TL494降压转换电路原理及电路图!
电路一点通 2023-06-12

今天给大家分享的是:基于TL494的降压转换器电路。

降压转换器(降压转换器)是一种DC-DC 开关转换器,可在降低电压的同时保持恒定的功率平衡。降压转换器的主要特点是效率,这意味着板载降压转换器可以延长电池寿命、减少热量、减小尺寸并提高效率。


一、降压转换器如何工作?

降压转换器

上图显示了一个基本的降压转换器电路。如果要了解降压转换器的工作原理,可以分2种情况,一是晶体管导通、二是晶体管关断。

1、晶体管导通状态

晶体管导通状态

在这种情况下,我们可以看到极管处于开路状态,因为它处于反向偏置状态。在这种情况下,一些初始电流将开始流过负载,但电流受到电感的限制,因此电感也开始逐渐充电。因此,在电路导通期间,电容周期积累电荷,并且该电压反映在负载两端。

2、晶体管关断状态

晶体管导通状态

当晶体管处于截止状态时,存储在电感 L1 中的能量崩溃并通过二极管 D1 流回,如电路中的箭头所示。在这种情况下,电感两端的电压呈反极性,因此二极管处于正向偏置状态。现在由于电感磁场的崩溃,电流继续流过负载,直到电感耗尽电荷。

在电感几乎耗尽存储能量的一段时间后,负载电压再次开始下降,在这种情况下,电容 C1 成为主要电流源,电容在那里保持电流流动直到下一个周期开始再次。

通过改变开关频率和开关时间,我们可以从降压转换器获得从 0 到 Vin 的任何输出。

三、集成电路 TL494


在构建TL494降压转换器下之前,先了解 PWM 控制器 TL494 的工作原理。TL494 IC 有 8 个功能块,如下所示和描述。

集成电路 TL494

1、5V 参考稳压器

5V 内部参考稳压器输出是 REF 引脚 IC 的引脚 14参考稳压器为内部电路提供稳定的电源,如脉冲控制触发器、振荡器、死区时间控制比较器和 PWM 比较器。稳压器还用于驱动负责控制输出的误差放大器。

5V 参考稳压器

该基准在内部编程为 ±5% 的初始精度,并在 7V 至 40V 的输入电压范围内保持稳定性。对于低于 7V 的输入电压,稳压器在输入的 1V 范围内饱和并跟踪它。

2、振荡器

振荡器生成锯齿波并向死区时间控制器和 PWM 比较器提供各种控制信号。振荡器的频率可以通过选择定时元件R T 和 C T来设置。

振荡器

振荡器的频率可以通过下面的公式计算:

F= 1/(RT * CT)

仅对于单端应用,振荡器频率等于输出频率。对于推挽应用,输出频率是振荡器频率的二分之一。

3、死区时间控制比较器

死区时间或简单地说关断时间控制提供最小死区时间或关断时间。当输入电压大于振荡器的斜坡电压时,死区时间比较器的输出会阻止开关晶体管。向DTC引脚施加电压会产生额外的死区时间,因此当输入电压从 0 到 3V 变化时,会提供从最小值 3% 到 100% 的额外死区时间。简单来说,我们可以在不调整误差放大器的情况下改变输出波的占空比

死区时间控制比较器

110 mV 的内部偏移确保死区时间控制输入接地时的最小死区时间为 3%。

4、 误差放大器

两个高增益误差放大器都从 VI 电源轨接收偏置。允许共模输入电压范围从 –0.3 V 到 2 V,低于 VI。两个放大器的行为都具有单端单电源放大器的特征,因为每个输出仅为高电平有效。

误差放大器

5、输出控制输入

输出控制输入


输出控制输入决定了输出晶体管是以并联模式还是以推挽模式运行。通过将引脚 13 的输出控制引脚接地,可将输出晶体管设置为并联运行模式。但通过将此引脚连接到 5V-REF 引脚,可将输出晶体管设置为推挽模式

6、输出晶体管

该 IC 有两个内部输出晶体管,采用集电极开路和发射极开路配置,通过它们可以提供或吸收高达 200mA 的最大电流。

输出晶体管

这些晶体管在共发射极配置中的饱和电压小于 1.3 V,在射极跟随器配置中的饱和电压小于 2.5 V。

四、TL494 IC的特点

  • 完整的 PWM 电源控制电路
  • 用于 200mA 灌电流或拉电流的未指定输出
  • 输出控制选择单端或推挽操作
  • 内部电路禁止在任一输出端出现双脉冲
  • 可变死区时间提供对总范围的控制
  • 内部稳压器提供稳定的 5V
  • 具有 5% 容差的参考电源
  • 电路架构允许轻松同步

五、TL494降压转换电路元器件清单

  • TL494 集成电路 - 1
  • TIP2955 晶体管 - 1
  • 螺钉端子 5mmx2 - 2
  • 1000uF,60V电容 - 1个
  • 470uF,60V 电容 - 1
  • 50K,1% 电阻 - 1
  • 560R 电阻 - 1
  • 10K,1% 电阻 - 4
  • 3.3K,1% 电阻 - 2
  • 330R 电阻 - 1
  • 0.22uF 电容 - 1 个
  • 5.6K,1W电阻 - 1个
  • 12.1V 齐纳二极管 - 1
  • MBR20100CT 肖特基二极管 - 1
  • 70uH (27 x 11 x 14 ) mm 电感 - 1
  • 电位计 (10K) Trim-Pot - 1
  • 0.22R 电流检测电阻 - 2
  • 复合板通用 50x 50mm - 1
  • PSU 散热器通用 - 1
  • 跳线通用 - 15

六、TL494降压转换电路原理图,示意图

高效降压转换器的电路图如下所示。

TL494降压转换电路原理图

七、TL494降压转换电路

如果将大负载连接到输出降压转换器,那么大量电流将流过PCB走线,并且走线有可能被烧毁。(电路一点通)因此为了防止PCB走线烧坏,加入了一些有助于增加电流的跳线,另外用厚厚的焊料层加固了PCB走线,用来降低走线电路。

电感由 3 股平行的 0.45 平方毫米漆包铜线构成。


八、TL494降压转换电路 PCB 3D浏览图

对于大电流降压转换器,电路是根据原理图和PCB设计文件(Gerber 文件)制作的。通过Gerber文件还可以查看 3D浏览图,具体如下所示:

如果想获取Gerber文件,浏览 3D流览图链接:
https://www.aiema.cn/share?t=share&id=6JXn&name=TL494%E9%99%8D%E5%8E%8B%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8

1、PCB 正面图

PCB 正面图

2、PCB 背面图

PCB 背面图

3、PCB 透视图

PCB 透视图

4、PCB 等轴视图

PCB 等轴图

5、PCB 分层图

PCB 分层图


九、TL494降压转换电路数值计算

为了计算正确的电感和电容,做了一个这样的表格

TL494降压转换电路数值计算


十、测试TL494降压转换电路

为了测试电路,使用以下设置,如上图所示,输入电压为41.17V,空载电流为 0.015 A,所以空载功率低于0.6W。

测试TL494降压转换电路

1、用于测试电路的工具

  • 12V铅酸电池。

  • 具有 6-0-6 抽头和 12-0-12 抽头的变压器

  • 5 10W 10r 电阻并联作为负载

  • Meco 108B+真有效值万用表

  • Meco 450B+真有效值万用表

  • Hantek 6022BE 示波器

2、TL494降压转换器输入功率

TL494降压转换器输入功率


从上图中可以看出,负载条件下输入电压降至27.45V,输入电流为3.022A,相当于82.9539W的输入功率。

3、TL494降压转换器输出功率

TL494降压转换器输出功率

从上图中可以看出,输出电压为 12.78V输出电流为 5.614A,相当于 71.6958W 的功率消耗。

所以电路的效率变为(71.6958 / 82.9539) x 100 % = 86.42 %

电路中的损耗是由于为 TL494 IC 供电的电阻和测试表中绝对最大电流消耗。

TKL494降压转换器损耗功率

从上图可以看出,电路的最大电流为6.96 A,差不多。

在这种情况下,电路最主要的问题是变压器,所以没有增加负载电流。但是通过设计散热器,也可以获得超过10A的电流。

十一、TL494降压转换电路改进

上面这个TL494降压转换器电路主要是为了演示,但是应该在电路输出部分增加保护电路的

  • 必须加一个输出保护电路来保护负载电路。

  • 电感需要浸入清漆中,否则会产生噪声。

  • PCB设计应该更精致一点,不应该这么粗糙。

  • 修改开关晶体管以增加负载电流。


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