降壓轉(zhuǎn)換器（降壓轉(zhuǎn)換器）是一種DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器，可在保持恒定功率平衡的同時降低電壓。降壓轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是效率，這意味著板載降壓轉(zhuǎn)換器可以延長電池壽命、減少熱量、減小尺寸并提高效率。

在本文中，我們將設(shè)計、計算和測試基于流行的TL494 IC的高效降壓轉(zhuǎn)換器電路。

降壓轉(zhuǎn)換器如何工作？

上圖顯示了一個非常基本的降壓轉(zhuǎn)換器電路。要了解降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理，我將把電路分為兩種情況。晶體管導(dǎo)通時的第一個條件，晶體管關(guān)閉時的下一個條件。

晶體管開啟狀態(tài)

在這種情況下，我們可以看到二極管處于開路狀態(tài)，因為它處于反向偏置狀態(tài)。在這種情況下，一些初始電流將開始流過負(fù)載，但電流受到電感器的限制，因此電感器也開始逐漸充電。因此，在電路導(dǎo)通期間，電容器會逐個周期地建立充電，并且該電壓會反映在負(fù)載上。

晶體管關(guān)閉狀態(tài)

當(dāng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時，存儲在電感器 L1 中的能量會崩潰并通過二極管 D1 流回，如帶箭頭的電路所示。在這種情況下，電感兩端的電壓極性相反，因此二極管處于正向偏置狀態(tài)。現(xiàn)在，由于電感器的磁場坍塌，電流繼續(xù)流過負(fù)載，直到電感器電量耗盡。所有這些都發(fā)生在晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時。

在電感幾乎耗盡存儲能量的一段時間后，負(fù)載電壓再次開始下降，在這種情況下，電容器C1成為主要電流源，電容器在那里保持電流流動，直到下一個周期開始再次。

現(xiàn)在通過改變開關(guān)頻率和開關(guān)時間，我們可以從降壓轉(zhuǎn)換器獲得從 0 到 Vin 的任何輸出。

集成電路 TL494

現(xiàn)在在構(gòu)建TL494 降壓轉(zhuǎn)換器之前，讓我們先了解一下 PWM 控制器 TL494 的工作原理。

TL494 IC 有 8 個功能塊，如下所示和描述。

1. 5V 參考穩(wěn)壓器

5V 內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓器輸出為 REF 引腳，即 IC 的第 14 引腳。參考穩(wěn)壓器可為脈沖轉(zhuǎn)向觸發(fā)器、振蕩器、死區(qū)時間控制比較器和 PWM 比較器等內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的電源。穩(wěn)壓器還用于驅(qū)動負(fù)責(zé)控制輸出的誤差放大器。

筆記！該基準(zhǔn)在內(nèi)部編程為 ±5% 的初始精度，并在 7V 至 40V 的輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性。對于低于 7V 的輸入電壓，穩(wěn)壓器在輸入的 1V 范圍內(nèi)飽和并對其進(jìn)行跟蹤。

2. 振蕩器

振蕩器生成鋸齒波并將其提供給死區(qū)時間控制器和用于各種控制信號的 PWM 比較器。

振蕩器的頻率可以通過選擇時序組件R T 和 C T來設(shè)置。

振蕩器的頻率可以通過以下公式計算

Fosc = 1/（RT * CT）

為簡單起見，我制作了一個電子表格，您可以通過它很容易地計算頻率。

筆記！ 僅對于單端應(yīng)用，振蕩器頻率等于輸出頻率。對于推挽應(yīng)用，輸出頻率是振蕩器頻率的二分之一。

3. 死區(qū)控制比較器

死區(qū)時間或簡單地說關(guān)斷時間控制提供最小死區(qū)時間或關(guān)斷時間。當(dāng)輸入電壓大于振蕩器的斜坡電壓時，死區(qū)時間比較器的輸出會阻塞開關(guān)晶體管。向DTC引腳施加電壓會產(chǎn)生額外的死區(qū)時間，從而在輸入電壓從 0 到 3V 變化時提供從最小值 3% 到 100% 的額外死區(qū)時間。簡單來說，我們可以在不調(diào)整誤差放大器的情況下改變輸出波的占空比。

筆記！110 mV 的內(nèi)部偏移可確保死區(qū)時間控制輸入接地時的最小死區(qū)時間為 3%。

4. 誤差放大器

兩個高增益誤差放大器都從 VI 電源軌接收偏置。這允許共模輸入電壓范圍為 –0.3 V 至 2 V，低于 VI。兩個放大器都具有單端單電源放大器的特性，因為每個輸出僅高電平有效。

5. 輸出控制輸入

輸出控制輸入決定了輸出晶體管是以并聯(lián)模式還是推挽模式工作。通過將引腳 13 的輸出控制引腳連接到地，可將輸出晶體管設(shè)置為并聯(lián)工作模式。但是通過將此引腳連接到 5V-REF 引腳，可以將輸出晶體管設(shè)置為推挽模式。

6. 輸出晶體管

該 IC 有兩個內(nèi)部輸出晶體管，它們采用集電極開路和發(fā)射極開路配置，可提供或吸收高達(dá) 200mA 的最大電流。

筆記！晶體管的飽和電壓在共射極配置中小于 1.3 V，在射極跟隨器配置中小于 2.5 V。

TL494 IC的特點(diǎn)

完整的 PWM 功率控制電路

用于 200mA 灌電流或拉電流的未提交輸出

輸出控制選擇單端或推挽操作

內(nèi)部電路禁止在任一輸出端出現(xiàn)雙脈沖

可變死區(qū)時間提供對總范圍的控制

內(nèi)部穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的 5V

容差為 5% 的參考電源

電路架構(gòu)允許輕松同步

筆記！大部分內(nèi)部原理圖和操作說明均取自數(shù)據(jù)表，并進(jìn)行了一定程度的修改以便更好地理解。

所需組件

TL494 集成電路 - 1

TIP2955 晶體管 - 1

螺絲端子 5mmx2 - 2

1000uF，60V 電容 - 1

470uF，60V 電容 - 1

50K，1% 電阻 - 1

560R 電阻器 - 1

10K，1% 電阻 - 4

3.3K，1% 電阻 - 2

330R 電阻器 - 1

0.22uF 電容 - 1

5.6K，1W電阻 - 1

12.1V 穩(wěn)壓二極管 - 1

MBR20100CT 肖特基二極管 - 1

70uH （27 x 11 x 14 ） 毫米電感器 - 1

電位器 （10K） 微調(diào)電位器 - 1

0.22R 電流檢測電阻 - 2

復(fù)合板通用 50x 50mm - 1

PSU 散熱器通用 - 1

通用跳線 - 15

原理圖，示意圖

高效降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖如下所示。

電路結(jié)構(gòu)

對于這個大電流降壓轉(zhuǎn)換器的演示，電路是用手工制作的 PCB構(gòu)建的，并借助原理圖和 PCB 設(shè)計文件 ［ Gerber 文件］；請注意，如果您將大負(fù)載連接到輸出降壓轉(zhuǎn)換器，則大量電流將流過 PCB 走線，并且有可能會燒壞走線。因此，為了防止 PCB 走線燒壞，我添加了一些有助于增加電流的跳線。另外，我用厚厚的焊料層加固了 PCB 走線，以降低走線電阻。

電感器由 3 股平行的 0.45 平方毫米漆包銅線構(gòu)成。

計算

為了正確計算電感器和電容器的值，我使用了 texas Instruments 的文檔。

測試這個高壓降壓轉(zhuǎn)換器

為了測試電路，使用了以下設(shè)置。如上圖所示，輸入電壓為 41.17 V，空載電流為 0.015 A，這使得空載功耗小于 0.6W。

在你們中的任何人跳起來說出我的測試臺上的一碗電阻器在做什么之前。

告訴你，滿載測試電路的時候電阻會很燙，所以我準(zhǔn)備了一碗水防止我的工作臺燒壞

用于測試電路的工具

12V鉛酸電池。

具有 6-0-6 抽頭和 12-0-12 抽頭的變壓器

5 10W 10r 電阻并聯(lián)作為負(fù)載

Meco 108B+TRMS 萬用表

Meco 450B+TRMS 萬用表

漢泰克 6022BE 示波器

大功率降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電源

從上圖可以看出，負(fù)載條件下輸入電壓降至27.45V，輸入電流為3.022 A，相當(dāng)于輸入功率為82.9539 W。

輸出功率

從上圖中可以看出，輸出電壓為 12.78V，輸出電流為 5.614A，相當(dāng)于 71.6958 W 的功耗。

因此電路的效率變?yōu)椋?1.6958 / 82.9539） x 100 % = 86.42 %

電路中的損耗是由于為 TL494 IC 供電的電阻器和

我的測試表中的絕對最大電流消耗

從上圖可以看出，電路的最大電流消耗為 6.96 A，幾乎是

在這種情況下，系統(tǒng)的主要瓶頸是我的變壓器，這就是為什么我不能增加負(fù)載電流的原因，但是通過這種設(shè)計和良好的散熱器，您可以輕松地從該電路中汲取超過 10A 的電流。

筆記！你們中的任何人都想知道為什么我在電路中安裝了一個巨大的散熱器，現(xiàn)在讓我告訴你，我的庫存中沒有任何更小的散熱器。

進(jìn)一步增強(qiáng)

此TL494 降壓轉(zhuǎn)換器電路僅用于演示目的，因此在電路的輸出部分沒有添加保護(hù)電路

必須增加一個輸出保護(hù)電路來保護(hù)負(fù)載電路。

電感器需要浸入清漆中，否則會產(chǎn)生可聽噪聲。

具有適當(dāng)設(shè)計的優(yōu)質(zhì)PCB是強(qiáng)制性的

可以修改開關(guān)晶體管以增加負(fù)載電流