Цепь высокомощного преобразователя постоянного тока в постоянный - переменная от 12 В до 30 В

В сообщении объясняется, как создать схему повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный ток высокой мощности, которая будет повышать постоянный ток с 12 В до любого более высокого уровня до 30 В максимум и при токе 3 А. Этот высокий выходной ток может быть дополнительно улучшен за счет соответствующего улучшения технических характеристик провода индуктора.

Еще одна замечательная особенность этого преобразователя заключается в том, что выходной сигнал можно линейно изменять с помощью потенциометра, от минимально возможного диапазона до максимального диапазона.

Indroduction

DC-DC преобразователи, предназначенные для повышение напряжения автомобильного аккумулятора часто настраиваются вокруг источника питания с переключаемым режимом (SMPSU) или силового мультивибратора, приводящего в действие трансформатор.

Преобразователь мощности, описанный в этой статье, использует устройство Интегральная схема TL 497A от Texas Instruments . Эта конкретная ИС обеспечивает отличное регулирование напряжения с минимальным выходным шумом, что очень удобно, а также обеспечивает высокую производительность преобразования.

Как работает схема

Подробный здесь конвертер использует обратная топология . Теория обратного хода представляется наиболее подходящим и функциональным методом получения немедленного выходного напряжения, возникающего при более низком прямом входном напряжении.

Основным переключающим компонентом преобразователя является силовой SIPMOS-транзистор T1 (см. Рис. 1). В течение периода проводимости ток, проходящий через L1, экспоненциально увеличивается со временем.

Во время включения цикла переключения индуктор накапливает наведенную магнитную энергию.

Как только транзистор выключается, катушка индуктивности реверсирует накопленную магнитную энергию, преобразовывая ее в электрический ток через подключенную нагрузку через D1.

Во время этой процедуры крайне важно убедиться, что транзистор продолжает отключаться на время, пока магнитное поле на катушке индуктивности спадает до нуля.

Если это условие не выполняется, ток через катушку индуктивности возрастает до уровня насыщения. Эффект лавины впоследствии приводит к тому, что ток довольно быстро увеличивается.

Относительное время включения триггера управления транзистором или коэффициент заполнения, таким образом, не должно достигать уровня единицы. Максимально допустимый коэффициент заполнения зависит, в зависимости от других аспектов, от выходного напряжения.

Это потому, что он определяет скорость уменьшения напряженности магнитного поля. Наивысшая выходная мощность, которая может быть достигнута преобразователем, определяется максимально допустимым пиковым током, обрабатываемым катушкой индуктивности, и частотой переключения управляющего сигнала.

Ограничивающими элементами здесь в первую очередь являются момент насыщения и максимально допустимые характеристики катушки индуктивности для потерь в меди, а также пиковый ток через переключающий транзистор (не забывайте, что пик определенного уровня электрической энергии приходит на выход во время каждого переключения. пульс).

Использование IC TL497A для ШИМ

Работа этой микросхемы довольно нетрадиционна, что можно понять из краткого пояснения ниже. В отличие от традиционной реализации с фиксированной частотой и ИС контроллеров SMPSU с переменным коэффициентом заполнения, TL497A сертифицирован как устройство с фиксированной по времени и регулируемой частотой.

Поэтому коэффициент заполнения регулируется путем регулировки частоты для обеспечения постоянного выходного напряжения.

Такой подход реализует довольно простую схему, но, тем не менее, обеспечивает обратную сторону частоты переключения, заключающуюся в более низком диапазоне, который может быть слышен человеческим ухом для нагрузок, работающих с более низким током.

В действительности, после снятия нагрузки с преобразователя частота коммутации становится ниже 1 Гц. Слышны медленные щелчки из-за импульсов заряда, подключенных к выходным конденсаторам для поддержания фиксированного выходного напряжения.

Когда нагрузка не подключена, выходные конденсаторы, очевидно, имеют тенденцию постепенно разряжаться через резистор измерения напряжения.

Время включения внутреннего генератора IC TL497A является постоянным и определяется C1. Осциллятор можно отключить тремя способами:

• Первый, когда напряжение на выводе 1 увеличивается за пределы опорного напряжения (1,2 В)
• 2-й, когда ток индуктора превышает определенное максимальное значение
• И, в-третьих, посредством входа запрета (хотя и не используется в этой схеме).

В стандартном рабочем процессе внутренний генератор позволяет переключать T1 таким образом, что ток индуктивности увеличивается линейно.

Когда T1 выключен, магнитная энергия, накопленная внутри катушки индуктивности, возвращается через конденсатор, который заряжается через эту энергию обратной ЭДС.

Выходное напряжение, наряду с напряжением на выводе 1 микросхемы TL497A, немного повышается, что приводит к отключению генератора. Это продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не упадет до некоторого значительно более низкого уровня. Этот метод выполняется циклически, что касается теоретических предположений.

Однако в схеме с использованием реальных компонентов увеличение напряжения, вызванное зарядкой конденсаторов в течение одного интервала генератора, на самом деле настолько незначительно, что генератор остается активированным до тех пор, пока ток катушки индуктивности не достигнет наивысшего значения, что определяется компонентами R2 и R3 (падение напряжения вокруг R1 и R3 в этот момент обычно составляет 0,7 В).

Ступенчатое увеличение тока, как показано на рис. 2b, происходит из-за коэффициента заполнения сигнала генератора, который оказывается выше 0,5.

Как только достигается оптимальный ток, генератор отключается, позволяя катушке индуктивности передавать свою энергию через конденсаторы.

В этой конкретной ситуации выходное напряжение взлетает до величины, которая просто высока, чтобы гарантировать, что генератор отключен посредством вывода 1 IC. Выходное напряжение теперь быстро падает, так что новый цикл зарядки может запускаться и повторяться. процедура.

Однако, к сожалению, описанные выше процедуры переключения будут сочетаться со сравнительно большими потерями.

В реальной реализации эту проблему можно решить, установив время включения (через C1) достаточно высоким, чтобы гарантировать, что ток через катушку индуктивности никогда не достигнет самого высокого уровня за один интервал генератора (см. Рис. 3).

Решением в таких случаях может быть установка индуктора с воздушным сердечником, который имеет достаточно минимальную самоиндукцию.

Характеристики формы волны

Временные диаграммы на рис. 3 демонстрируют формы сигналов основных факторов схемы. Основной генератор внутри TL497A работает с пониженной частотой (ниже 1 Гц при отсутствии нагрузки на выходе преобразователя).

Мгновенное время при включении, обозначенное как прямоугольный импульс на рис. 3a, зависит от емкости конденсатора C1. Время отключения определяется током нагрузки. Во время включения транзистор T1 включается, вызывая увеличение тока катушки индуктивности (рис. 3b).

Во время периода выключения после импульса тока индуктор работает как источник тока.

TL497A анализирует ослабленный выходное напряжение на выводе 1 с его внутренним опорным напряжением 1,2 В. В случае оцененная напряжение ниже, чем опорное напряжение, Т1 смещено сложнее, так что катушка индуктивности адекватно хранит энергию.

Эти повторяющиеся циклы зарядки и разрядки вызывают определенный уровень пульсаций напряжения на выходных конденсаторах (рис. 3c). Опция обратной связи позволяет регулировать частоту генератора для обеспечения наилучшей компенсации дефицита напряжения, вызванного током нагрузки.

Временная диаграмма импульсов на рис. 3d показывает существенное изменение напряжения стока из-за относительно высокой добротности (добротности) катушки индуктивности.

Несмотря на то, что паразитные колебания пульсаций обычно не влияют на нормальную работу этого преобразователя постоянного тока в постоянный, их можно подавить с помощью параллельного резистора 1 кОм, подключенного к катушке индуктивности.

Практические соображения

Обычно схема SMPS разрабатывается для достижения максимального выходного тока вместо выходного тока покоя.

Высокая эффективность наряду с постоянным выходным напряжением вместе с минимальной пульсацией также становятся ключевыми задачами дизайна. В целом особенности регулирования нагрузки ИИП на основе обратноходового источника не вызывают особых опасений.

На протяжении каждого цикла переключения коэффициент включения / выключения или рабочий цикл регулируется относительно тока нагрузки, чтобы выходное напряжение оставалось относительно стабильным, несмотря на значительные колебания тока нагрузки.

Сценарий выглядит несколько иначе с точки зрения общей эффективности. Повышающий преобразователь, основанный на обратноходовой топологии, обычно производит довольно существенные всплески тока, которые могут вызвать значительную потерю энергии (не забывайте, что мощность возрастает экспоненциально с увеличением тока).

Однако в реальной эксплуатации рекомендуемая схема преобразователя постоянного тока в постоянный ток высокой мощности обеспечивает общий КПД лучше 70% при оптимальном выходном токе, что выглядит довольно впечатляюще с точки зрения простоты схемы.

Это, следовательно, требует, чтобы он перешел в режим насыщения, что приведет к разумно увеличенному времени выключения. Естественно, чем больше времени требуется транзистору для отключения тока катушки индуктивности, тем меньше будет общий КПД конструкции.

Совершенно нетрадиционным способом MOSFET BUZ10 переключается через вывод 11 тестового выхода генератора, а не через внутренний выходной транзистор.

Диод D1 - еще один важный компонент внутри схемы. Необходимые условия для этого устройства - это способность выдерживать сильные всплески тока и вялое падение вперед. Тип B5V79 удовлетворяет всем этим требованиям, и его не следует заменять каким-либо другим вариантом.

Возвращаясь к основной схеме цепи на рис. 1, необходимо внимательно отметить, что максимумы тока 15-20 А обычно не являются аномальными в цепи. Чтобы избежать проблем, связанных с батареями, имеющими сравнительно более высокое внутреннее сопротивление, конденсатор C4 вводится в качестве буфера на входе преобразователя.

Принимая во внимание, что выходные конденсаторы заряжаются преобразователем посредством быстрых импульсов, таких как всплески тока, пара конденсаторов подключается параллельно, чтобы убедиться, что пробегная емкость остается минимальной, насколько это возможно.

Преобразователь постоянного тока в постоянный фактически не имеет защиты от короткого замыкания. Короткое замыкание выходных клемм будет таким же, как короткое замыкание аккумулятора через D1 и L1. Самоиндукция L1 может быть недостаточно высокой, чтобы ограничить ток в течение периода, необходимого для срабатывания предохранителя.

Детали конструкции индуктора

L1 образован намоткой 33 с половиной витков эмалированного медного провода. На рисунке 5 показаны пропорции. Большинство компаний поставляют эмалированный медный провод поверх рулона из АБС-пластика, который обычно работает так же, как и первый, для изготовления индуктора.

Просверлите пару отверстий диаметром 2 мм в нижнем крае, чтобы пропустить провода индуктора. Одно из отверстий будет рядом с цилиндром, а другое - на внешней окружности первого.

Возможно, нецелесообразно рассматривать толстый провод для создания индуктора из-за явления скин-эффекта, который вызывает смещение носителей заряда вдоль внешней поверхности провода или оболочки провода. Это следует оценивать с учетом величины частот, используемых в преобразователе.

Чтобы гарантировать минимальное сопротивление в пределах необходимой индуктивности, рекомендуется работать с парой проводов диаметром 1 мм или даже с 3 или 4 проводами диаметром 0,8 мм в пучке.

Примерно три проволоки диаметром 0,8 мин позволят нам получить общий размер, который может быть приблизительно идентичен двум проволокам диаметром 1 мм, но при этом обеспечивает на 20% большую площадь поверхности.

Индуктор плотно намотан и может быть герметизирован соответствующей смолой или составом на основе эпоксидной смолы для контроля или подавления утечки звукового шума (помните, что частота работы находится в пределах слышимого диапазона).

Строительство и выравнивание

Печатная плата или конструкция печатной платы, предназначенная для предлагаемой схемы преобразователя постоянного тока большой мощности, представлена ​​ниже.

Необходимо учитывать несколько конструктивных факторов. Резисторы R2 и R3 могут сильно нагреваться, поэтому их следует устанавливать на несколько миллиметров выше поверхности печатной платы.

Максимальный ток, протекающий с помощью этих резисторов, может достигать 15 А.

Полевой транзистор питания также сильно нагреется, и для этого потребуется радиатор разумного размера и стандартный комплект для изоляции из слюды.

Диод может работать без охлаждения, хотя в идеале он может быть закреплен на общем радиаторе, используемом для силового полевого транзистора (не забудьте изолировать устройства электрически). При обычном функционировании индуктор может сильно нагреваться.

На входе и выходе этого преобразователя должны быть предусмотрены усиленные разъемы и кабели. Батарея защищена предохранителем с задержкой срабатывания на 16 А, установленным во входной линии питания.

Остерегайтесь того факта, что предохранитель не защитит преобразователь во время короткого замыкания на выходе! Схема довольно проста в настройке и может быть реализована следующим образом:

Отрегулируйте R1, чтобы получить желаемое выходное напряжение, которое, возможно, находится в диапазоне от 20 до 30 В. Выходное напряжение может быть ниже этого значения, но не должно быть меньше входного напряжения.

Это можно сделать, вставив резистор меньшего размера вместо R4. Ожидается, что максимальный выходной ток составит около 3 А.

Список деталей