Bài đăng giải thích cách tạo mạch chuyển đổi DC sang DC công suất cao sẽ nâng cấp DC 12 V lên bất kỳ mức cao hơn nào lên đến tối đa 30 V và ở tốc độ dòng điện 3 amp. Đầu ra dòng điện cao này có thể được tăng cường hơn nữa bằng cách nâng cấp phù hợp các thông số kỹ thuật của máy đo dây cuộn cảm.

Một tính năng tuyệt vời khác của bộ chuyển đổi này là đầu ra có thể được thay đổi tuyến tính thông qua một chiết áp, từ phạm vi tối thiểu có thể đến phạm vi tối đa.

Sinh sản

Bộ chuyển đổi DC -DC dành cho tăng điện áp pin ô tô thường được cấu hình xung quanh loại nguồn cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch (SMPSU) hoặc bộ điều khiển đa năng, điều khiển máy biến áp.

“sơ đồ cung cấp điện ”

Bộ chuyển đổi điện năng được giải thích trong bài viết này sử dụng thiết bị Mạch tích hợp TL 497A của Texas Instruments . IC đặc biệt này tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chỉnh điện áp tuyệt vời với tiếng ồn đầu ra tối thiểu được thực hiện khá thuận tiện và cũng đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao.

Cách hoạt động của mạch

Bộ chuyển đổi chi tiết ở đây sử dụng cấu trúc liên kết flyback . Lý thuyết flyback dường như là kỹ thuật phù hợp và chức năng nhất để có được điện áp đầu ra tức thì bắt nguồn từ điện áp đầu vào trực tiếp thấp hơn.

Thành phần chuyển mạch chính trong bộ chuyển đổi thực sự là một bóng bán dẫn SIPMOS công suất T1 (xem Hình 1). Trong thời gian dẫn của nó, dòng điện đi qua L1 tăng theo cấp số nhân với thời gian.

Trong thời gian BẬT của chu kỳ chuyển mạch, cuộn cảm tích trữ năng lượng từ trường cảm ứng.

Ngay sau khi bóng bán dẫn được tắt, cuộn cảm sẽ hoàn nguyên năng lượng từ trường được lưu trữ, chuyển nó thành dòng điện qua tải được kết nối thông qua D1.

Trong quy trình này, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng bóng bán dẫn tiếp tục được TẮT trong khoảng thời gian trong khi từ trường trên cuộn cảm giảm xuống 0.

Trong trường hợp điều kiện này không thực hiện được, dòng điện qua cuộn cảm sẽ tăng lên đến mức bão hòa. Một hiệu ứng tuyết lở sau đó dẫn đến hiện tại tối đa hóa khá nhanh chóng.

Do đó, thời gian ON điều khiển bóng bán dẫn tương đối kích hoạt, hoặc hệ số nhiệm vụ, không được phép đạt đến mức thống nhất. Hệ số nhiệm vụ tối đa cho phép, dựa trên nhiều khía cạnh khác, xung quanh điện áp đầu ra.

Điều này là do nó quyết định tốc độ phân rã của cường độ từ trường. Công suất đầu ra cao nhất có thể đạt được từ bộ chuyển đổi được xác định bởi dòng điện đỉnh cao nhất cho phép được xử lý bởi cuộn cảm và tần số chuyển mạch của tín hiệu điều khiển.

Các yếu tố hạn chế ở đây chủ yếu là thời điểm bão hòa và xếp hạng tối đa có thể chịu được của cuộn cảm đối với tổn thất đồng, cũng như dòng điện đỉnh qua bóng bán dẫn chuyển mạch (đừng quên rằng mức tăng đột biến của mức năng lượng điện cụ thể đến với đầu ra trong mỗi lần chuyển mạch xung).

Sử dụng IC TL497A cho PWM

Hoạt động của vi mạch này khá phi truyền thống, có thể hiểu được từ phần giải thích ngắn dưới đây. Không giống như các IC điều khiển SMPSU hệ số nhiệm vụ thay đổi, thực hiện tần số cố định thông thường, TL497A được chứng nhận là thiết bị tần số có thể điều chỉnh, đúng giờ cố định.

Do đó, hệ số nhiệm vụ được kiểm soát thông qua việc điều chỉnh tần số để đảm bảo điện áp đầu ra nhất quán.

Cách tiếp cận này đưa vào thực tế một mạch khá đơn giản, tuy nhiên cung cấp nhược điểm của tần số chuyển mạch đạt đến dải thấp hơn mà tai người có thể nghe được đối với tải làm việc với dòng điện thấp hơn.

Trong thực tế, tần số chuyển đổi dưới 1 Hz khi tải được lấy ra khỏi bộ chuyển đổi. Các tiếng tách chậm có thể nghe được do xung điện tích được kết nối với các tụ điện đầu ra để giữ điện áp đầu ra cố định.

Khi không có tải được gắn vào, các tụ điện đầu ra có xu hướng dần dần bị phóng điện qua điện trở cảm nhận điện áp.

Bộ dao động nội tại đúng thời gian của IC TL497A là không đổi và do C1 quyết định. Bộ tạo dao động có thể bị vô hiệu hóa theo ba phương pháp:

Thứ nhất, khi điện áp trên chân 1 tăng vượt quá điện áp tham chiếu (1,2 V)
Thứ hai, khi dòng điện dẫn vượt qua một giá trị cao nhất cụ thể
Và thứ 3, bằng đầu vào ức chế (mặc dù không được sử dụng trong mạch này).

Trong quá trình làm việc tiêu chuẩn, bộ dao động bên trong cho phép chuyển mạch của T1 sao cho dòng điện dẫn tăng tuyến tính.

Khi tắt T1, năng lượng từ trường tích lũy bên trong cuộn cảm bị đẩy ngược trở lại tụ điện được tích điện thông qua năng lượng emf trở lại này.

Điện áp đầu ra cùng với điện áp chân 1 của IC TL497A tăng lên một chút, làm cho bộ dao động ngừng hoạt động. Điều này tiếp tục cho đến khi điện áp đầu ra giảm xuống mức thấp hơn đáng kể Kỹ thuật này được thực hiện theo cách tuần hoàn, theo như giả thiết lý thuyết có liên quan.

Tuy nhiên, trong một sự sắp xếp sử dụng các linh kiện thực tế, sự gia tăng điện áp gây ra khi sạc tụ điện trong một khoảng thời gian dao động thực sự rất nhỏ nên bộ dao động vẫn được kích hoạt cho đến khi dòng điện dẫn đạt được giá trị cao nhất, được xác định bởi các thành phần R2 và R3 (điện áp giảm xung quanh R1 và R3 thường là 0,7 V tại thời điểm này).

Sự gia tăng một cách khôn ngoan của dòng điện như được chỉ ra trong Hình 2b là do hệ số nhiệm vụ của tín hiệu dao động xảy ra cao hơn 0,5.

Ngay sau khi đạt được dòng điện tối ưu đạt được, bộ dao động sẽ ngừng hoạt động, cho phép cuộn cảm truyền năng lượng của nó qua các tụ điện.

Trong tình huống cụ thể này, điện áp đầu ra tăng vọt đến mức vừa đủ cao để đảm bảo rằng bộ dao động được TẮT bằng chân IC 1. Điện áp đầu ra lúc này nhanh chóng giảm xuống, do đó chu kỳ sạc mới có thể bắt đầu và lặp lại thủ tục.

Tuy nhiên, đáng buồn thay, các thủ tục chuyển đổi được thảo luận ở trên sẽ được kết hợp với một khoản lỗ tương đối lớn.

Trong thực tế cuộc sống, vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách thiết lập thời gian đúng giờ (qua C1) đủ cao để đảm bảo rằng dòng điện qua cuộn cảm không bao giờ mở rộng đến mức cao nhất trong một khoảng dao động (xem Hình 3).

Biện pháp khắc phục trong những trường hợp như vậy có thể là kết hợp một cuộn cảm cuộn dây không khí, có độ tự cảm tối thiểu hợp lý.

Đặc điểm dạng sóng

Biểu đồ thời gian trong Hình 3 thể hiện dạng sóng tín hiệu dựa trên các yếu tố chính của mạch. Bộ dao động chính bên trong TL497A hoạt động với tần số giảm (dưới I Hz khi không có tải ở đầu ra bộ chuyển đổi te).

Thời gian tức thời trong khi bật công tắc, được biểu thị là xung hình chữ nhật trong Hình 3a, phụ thuộc vào giá trị của tụ điện C1. Thời gian đóng cắt được thiết lập bởi dòng tải. Trong quá trình chuyển đổi thời gian, bóng bán dẫn T1 chuyển sang BẬT làm cho dòng điện dẫn tăng lên (Hình 3b).

Trong khoảng thời gian TẮT công tắc sau xung hiện tại, cuộn cảm hoạt động giống như một nguồn hiện tại.

TL497A phân tích điện áp đầu ra suy giảm ở chân 1 với điện áp tham chiếu bên trong của nó là 1,2 V. Trong trường hợp điện áp được đánh giá thấp hơn điện áp tham chiếu, T1 được phân cực cứng hơn để cuộn cảm tích trữ năng lượng đầy đủ.

Chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại này gây ra một mức điện áp gợn sóng nhất định trên các tụ điện đầu ra (Hình 3c). Tùy chọn phản hồi cho phép điều chỉnh tần số bộ dao động để đảm bảo bù đắp tốt nhất có thể cho sự thiếu hụt điện áp do dòng tải gây ra.

Biểu đồ xung thời gian trong Hình 3d cho thấy sự chuyển động đáng kể của điện áp xả do hệ số Q (chất lượng) của cuộn cảm tương đối cao.

Mặc dù các dao động gợn sóng lạc chỗ thường không ảnh hưởng đến hoạt động thường xuyên của bộ chuyển đổi nguồn DC sang DC này, nhưng chúng có thể bị triệt tiêu bằng cách sử dụng một điện trở 1 k song song trên cuộn cảm.

Cân nhắc thực tế

Thông thường, một mạch SMPS được phát triển để đạt được dòng điện đầu ra tối đa thay vì dòng điện đầu ra tĩnh.

Hiệu suất cao cùng với điện áp đầu ra ổn định cùng với độ gợn sóng tối thiểu cũng trở thành mục tiêu thiết kế chính. Nhìn chung, các tính năng điều chỉnh tải trọng của một SMPS dựa trên flyback hầu như không cung cấp bất kỳ lý do gì để lo ngại.

Trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, tỷ lệ bật / tắt hoặc chu kỳ làm việc được điều chỉnh tương ứng với dòng tải, để điện áp đầu ra tiếp tục tương đối ổn định mặc dù có sự dao động đáng kể về dòng điện tải.

Kịch bản có vẻ hơi khác về hiệu quả chung. Một bộ chuyển đổi nâng cấp dựa trên cấu trúc liên kết flyback thường tạo ra các xung dòng khá lớn, có thể gây ra sự mất năng lượng đáng kể (đừng quên rằng công suất tăng theo cấp số nhân khi dòng điện tăng lên).

Tuy nhiên, trong hoạt động thực tế, mạch chuyển đổi DC sang DC công suất cao được khuyến nghị cung cấp hiệu suất tổng thể tốt hơn 70% với dòng điện đầu ra tối ưu và điều đó trông khá ấn tượng liên quan đến sự đơn giản của bố cục.

Do đó, điều này đòi hỏi nó phải được cung cấp điện vào trạng thái bão hòa, dẫn đến thời gian tắt mở rộng hợp lý. Đương nhiên, càng cần nhiều thời gian để bóng bán dẫn cắt dòng điện dẫn, thì hiệu suất toàn phần của thiết kế sẽ càng thấp.

Theo một cách khá độc đáo, MOSFET BUZ10 được chuyển qua chân 11 của đầu ra kiểm tra dao động, thay vì bóng bán dẫn đầu ra bên trong.

Diode D1 là một thành phần quan trọng khác bên trong mạch. Các nhu cầu cần thiết cho đơn vị này là khả năng chịu đựng mức tăng đột biến hiện tại và sụt giảm chậm chạp về phía trước. Loại B5V79 đáp ứng tất cả các yêu cầu này và không được thay thế bằng một số biến thể khác.

Quay trở lại sơ đồ mạch chính của Hình 1, cần phải lưu ý cẩn thận rằng mức cao hiện tại 15-20 A nói chung không phải là bất thường trong mạch. Để tránh các vấn đề phát triển với pin có điện trở bên trong tương đối cao hơn, tụ điện C4 được đưa vào giống như một bộ đệm ở đầu vào của bộ chuyển đổi.

Xem xét rằng các tụ điện đầu ra được bộ chuyển đổi sạc thông qua các xung nhanh, giống như xung dòng điện, một vài tụ điện được nối song song để đảm bảo rằng điện dung chạy một chiều vẫn ở mức tối thiểu có thể.

Bộ chuyển đổi nguồn DC sang DC thực sự không có tính năng bảo vệ ngắn mạch. Việc đoản mạch các cực đầu ra sẽ giống hệt như đoản mạch pin qua D1 và L1. Độ tự cảm của L1 có thể không đủ cao để hạn chế dòng điện trong khoảng thời gian cần thiết để có thể thổi cầu chảy.

Chi tiết cấu tạo cuộn cảm

L1 được tạo ra bằng cách quấn 33 vòng rưỡi của dây đồng tráng men. Hình 5 thể hiện các tỷ lệ. Phần lớn các công ty cung cấp dây đồng tráng men trên cuộn ABS, thường hoạt động giống như trước đây để chế tạo cuộn cảm.

Khoan một vài lỗ 2 mm ở cạnh dưới để luồn dây dẫn vào. Một trong các lỗ sẽ nằm gần hình trụ trong khi lỗ còn lại ở chu vi bên ngoài của lỗ trước.

Có thể không hữu ích khi coi dây dày để tạo ra cuộn cảm, do hiện tượng hiệu ứng vỏ, gây ra sự dịch chuyển của các hạt tải điện dọc theo bề mặt ngoài của dây hoặc vỏ của dây. Điều này cần được đánh giá liên quan đến cường độ của tần số được sử dụng trong bộ chuyển đổi.

Để đảm bảo một điện trở tối thiểu trong độ tự cảm cần thiết, nó được khuyến khích làm việc với một vài dây có đường kính 1 mm, hoặc thậm chí 3 hoặc 4 dây có đường kính 0,8 mm.

Khoảng ba dây 0,8 min sẽ cho phép chúng tôi có được tổng kích thước có thể gần giống với hai dây 1 mm, nhưng vẫn cung cấp diện tích bề mặt hiệu dụng cao hơn 20%.

Cuộn cảm được quấn chặt và có thể được bịt kín bằng cách sử dụng hợp chất gốc epoxy hoặc nhựa thích hợp để kiểm soát hoặc ngăn chặn sự rò rỉ tiếng ồn (hãy nhớ rằng tần số hoạt động nằm trong phạm vi có thể nghe được).

Xây dựng và liên kết

Bảng mạch in hoặc thiết kế PCB dành cho mạch chuyển đổi DC DC công suất cao được đề xuất được trình bày bên dưới.

Một số yếu tố xây dựng cần phải có một số cân nhắc. Điện trở R2 và R3 có thể trở nên khá nóng và do đó nên được lắp đặt ở độ cao vài mm so với bề mặt PCB.

Dòng điện cực đại di chuyển bằng các điện trở này có thể đạt tới 15 A.

Power-FET cũng sẽ trở nên nóng đáng kể, và sẽ yêu cầu một bộ tản nhiệt có kích thước hợp lý và bộ cách điện mica tiêu chuẩn.

Đi-ốt có thể hoạt động mà không cần làm mát, mặc dù lý tưởng nhất là nó được kẹp trên một bộ tản nhiệt thông thường được sử dụng cho FET nguồn (hãy nhớ cách điện các thiết bị). Trong khi hoạt động bình thường, cuộn cảm có thể cho thấy mức độ nóng lên đáng kể.

Các đầu nối và cáp hạng nặng phải được kết hợp ở đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi này. Pin được bảo vệ bằng cầu chì hành động chậm 16 A được đưa vào trong đường cung cấp đầu vào.

Hãy coi chừng thực tế là cầu chì sẽ không cung cấp bất kỳ hình thức bảo vệ nào cho bộ chuyển đổi trong quá trình ngắn mạch đầu ra! Mạch khá dễ cài đặt và có thể được thực hiện theo cách sau:

Điều chỉnh R1 để đạt được điện áp đầu ra dự định nằm trong khoảng từ 20 đến 30 V. Điện áp đầu ra có thể giảm xuống dưới mức này, mặc dù không được nhỏ hơn điện áp đầu vào.

Điều này có thể được thực hiện bằng cách chèn một điện trở nhỏ hơn vào vị trí của R4. Dòng điện đầu ra cao nhất có thể được mong đợi là xấp xỉ 3 A.