLW1LQbmLEr5rjxNQRspMhdRwLDfE3LjxE90/edit#gid=0
Ghi chú! 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.
3. Bộ so sánh kiểm soát thời gian chết (Dead-Time)
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 thời gian chết bổ sung, do đó cung cấp thêm thời gian chết từ mức 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.
Ghi chú! 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.
4. 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.
5. Output-Control Input
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.
6. 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.
Ghi chú! 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.
Đặc điểm của IC TL494
- Hoàn thành mạch điều khiển nguồn PWM
- Đầu ra không được chấp nhận cho bồn rửa 200 mA hoặc nguồn hiện tại
- Điều khiển đầu ra Chọn hoạt động một đầu hoặc đẩy kéo
- Mạch nội bộ cấm xung kép ở cả hai đầu ra
- Thời gian chết có thể thay đổi cung cấp quyền kiểm soát trên tổng phạm vi
- Bộ điều chỉnh nội bộ cung cấp 5-V ổn định
- Cung tham chiếu với 5% dung sai
- Kiến trúc mạch cho phép đồng bộ hóa dễ dàng
Ghi chú! Hầu hết các mô tả sơ đồ và hoạt động nội bộ được lấy từ datasheet : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf và được sửa đổi ở một mức độ nào đó để hiểu rõ hơn.
Linh kiện cần có
- IC TL494 – 1
- Bóng bán dẫn TIP2955 – 1
- Trục vít 5mmx2 – 2
- Tụ 1000uF, 60V – 1
- Tụ điện 470uF, 60V – 1
- 50K, 1% điện trở – 1
- Điện trở 560R – 1
- 10K, 1% điện trở – 4
- Điện trở 3,3K, 1% – 2
- Điện trở 330R – 1
- Tụ điện 0,22uF – 1
- Điện trở 5,6K, 1W – 1
- 12.1V Zener Diode – 1
- MBR20100CT Schottky Diode – 1
- 70uH (27 x 11 x 14) mm Cuộn cảm – 1
- Chiết áp (10K) Trim-Pot – 1
- Điện trở shunt 0,22R – 2
- Breadborad 50x 50mm – 1
- PSU Heat Sink Generic – 1
- Jumper Wires- 15
Sơ đồ Mạch nguồn Buck hiệu suất cao sử dụng TL494
Sơ đồ mạch cho Mạch nguồn Buck hiệu suất cao sử dụng TL494 được đưa ra dưới đây.
Xây dựng mạch
Để trình diễn bộ chuyển đổi buck dòng cao này , mạch được xây dựng bằng PCB thủ công , với sự trợ giúp của các tệp thiết kế sơ đồ và PCB [ tệp Gerber ]; xin lưu ý rằng nếu bạn đang kết nối một tải lớn với bộ chuyển đổi buck đầu ra thì 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 chặn các dấu vết PCB bị cháy ra, tôi đã bao gồm một số jumper giúp tăng dòng điện. Ngoài ra, tôi đã gia cố các vết PCB bằng một lớp hàn dày để giảm điện trở vết.
Cuộn cảm được cấu tạo với 3 sợi dây đồng tráng men 0,45 mm vuông song song.
Tính toán
Để tính toán đúng các giá trị của cuộn cảm và tụ điện, tôi đã sử dụng một tài liệu từ các công cụ texas.
Sau đó, mình đã lập bảng tính google để việc tính toán dễ dàng hơn : https://docs.google.com/spreadsheets/d/1BW-fSp9gLW1LQbmLEr5rjxNQRspMhdRwLDfE3LjxE90/edit#gid=0
Kiểm tra Mạch nguồn Buck hiệu suất cao sử dụng TL494
Để kiểm tra mạch, thiết lập sau được sử dụng. Như trong hình trên, điện áp đầu vào là 41,17 V và dòng điện không tải là 0,015 A làm cho công suất không tải giảm xuống dưới 0,6W.
Trước khi bất kỳ ai trong số các bạn nhảy và nói cái bát của điện trở đang làm gì trong bảng thử nghiệm của tôi.
Để tôi nói với bạn, điện trở rất nóng trong thời gian thử nghiệm mạch với điều kiện đầy tải, vì vậy tôi đã chuẩn bị một bát nước để tránh bàn làm việc của tôi bị cháy
Dụng cụ dùng để kiểm tra mạch Mạch nguồn Buck hiệu suất cao sử dụng TL494
- Ắc quy axit-chì 12V.
- Một máy biến áp có một vòi 6-0-6 và một vòi 12-0-12
- 5 10W 10r Kháng song song khi tải
- Đồng hồ vạn năng Meco 108B + TRMS
- Đồng hồ vạn năng Meco 450B + TRMS
- Máy hiện sóng Hantek 6022BE
Công suất đầu vào cho Mạch nguồn Buck hiệu suất cao sử dụng TL494
Như bạn có thể thấy từ hình trên, điện áp đầu vào giảm xuống 27,45V trong điều kiện có tải và dòng điện đầu vào là 3,022 A tương đương với công suất đầu vào là 82,9539 W.
Công suất ra
Như bạn có thể thấy từ hình trên, điện áp đầu ra là 12,78V và dòng điện đầu ra là 5,614A tương đương với mức công suất là 71,6958 W.
Vậy hiệu suất của đoạn mạch trở thành (71,6958 / 82,9539) x 100% = 86,42%
Suy hao trong mạch là do các điện trở cấp nguồn cho IC TL494 và
Rút ra dòng điện tối đa tuyệt đối trong bảng thử nghiệm của tôi
Từ hình trên có thể thấy dòng điện cực đại hút ra từ mạch là 6,96 A gần như
Trong tình huống này, điểm nghẽn chính của hệ thống là máy biến áp của tôi đó là lý do tại sao tôi không thể tăng dòng tải nhưng với thiết kế này và với bộ tản nhiệt tốt bạn có thể dễ dàng rút dòng điện hơn 10A từ mạch này.
Ghi chú! Có ai trong số các bạn thắc mắc tại sao tôi lại gắn một bộ tản nhiệt lớn vào mạch, hãy để tôi nói với các bạn là hiện tại tôi không có bộ tản nhiệt nào nhỏ hơn trong kho của mình.
Cải tiến hơn nữa
Đây là mạch lý thuyết cần cải thiện thêm :
- Một mạch bảo vệ đầu ra phải được thêm vào để bảo vệ mạch tải.
- Cuộn cảm cần được nhúng vào dầu bóng nếu không sẽ tạo ra tiếng nhiễu.
- PCB chất lượng tốt với thiết kế phù hợp là bắt buộc
- Transistor chuyển mạch có thể được sửa đổi để tăng dòng tải
