Hochleistungs-DC / DC-Wandlerkreis - 12 V bis 30 V variabel

In diesem Beitrag wird erläutert, wie eine Hochleistungs-DC / DC-Aufwärtswandlerschaltung hergestellt wird, die 12 V DC auf einen höheren Pegel von maximal 30 V und eine Stromrate von 3 Ampere erhöht. Diese Hochstromleistung kann weiter verbessert werden, indem die Spezifikationen der Induktordrahtlehre in geeigneter Weise verbessert werden.

Ein weiteres großartiges Merkmal dieses Wandlers ist, dass der Ausgang über ein Potentiometer linear vom minimal möglichen Bereich bis zum maximalen Bereich variiert werden kann.

Einführung

DC-DC-Wandler für Erhöhung der Autobatteriespannung werden häufig um ein Schaltnetzteil (SMPSU) oder einen Leistungsmultivibrator herum konfiguriert, der einen Transformator antreibt.

Der in diesem Artikel erläuterte Stromrichter verwendet das Gerät TL 497A integrierte Schaltung von Texas Instruments . Dieser spezielle IC ermöglicht eine ausgezeichnete Spannungsregelung mit minimalem Ausgangsrauschen, die ziemlich bequem erreicht werden kann, und gewährleistet ebenfalls eine hohe Wandlungsleistung.

Wie die Schaltung funktioniert

Der hier beschriebene Konverter verwendet a Flyback-Topologie . Die Flyback-Theorie scheint die am besten geeignete und funktionellste Technik zu sein, um eine sofortige Ausgangsspannung zu erhalten, die von einer niedrigeren direkten Eingangsspannung herrührt.

Die Hauptschaltkomponente im Wandler ist tatsächlich ein Leistungs-SIPMOS-Transistor T1 (siehe 1). Während seiner Leitungsperiode steigt der durch L1 fließende Strom mit der Zeit exponentiell an.

Während der EIN-Zeit des Schaltzyklus speichert der Induktor die induzierte magnetische Energie.

Sobald der Transistor ausgeschaltet ist, wandelt der Induktor die gespeicherte magnetische Energie um und wandelt sie über D1 über die angeschlossene Last in elektrischen Strom um.

Während dieses Vorgangs ist es wichtig sicherzustellen, dass der Transistor für den Zeitraum, in dem das Magnetfeld am Induktor auf Null abfällt, weiterhin ausgeschaltet bleibt.

Falls diese Bedingung nicht erfüllt werden kann, steigt der Strom über die Induktivität bis zum Sättigungspegel an. Ein Lawineneffekt führt anschließend dazu, dass der Strom ziemlich schnell maximiert wird.

Die Einschaltzeit des relativen Transistorsteuerungs-Triggers oder der Tastverhältnis sollte daher nicht auf das Einheitspegel gelangen dürfen. Der maximal zulässige Tastverhältnis hängt unter verschiedenen anderen Aspekten von der Ausgangsspannung ab.

Dies liegt daran, dass es die Abklingrate der Magnetfeldstärke bestimmt. Die höchste Ausgangsleistung, die vom Wandler erreicht werden könnte, wird durch den höchsten zulässigen Spitzenstrom, der von der Induktivität verarbeitet wird, und die Schaltfrequenz des Ansteuersignals bestimmt.

Die einschränkenden Elemente sind hier in erster Linie der Sättigungszeitpunkt und die maximal tolerierbaren Nennwerte des Induktors für die Kupferverluste sowie der Spitzenstrom über den Schalttransistor (vergessen Sie nicht, dass bei jedem Schaltvorgang eine Spitze eines bestimmten elektrischen Energieniveaus an den Ausgang gelangt Impuls).

Verwendung des IC TL497A für das PWM

Die Arbeitsweise dieses IC ist nicht traditionell, was aus einer kurzen Erklärung unten verstanden werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Implementierung von SMPSU-Controller-ICs mit festem Frequenzfaktor und fester Frequenz ist der TL497A als Gerät mit fester, pünktlicher und einstellbarer Frequenz zertifiziert.

Daher wird der Tastverhältnis durch Frequenzeinstellung gesteuert, um eine gleichmäßige Ausgangsspannung sicherzustellen.

Dieser Ansatz bringt eine ziemlich einfache Schaltung in die Realität, bietet jedoch den Nachteil, dass die Schaltfrequenz einen niedrigeren Bereich erreicht, der für das menschliche Ohr für Lasten hörbar sein kann, die mit niedrigerem Strom arbeiten.

In der Realität wird die Schaltfrequenz unter 1 Hz, sobald die Last vom Wandler entfernt wird. Das langsame Klicken ist aufgrund der an die Ausgangskondensatoren angeschlossenen Ladeimpulse hörbar, um eine feste Ausgangsspannung zu halten.

Wenn keine Last angeschlossen ist, neigen die Ausgangskondensatoren offensichtlich dazu, sich allmählich durch den Spannungserfassungswiderstand zu entladen.

Die Einschaltzeit des internen Oszillators des IC TL497A ist konstant und wird von C1 festgelegt. Der Oszillator kann auf drei Arten deaktiviert werden:

• 1. wenn die Spannung an Pin 1 über die Referenzspannung (1,2 V) ansteigt
• 2. wenn der Induktorstrom einen bestimmten höchsten Wert überschreitet
• Und drittens mittels des Sperreingangs (obwohl in dieser Schaltung nicht verwendet).

Während des normalen Arbeitsprozesses ermöglicht der interne Oszillator das Schalten von T1 derart, dass der Induktorstrom linear ansteigt.

Wenn T1 ausgeschaltet wird, wird die im Induktor akkumulierte magnetische Energie über den Kondensator zurückgeworfen, die durch diese Gegen-EMK-Energie aufgeladen werden.

Die Ausgangsspannung steigt zusammen mit der Spannung von Pin 1 des IC TL497A leicht an, wodurch der Oszillator deaktiviert wird. Dies setzt sich fort, bis die Ausgangsspannung auf ein deutlich niedrigeres Niveau gefallen ist. Diese Technik wird nach theoretischer Annahme zyklisch ausgeführt.

Bei einer Anordnung unter Verwendung tatsächlicher Komponenten ist der Spannungsanstieg, der durch das Laden der Kondensatoren in einem einzelnen Oszillatorintervall induziert wird, tatsächlich so gering, dass der Oszillator aktiviert bleibt, bis der Induktorstrom den höchsten Wert erreicht, wie durch die Komponenten R2 und bestimmt R3 (der Spannungsabfall um R1 und R3 beträgt zu diesem Zeitpunkt normalerweise 0,7 V).

Der schrittweise Anstieg des Stroms, wie in Fig. 2b gezeigt, ist auf den Oszillatorsignal-Tastverhältnis zurückzuführen, der zufällig höher als 0,5 ist.

Sobald der erreichte optimale Strom erreicht ist, wird der Oszillator deaktiviert, so dass der Induktor seine Energie über die Kondensatoren übertragen kann.

In dieser besonderen Situation steigt die Ausgangsspannung auf eine gerade hohe Größe an, um sicherzustellen, dass der Oszillator mittels IC-Pin 1 ausgeschaltet wird. Die Ausgangsspannung fällt jetzt schnell ab, so dass ein neuer Ladezyklus beginnen und sich wiederholen kann das Verfahren.

Leider werden die oben diskutierten Schaltvorgänge jedoch mit vergleichsweise großen Verlusten verbunden sein.

In einer realen Implementierung kann dieses Problem behoben werden, indem die Einschaltzeit (über C1) so hoch eingestellt wird, dass sichergestellt ist, dass der Strom durch die Induktivität in einem einzelnen Oszillatorintervall niemals den höchsten Pegel erreicht (siehe Abb. 3).

Das Mittel in solchen Fällen kann der Einbau eines Induktors mit Luftkern sein, der eine vernünftig minimale Selbstinduktivität aufweist.

Wellenformcharakteristiken

Die Zeitdiagramme in Fig. 3 zeigen Signalwellenformen der Schlüsselfaktoren von der Schaltung. Der Hauptoszillator im TL497A arbeitet mit einer reduzierten Frequenz (unter 1 Hz, wenn am Wandlerausgang keine Last anliegt).

Die momentane Zeit während des Einschaltens, die in Fig. 3a als Rechteckimpuls angegeben ist, hängt vom Wert des Kondensators C1 ab. Die Ausschaltzeit wird durch den Laststrom festgelegt. Während des Einschaltvorgangs schaltet der Transistor T1 EIN, wodurch der Induktorstrom ansteigt (Fig. 3b).

Während der Ausschaltzeit nach dem Stromimpuls arbeitet der Induktor wie eine Stromquelle.

Der TL497A analysiert die gedämpfte Ausgangsspannung an Pin 1 mit seiner internen Referenzspannung von 1,2 V. Wenn die bewertete Spannung niedriger als die Referenzspannung ist, wird T1 stärker vorgespannt, damit der Induktor die Energie angemessen speichert.

Diese wiederholten Lade- und Entladezyklen lösen eine bestimmte Welligkeitsspannung an den Ausgangskondensatoren aus (Abb. 3c). Die Rückkopplungsoption ermöglicht die Einstellung der Oszillatorfrequenz, um eine bestmögliche Kompensation der durch den Laststrom verursachten Spannungsdefizite sicherzustellen.

Das Zeitimpulsdiagramm in 3d zeigt eine wesentliche Bewegung der Drain-Spannung aufgrund des relativ hohen Q-Faktors (Qualitätsfaktors) des Induktors.

Obwohl die Streuwelligkeitsschwingungen normalerweise die reguläre Funktion dieses DC / DC-Stromrichters nicht beeinträchtigen, könnten diese unter Verwendung eines parallelen 1 k-Widerstands über der Induktivität unterdrückt werden.

Praktische Überlegungen

Normalerweise wird eine SMPS-Schaltung entwickelt, um einen maximalen Ausgangsstrom anstelle eines ruhenden Ausgangsstroms zu erreichen.

Ein hoher Wirkungsgrad zusammen mit einer konstanten Ausgangsspannung bei minimaler Welligkeit werden zusätzlich zu den wichtigsten Entwurfszielen. Insgesamt geben die Lastregelungsfunktionen eines Flyback-basierten SMPS kaum Anlass zur Sorge.

Während jedes Schaltzyklus wird das Ein / Aus-Verhältnis oder das Tastverhältnis relativ zum Laststrom angepasst, damit die Ausgangsspannung trotz erheblicher Laststromschwankungen weiterhin relativ konstant bleibt.

Das Szenario sieht in Bezug auf die allgemeine Effizienz etwas anders aus. Ein auf der Flyback-Topologie basierender Aufwärtswandler erzeugt normalerweise ziemlich erhebliche Stromspitzen, die einen erheblichen Energieverlust auslösen können (vergessen Sie nicht, dass die Leistung mit zunehmendem Strom exponentiell ansteigt).

Im realen Betrieb bietet die empfohlene Hochleistungs-DC / DC-Wandlerschaltung jedoch einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 70% bei optimalem Ausgangsstrom, was im Hinblick auf die Einfachheit des Layouts ziemlich beeindruckend aussieht.

Dies erfordert folglich, dass es in die Sättigung gebracht wird, was zu einer angemessen verlängerten Ausschaltzeit führt. Je mehr Zeit der Transistor benötigt, um den Induktorstrom abzuschalten, desto geringer ist natürlich der Gesamtwirkungsgrad des Entwurfs.

Auf ganz unkonventionelle Weise wird der MOSFET BUZ10 anstelle des internen Ausgangstransistors über den Pin 11 des Oszillatortestausgangs geschaltet.

Die Diode D1 ist eine weitere wichtige Komponente innerhalb der Schaltung. Die Notwendigkeit für dieses Gerät besteht darin, dass hohe Stromspitzen und ein langsamer Vorwärtsabfall zu ertragen sind. Der Typ B5V79 erfüllt alle diese Anforderungen und sollte nicht durch eine andere Variante ersetzt werden.

Zurück zum Hauptschaltbild von Fig. 1 ist sorgfältig zu beachten, dass Stromhöhen von 15 bis 20 A im Stromkreis im Allgemeinen nicht abnormal sind. Um Probleme mit Batterien mit einem vergleichsweise höheren Innenwiderstand zu vermeiden, wird der Kondensator C4 wie ein Puffer am Eingang des Wandlers eingeführt.

In Anbetracht der Tatsache, dass die Ausgangskondensatoren vom Wandler durch schnelle Impulse wie Stromspitzen aufgeladen werden, werden einige Kondensatoren parallel geschaltet, um sicherzustellen, dass die Durchlaufkapazität so gering wie möglich bleibt.

Der DC / DC-Stromrichter verfügt tatsächlich nicht über einen Kurzschlussschutz. Das Kurzschließen der Ausgangsklemmen entspricht genau dem Kurzschließen der Batterie über D1 und L1. Die Selbstinduktivität von L1 ist möglicherweise nicht hoch genug, um den Strom für den Zeitraum zu begrenzen, der erforderlich ist, damit eine Sicherung durchbrennen kann.

Konstruktionsdetails des Induktors

L1 wird durch Wickeln von 33 und halben Windungen aus emailliertem Kupferdraht erzeugt. Fig. 5 zeigt die Proportionen. Die Mehrheit der Unternehmen liefert emaillierten Kupferdraht über eine ABS-Rolle, die normalerweise wie die erstere für den Bau des Induktors funktioniert.

Bohren Sie ein paar 2-mm-Löcher in die Unterkante, um die Induktordrähte zu verschieben. Eines der Löcher befindet sich in der Nähe des Zylinders, das andere am Außenumfang des ersteren.

Aufgrund des Hauteffekt-Phänomens, das die Verschiebung von Ladungsträgern entlang der Außenfläche des Drahtes oder der Haut des Drahtes verursacht, ist es möglicherweise nicht sinnvoll, einen dicken Draht in Betracht zu ziehen, um den Induktor aufzubauen. Dies sollte im Hinblick auf die Größe der im Wandler verwendeten Frequenzen bewertet werden.

Um einen minimalen Widerstand innerhalb der erforderlichen Induktivität zu gewährleisten, wird empfohlen, mit ein paar Drähten mit einem Durchmesser von 1 mm oder sogar mit 3 oder 4 Drähten mit einem Durchmesser von 0,8 mm zu arbeiten.

Etwa drei 0,8-minütige Drähte ermöglichen es uns, eine Gesamtabmessung zu erhalten, die ungefähr identisch mit zwei 1-mm-Drähten sein kann, jedoch eine effektiv um 20% höhere Oberfläche bietet.

Der Induktor ist dicht gewickelt und kann mit einem geeigneten Harz oder einer Verbindung auf Epoxidbasis abgedichtet werden, um die hörbare Geräuschleckage zu kontrollieren oder zu unterdrücken (denken Sie daran, dass die Betriebsfrequenz innerhalb des hörbaren Bereichs liegt).

Konstruktion und Ausrichtung

Die Leiterplatte oder das Leiterplattendesign, das für die vorgeschlagene Hochleistungs-DC-DC-Wandlerschaltung vorgesehen ist, ist nachstehend dargestellt.

Einige konstruktive Faktoren müssen berücksichtigt werden. Die Widerstände R2 und R3 können sehr heiß werden und sollten daher nur wenige mm über der Leiterplattenoberfläche installiert werden.

Der maximale Strom, der sich mit diesen Widerständen bewegt, kann bis zu 15 A erreichen.

Der Power-FET wird auch erheblich heiß und erfordert einen Kühlkörper mit angemessener Größe und das Standard-Glimmerisolierungskit.

Die Diode kann möglicherweise ohne Abkühlung arbeiten, obwohl sie idealerweise über einen gemeinsamen Kühlkörper geklemmt werden kann, der für den Leistungs-FET verwendet wird (denken Sie daran, die Geräte elektrisch zu isolieren). Während des normalen Betriebs kann der Induktor eine angemessene Erwärmung aufweisen.

Am Ein- und Ausgang dieses Konverters sollten Hochleistungsstecker und -kabel eingebaut werden. Die Batterie ist mit einer 16-A-Sicherung mit verzögerter Wirkung geschützt, die in die Eingangsversorgungsleitung eingeführt wird.

Beachten Sie, dass die Sicherung den Konverter bei Ausgangskurzschlüssen nicht schützt! Die Schaltung ist ziemlich einfach einzurichten und kann auf folgende Weise erfolgen:

Stellen Sie R1 so ein, dass die beabsichtigte Ausgangsspannung erreicht wird, die zwischen 20 und 30 V liegen kann. Die Ausgangsspannung könnte darunter gesenkt werden, darf jedoch nicht unter der Eingangsspannung liegen.

Dies kann durch Einsetzen eines kleineren Widerstands anstelle von R4 erfolgen. Der höchste Ausgangsstrom kann mit ungefähr 3 A erwartet werden.

Liste der Einzelteile