Conception d'un convertisseur élévateur haute puissance et haute efficacité à l'aide du TL494

En travaillant avec l'électronique, nous nous trouvons souvent dans des situations où il devient nécessaire d'augmenter la tension de sortie alors que la tension d'entrée reste faible, c'est un type de situation où nous pouvons nous fier à un circuit qui est communément appelé le convertisseur élévateur (convertisseur élévateur). Un convertisseur élévateur est un convertisseur à découpage de type DC-DC qui augmente la tension tout en maintenant un équilibre de puissance constant. La principale caractéristique d'un convertisseur boost est son efficacité, ce qui signifie que nous pouvons nous attendre à une longue durée de vie de la batterie et à une réduction des problèmes de chaleur. Nous avons précédemment créé un simple circuit de convertisseur élévateur et expliqué son efficacité de conception de base.

Donc, dans cet article, nous allons concevoir un convertisseur TL494 Boost, et calculer et tester un circuit de convertisseur élévateur à haut rendement basé sur le populaire TL494 IC, qui a une tension d'alimentation minimale de 7V et un maximum de 40V, et comme nous utilisons le MOSFET IRFP250 comme commutateur, ce circuit peut gérer un courant maximum de 19 ampères, théoriquement (limité par la capacité de l'inductance). Enfin, il y aura une vidéo détaillée montrant la partie de travail et de test du circuit, donc sans plus tarder, commençons.

Comprendre le principe de fonctionnement du convertisseur Boost

La figure ci-dessus montre le schéma de base du circuit du convertisseur élévateur. Pour analyser le principe de fonctionnement de ce circuit, nous allons le diviser en deux parties, la première condition explique ce qui se passe lorsque le MOSFET est ON, la seconde condition explique ce qui se passe lorsque le MOSFET est éteint.

Que se passe-t-il lorsque le MOSFET est allumé:

L'image ci-dessus montre l'état du circuit lorsque le MOSFET est activé. Comme vous pouvez le reconnaître, nous avons montré la condition ON à l'aide d'une ligne en pointillé, car le MOSFET reste allumé, l'inducteur commence à se charger, le courant à travers l'inducteur continue d'augmenter, qui est stocké sous la forme d'un champ magnétique.

Que se passe-t-il lorsque le MOSFET est éteint:

Maintenant, comme vous le savez peut-être, le courant à travers un inducteur ne peut pas changer instantanément! C'est parce qu'il est stocké sous la forme d'un champ magnétique. Par conséquent, au moment où le MOSFET s'éteint, le champ magnétique commence à s'effondrer et le courant circule dans la direction opposée au courant de charge. Comme vous pouvez le voir dans le diagramme ci-dessus, cela commence à charger le condensateur.

Maintenant, en activant et désactivant continuellement le commutateur (MOSFET), nous avons créé une tension de sortie supérieure à la tension d'entrée. Maintenant, nous pouvons contrôler la tension de sortie en contrôlant le temps de marche et d'arrêt du commutateur, et c'est ce que nous faisons dans le circuit principal.

Comprendre le fonctionnement du TL494

Maintenant, avant de construire le circuit basé sur le contrôleur PWM TL494, apprenons comment fonctionne le contrôleur PWM TL494. Le CI TL494 comporte 8 blocs fonctionnels, qui sont illustrés et décrits ci-dessous.

Régulateur de référence 5 V:

La sortie du régulateur de référence interne 5V est la broche REF, qui est la broche 14 de l'IC. Le régulateur de référence est là pour fournir une alimentation stable pour les circuits internes tels que la bascule de direction d'impulsions, l'oscillateur, le comparateur de commande de temps mort et le comparateur PWM. Le régulateur est également utilisé pour piloter les amplificateurs d'erreur qui sont chargés de contrôler la sortie.

Remarque: La référence est programmée en interne avec une précision initiale de ± 5% et maintient la stabilité sur une plage de tension d'entrée de 7 V à 40 V.Pour les tensions d'entrée inférieures à 7 V, le régulateur sature à moins de 1 V de l'entrée et la suit.

Oscillateur:

L'oscillateur génère et fournit une onde en dents de scie au contrôleur de temps mort et aux comparateurs PWM pour divers signaux de commande.

La fréquence de l'oscillateur peut être réglée par la sélection des composants de synchronisation R T et C T.

La fréquence de l'oscillateur peut être calculée par la formule ci-dessous:

Fosc = 1 / (RT * CT)

Pour plus de simplicité, j'ai fait une feuille de calcul, par laquelle vous pouvez calculer la fréquence très facilement. Que vous pouvez trouver dans le lien ci-dessous.

Remarque: la fréquence de l'oscillateur est égale à la fréquence de sortie uniquement pour les applications asymétriques. Pour les applications push-pull, la fréquence de sortie correspond à la moitié de la fréquence de l'oscillateur.

Comparateur de contrôle des temps morts:

Le temps mort ou pour dire simplement le contrôle du temps d'arrêt fournit le temps mort minimum ou le temps d'arrêt. La sortie du comparateur de temps mort bloque les transistors de commutation lorsque la tension à l'entrée est supérieure à la tension de rampe de l'oscillateur. L'application d'une tension à la broche DTC peut imposer un temps mort supplémentaire, fournissant ainsi un temps mort supplémentaire de son minimum de 3% à 100% lorsque la tension d'entrée varie de 0 à 3V. En termes simples, nous pouvons modifier le cycle de service de l'onde de sortie sans modifier les amplificateurs d'erreur.

Remarque: Un décalage interne de 110 mV garantit un temps mort minimum de 3% avec l'entrée de contrôle du temps mort mise à la terre.

Amplificateurs d'erreur:

Les deux amplificateurs d'erreur à gain élevé reçoivent leur polarisation du rail d'alimentation du VI. Cela permet une plage de tension d'entrée en mode commun de –0,3 V à 2 V de moins que VI. Les deux amplificateurs se comportent de manière caractéristique d'un amplificateur à alimentation unique asymétrique, en ce que chaque sortie est active uniquement à l'état haut.

Entrée de contrôle de sortie:

L'entrée de commande de sortie détermine si les transistors de sortie fonctionnent en parallèle ou en mode push-pull. En connectant la broche de commande de sortie qui est la broche 13 à la masse, les transistors de sortie sont réglés en mode de fonctionnement parallèle. Mais en connectant cette broche à la broche 5V-REF, les transistors de sortie sont réglés en mode push-pull.

Transistors de sortie:

L'IC dispose de deux transistors de sortie internes qui sont dans des configurations à collecteur ouvert et à émetteur ouvert, par lesquels il peut générer ou absorber un courant maximal jusqu'à 200 mA.

Remarque: les transistors ont une tension de saturation inférieure à 1,3 V dans la configuration émetteur commun et inférieure à 2,5 V dans la configuration émetteur-suiveur.

Composants requis pour construire le circuit de convertisseur de suralimentation basé sur le TL494

Un tableau contenant toutes les pièces ci-dessous. Avant cela, nous avons ajouté une image qui montre tous les composants utilisés dans ce circuit. Comme ce circuit est simple, vous pouvez trouver toutes les pièces nécessaires dans votre magasin de bricolage local.

Liste des pieces:

1. TL494 IC - 1
2. IRFP250 MOSFET - 1
3. Borne à vis 5X2 mm - 2
4. Condensateur 1000uF, 35V - 1
5. Condensateur 1000uF, 63V - 1
6. 50K, résistance 1% - 1
7. Résistance 560R - 1
8. Résistance 10K, 1% - 4
9. 3,3 K, résistance 1% - 1
10. Résistance 330R - 1
11. Condensateur 0.1uF - 1
12. Diode Schottky MBR20100CT - 1
13. Inductance 150uH (27 x 11 x 14) mm - 1
14. Potentiomètre (10K) Trim Pot - 1
15. Résistance de détection de courant 0.22R - 2
16. Planche plaquée Generic 50x 50mm - 1
17. Dissipateur de chaleur PSU Generic - 1
18. Jumper Wires Generic - 15

Convertisseur Boost basé sur TL494 - Diagramme schématique

Le schéma de circuit du convertisseur élévateur haute efficacité est donné ci-dessous.

Circuit de convertisseur de suralimentation TL494 - Fonctionnement

Ce circuit de convertisseur Boost TL494 est composé de composants qui sont très faciles à obtenir, et dans cette section, nous allons passer en revue chaque bloc majeur du circuit et expliquer chaque bloc.

Condensateur d'entrée:

Le condensateur d'entrée est là pour répondre à la demande de courant élevée requise lorsque le commutateur MOSFET se ferme et que l'inducteur commence à se charger.

Le feedback et la boucle de contrôle:

Les résistances R2 et R8 définissent la tension de commande pour la boucle de rétroaction, la tension définie est connectée à la broche 2 du CI TL494 et la tension de rétroaction est connectée à la broche un du CI étiqueté VOLTAGE_FEEDBACK . Les résistances R10 et R15 définissent la limite de courant dans le circuit.

Les résistances R7 et R1 forment la boucle de contrôle, à l'aide de cette rétroaction, le signal de sortie PWM change linéairement, sans ces résistances de rétroaction, le comparateur agira comme un circuit comparateur générique qui activera / éteindra le circuit uniquement à une tension définie.

Sélection de la fréquence de commutation:

En définissant les valeurs appropriées sur les broches 5 et 6, nous pouvons définir la fréquence de commutation de ce circuit intégré, pour ce projet, nous avons utilisé une valeur de condensateur de 1nF et une valeur de résistance de 10K qui nous donne approximativement une fréquence de 100KHz, en utilisant la formule Fosc = 1 / (RT * CT) , nous pouvons calculer la fréquence de l'oscillateur. En dehors de cela, nous avons couvert d'autres sections en détail plus tôt dans l'article.

Conception de circuits imprimés pour le circuit de convertisseur élévateur basé sur TL494

Le circuit imprimé de notre circuit de contrôle d'angle de phase est conçu dans une carte unilatérale. J'ai utilisé Eagle pour concevoir mon PCB mais vous pouvez utiliser n'importe quel logiciel de conception de votre choix. L'image 2D de la conception de ma carte est présentée ci-dessous.

Comme vous pouvez le voir sur la face inférieure de la carte, j'ai utilisé un plan de masse épais pour m'assurer qu'un courant suffisant puisse le traverser. L'entrée d'alimentation est sur le côté gauche de la carte et la sortie est sur le côté droit de la carte. Le fichier de conception complet ainsi que les schémas du convertisseur TL494 Boost peuvent être téléchargés à partir du lien ci-dessous.

• Télécharger le fichier GERBER de conception de circuits imprimés pour le circuit de convertisseur Boost basé sur TL494

PCB à la main:

Pour plus de commodité, j'ai fait ma version artisanale du PCB et c'est illustré ci-dessous. J'ai fait des erreurs lors de la fabrication de ce circuit imprimé, j'ai donc dû vieillir quelques fils de liaison pour résoudre ce problème.

Ma carte ressemble à ceci une fois la construction terminée.

Calcul et construction de la conception du convertisseur Boost TL494

Pour la démonstration de ce convertisseur élévateur à courant élevé, le circuit est construit en PCB à la main, à l'aide des fichiers de conception schématique et PCB; Veuillez noter que si vous connectez une grosse charge à la sortie de ce circuit de convertisseur élévateur, une énorme quantité de courant circulera à travers les traces de PCB, et il y a un risque que les traces brûlent. Ainsi, pour empêcher les traces de PCB de brûler, nous avons augmenté l'épaisseur des traces autant que possible. De plus, nous avons renforcé les traces de PCB avec une épaisse couche de soudure pour réduire la résistance de trace.

Pour calculer correctement les valeurs de l'inductance et du condensateur, j'ai utilisé un document provenant d'instruments Texas.

Après cela, j'ai créé une feuille de calcul Google pour faciliter le calcul.

Test de ce circuit de convertisseur élévateur haute tension

Pour tester le circuit, la configuration suivante est utilisée. Comme vous pouvez le voir, nous avons utilisé l'alimentation PC ATX comme entrée, donc l'entrée est de 12V. Nous avons attaché un voltmètre et un ampèremètre à la sortie du circuit qui montre la tension de sortie et le courant de sortie. À partir de laquelle nous pouvons facilement calculer la puissance de sortie de ce circuit. Enfin, nous avons utilisé huit résistances de puissance 4.7R 10W en série comme charge pour tester la consommation de courant.

Outils utilisés pour tester le circuit:

1. Alimentation 12V PC ATX
2. Un transformateur qui a une prise 6-0-6 et une prise 12-0-12
3. Huit résistances 10W 4.7R en série - agissant en tant que charge
4. Multimètre Meco 108B + TRMS
5. Multimètre Meco 450B + TRMS
6. Un tourne vis

Consommation électrique de sortie du circuit du convertisseur élévateur haute puissance:

Comme vous pouvez le voir dans l'image ci-dessus, la tension de sortie est de 44,53 V et le courant de sortie est de 2,839 A, donc la puissance de sortie totale devient 126,42 W, donc comme vous pouvez le voir, ce circuit peut facilement gérer une puissance supérieure à 100 watts.

Autres améliorations

Ce circuit de convertisseur élévateur TL494 est uniquement à des fins de démonstration, il n'y a donc aucun circuit de protection ajouté dans la section d'entrée ou de sortie du circuit. Ainsi, pour améliorer la fonction de protection, vous pouvez également ajouter, également comme j'utilise le MOSFET IRFP250, la puissance de sortie peut être améliorée davantage, le facteur limitant dans notre circuit est l'inductance. Un noyau plus gros pour l'inducteur augmentera sa capacité de sortie.

J'espère que vous avez aimé cet article et en avez appris quelque chose de nouveau. Si vous avez le moindre doute, vous pouvez demander dans les commentaires ci-dessous ou utiliser nos forums pour une discussion détaillée.