基于TL497A的12V至30V高電流升壓轉(zhuǎn)換器電路

這篇文章解釋了如何制作高電流升壓轉(zhuǎn)換器電路，該電路將以令人印象深刻的 12 安培電流速率將 30 V DC 升壓到任何更高的水平，最高可達(dá) 3V。通過適當(dāng)升級(jí)電感線規(guī)規(guī)格，可以進(jìn)一步增強(qiáng)這種高電流輸出。

該轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要特性是，輸出可以通過電位計(jì)線性變化，從最小可能范圍到最大范圍。

引爆

用于升壓汽車電池電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常圍繞開關(guān)模式類型的電源（SMPSU）或功率多諧振蕩器進(jìn)行配置，以驅(qū)動(dòng)變壓器。

本文介紹的 12V 至 30V 電源轉(zhuǎn)換器采用德州儀器 TL 497A

集成電路。這種特殊的IC有助于以最小的輸出噪聲實(shí)現(xiàn)出色的電壓調(diào)節(jié)，同樣確保高轉(zhuǎn)換性能。

電路的工作原理

此處詳述的高電流轉(zhuǎn)換器電路采用反激式拓?fù)?。反激理論似乎是從較低的直接輸入電壓獲得即時(shí)輸出電壓的最合適和最實(shí)用的技術(shù)。

該升壓轉(zhuǎn)換器電路中的主要開關(guān)元件實(shí)際上是功率SIPMOS晶體管T1（見圖1）。在其導(dǎo)通期間，通過L1的電流隨時(shí)間呈指數(shù)增加。

在開關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電感器存儲(chǔ)感應(yīng)磁能。

一旦晶體管關(guān)斷，電感器就會(huì)恢復(fù)存儲(chǔ)的磁能，通過D1將其轉(zhuǎn)換為連接負(fù)載上的電流。

在此過程中，確保晶體管在電感上的磁場(chǎng)衰減至零時(shí)繼續(xù)關(guān)斷至關(guān)重要。

如果無法實(shí)現(xiàn)此條件，則通過電感器的電流將飆升至飽和水平。雪崩效應(yīng)隨后導(dǎo)致電流很快最大化。

不應(yīng)允許相對(duì)晶體管控制觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間或占空比達(dá)到單位電平。最大允許占空比取決于輸出電壓等各個(gè)方面。

這是因?yàn)樗鼪Q定了磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減率。轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率由電感處理的最高允許峰值電流和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開關(guān)頻率決定。

這里的限制因素主要是飽和時(shí)刻和電感的最大容許銅損額定值，以及通過開關(guān)晶體管的峰值電流（不要忘記，在每個(gè)開關(guān)脈沖期間，特定電能水平的尖峰都會(huì)到達(dá)輸出端）。

使用 IC TL497A 進(jìn)行 PWM

該IC的工作原理非常非傳統(tǒng)，可以從下面的簡(jiǎn)短解釋中理解。與傳統(tǒng)的固定頻率實(shí)現(xiàn)可變占空比 SMPSU 控制器 IC 不同，TL497A

被認(rèn)證為固定導(dǎo)通時(shí)間、可調(diào)頻率器件。

因此，通過頻率調(diào)整來控制占空比，以確保一致的輸出電壓。

這種方法將一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電路變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但提供了開關(guān)頻率達(dá)到較低范圍的缺點(diǎn)，對(duì)于以較低電流工作的負(fù)載，人耳可以聽到該范圍。

實(shí)際上，一旦負(fù)載從轉(zhuǎn)換器中移除，開關(guān)頻率就會(huì)低于1 Hz。由于電荷脈沖連接到輸出電容器以保持固定輸出電壓，因此可以聽到緩慢的咔嗒聲。

當(dāng)沒有連接負(fù)載時(shí)，輸出電容顯然會(huì)通過電壓檢測(cè)電阻逐漸放電。

IC TL497A的內(nèi)部振蕩器導(dǎo)通時(shí)間是恒定的，由C1決定?？梢酝ㄟ^三種方法停用振蕩器：

1st，當(dāng)引腳1上的電壓超過基準(zhǔn)電壓（1.2 V）時(shí);

2、當(dāng)電感電流超過特定最大值時(shí);

第3，通過抑制輸入（盡管未在該電路中使用）。

在標(biāo)準(zhǔn)工作過程中，內(nèi)部振蕩器允許以電感電流線性增加的方式切換T1。

當(dāng)T1關(guān)閉時(shí)，電感器內(nèi)部積累的磁能被踢回電容器，電容器通過反電動(dòng)勢(shì)能量充電。

輸出電壓以及 IC TL1A 的引腳 497 電壓略有上升，導(dǎo)致振蕩器停用。這種情況一直持續(xù)到輸出電壓下降到某個(gè)明顯較低的水平

就理論假設(shè)而言，該技術(shù)以循環(huán)方式執(zhí)行。

然而，在使用實(shí)際元件的布置中，在單個(gè)振蕩器間隔內(nèi)電容器充電時(shí)引起的電壓增加實(shí)際上非常小，以至于振蕩器保持激活狀態(tài)，直到電感電流達(dá)到最高值，由元件R2和R3確定（此時(shí)R1和R3周圍的電壓下降通常為0.7

V）。

如圖所示的電流逐步增加。2b是因?yàn)檎袷幤餍盘?hào)占空比恰好高于0.5。

一旦達(dá)到最佳電流，振蕩器就會(huì)停用，允許電感器在電容器之間傳輸能量。

在這種特殊情況下，輸出電壓飆升到剛好很高的幅度，以確保振蕩器通過IC引腳1關(guān)閉。輸出電壓現(xiàn)在迅速下降，因此新的充電周期能夠開始并重復(fù)該過程。

然而，遺憾的是，上面討論的轉(zhuǎn)換程序?qū)⑴c相對(duì)較大的損失相結(jié)合。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，可以通過將導(dǎo)通時(shí)間（通過C1）設(shè)置得足夠高來確保通過電感的電流永遠(yuǎn)不會(huì)在單個(gè)振蕩器間隔內(nèi)擴(kuò)展到最高電平（見圖3）來解決這個(gè)問題。

在這種情況下，補(bǔ)救措施可能是采用具有合理最小自感的空氣芯電感器。

波形特征

圖中的時(shí)序圖圖3演示了升壓轉(zhuǎn)換器電路關(guān)鍵因數(shù)的信號(hào)波形。TL497A 內(nèi)部的主振蕩器以較低的頻率工作（當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出端沒有負(fù)載時(shí)低于 I

Hz）。

接通時(shí)的瞬時(shí)時(shí)間，如圖中的矩形脈沖表示。3a，取決于電容C1的值。關(guān)斷時(shí)間由負(fù)載電流確定。在導(dǎo)通時(shí)間開關(guān)期間，晶體管T1打開導(dǎo)通，導(dǎo)致電感電流增加（圖3b）。

在電流脈沖之后的關(guān)斷期間，電感器像電流源一樣工作。

TL497A 分析引腳 1 處的衰減輸出電壓，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為 1.2 V。如果評(píng)估電壓低于基準(zhǔn)電壓，則T1偏置更硬，以便電感充分存儲(chǔ)能量。

這種重復(fù)的充電和放電循環(huán)會(huì)在輸出電容上觸發(fā)一定水平的紋波電壓（圖3c）。反饋選項(xiàng)允許調(diào)整振蕩器頻率，以確保對(duì)負(fù)載電流引起的電壓缺陷進(jìn)行最佳補(bǔ)償。

圖中的定時(shí)脈沖圖3d顯示漏極電壓的大幅移動(dòng)，因?yàn)殡姼械腝（質(zhì)量）因數(shù)相對(duì)較高。

盡管雜散紋波振蕩通常不會(huì)影響該DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的正常工作，但可以使用電感兩端的并聯(lián)1 k電阻來抑制這些振蕩。

實(shí)際考慮

通常，SMPS電路的開發(fā)是為了獲得最大輸出電流而不是靜態(tài)輸出電流。

高效率、穩(wěn)定的輸出電壓以及最小的紋波也成為關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)。總體而言，基于反激式的SMPS的負(fù)載調(diào)整率特性幾乎沒有任何理由引起關(guān)注。

在每個(gè)開關(guān)周期中，開/關(guān)比或占空比相對(duì)于負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)整，以便在負(fù)載電流波動(dòng)較大的情況下輸出電壓繼續(xù)保持相對(duì)穩(wěn)定。

就總體效率而言，情況似乎略有不同?；诜醇な酵?fù)涞纳龎恨D(zhuǎn)換器通常會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流尖峰，這可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的能量損失（不要忘記功率會(huì)隨著電流的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)）。

然而，在實(shí)際操作中，推薦的高功率升壓太陽能轉(zhuǎn)換器電路提供優(yōu)于70%的整體效率，并具有最佳輸出電流，并且就布局的簡(jiǎn)單性而言，這看起來非常令人印象深刻。

因此，這要求它通電到飽和狀態(tài)，從而合理延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)然，晶體管切斷電感電流所需的時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的全面效率就越低。

TL497A 分析引腳 1 處的衰減輸出電壓，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為 1.2 V。如果評(píng)估電壓低于基準(zhǔn)電壓，則T1偏置更硬，以便電感充分存儲(chǔ)能量。

這種重復(fù)的充電和放電循環(huán)會(huì)在輸出電容上觸發(fā)一定水平的紋波電壓（圖3c）。反饋選項(xiàng)允許調(diào)整振蕩器頻率，以確保對(duì)負(fù)載電流引起的電壓缺陷進(jìn)行最佳補(bǔ)償。

圖中的定時(shí)脈沖圖3d顯示漏極電壓的大幅移動(dòng)，因?yàn)殡姼械腝（質(zhì)量）因數(shù)相對(duì)較高。

盡管雜散紋波振蕩通常不會(huì)影響該DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的正常工作，但可以使用電感兩端的并聯(lián)1 k電阻來抑制這些振蕩。

實(shí)際考慮

通常，SMPS電路的開發(fā)是為了獲得最大輸出電流而不是靜態(tài)輸出電流。

高效率、穩(wěn)定的輸出電壓以及最小的紋波也成為關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)?？傮w而言，基于反激式的SMPS的負(fù)載調(diào)整率特性幾乎沒有任何理由引起關(guān)注。

在每個(gè)開關(guān)周期中，開/關(guān)比或占空比相對(duì)于負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)整，以便在負(fù)載電流波動(dòng)較大的情況下輸出電壓繼續(xù)保持相對(duì)穩(wěn)定。

就總體效率而言，情況似乎略有不同?；诜醇な酵?fù)涞纳龎恨D(zhuǎn)換器通常會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流尖峰，這可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的能量損失（不要忘記功率會(huì)隨著電流的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)）。

然而，在實(shí)際操作中，推薦的高功率升壓太陽能轉(zhuǎn)換器電路提供優(yōu)于70%的整體效率，并具有最佳輸出電流，并且就布局的簡(jiǎn)單性而言，這看起來非常令人印象深刻。

因此，這要求它通電到飽和狀態(tài)，從而合理延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)然，晶體管切斷電感電流所需的時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的全面效率就越低。

TL497A 分析引腳 1 處的衰減輸出電壓，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為 1.2 V。如果評(píng)估電壓低于基準(zhǔn)電壓，則T1偏置更硬，以便電感充分存儲(chǔ)能量。

這種重復(fù)的充電和放電循環(huán)會(huì)在輸出電容上觸發(fā)一定水平的紋波電壓（圖3c）。反饋選項(xiàng)允許調(diào)整振蕩器頻率，以確保對(duì)負(fù)載電流引起的電壓缺陷進(jìn)行最佳補(bǔ)償。

圖中的定時(shí)脈沖圖3d顯示漏極電壓的大幅移動(dòng)，因?yàn)殡姼械腝（質(zhì)量）因數(shù)相對(duì)較高。

盡管雜散紋波振蕩通常不會(huì)影響該DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的正常工作，但可以使用電感兩端的并聯(lián)1 k電阻來抑制這些振蕩。

實(shí)際考慮

通常，SMPS電路的開發(fā)是為了獲得最大輸出電流而不是靜態(tài)輸出電流。

高效率、穩(wěn)定的輸出電壓以及最小的紋波也成為關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)?？傮w而言，基于反激式的SMPS的負(fù)載調(diào)整率特性幾乎沒有任何理由引起關(guān)注。

在每個(gè)開關(guān)周期中，開/關(guān)比或占空比相對(duì)于負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)整，以便在負(fù)載電流波動(dòng)較大的情況下輸出電壓繼續(xù)保持相對(duì)穩(wěn)定。

就總體效率而言，情況似乎略有不同?；诜醇な酵?fù)涞纳龎恨D(zhuǎn)換器通常會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流尖峰，這可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的能量損失（不要忘記功率會(huì)隨著電流的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)）。

然而，在實(shí)際操作中，推薦的高功率升壓太陽能轉(zhuǎn)換器電路提供優(yōu)于70%的整體效率，并具有最佳輸出電流，并且就布局的簡(jiǎn)單性而言，這看起來非常令人印象深刻。

因此，這要求它通電到飽和狀態(tài)，從而合理延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)然，晶體管切斷電感電流所需的時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的全面效率就越低。

零件清單

使用 IC SG3525 升壓轉(zhuǎn)換器

廣受歡迎的 IC SG3525 PWM IC 可用作高功率 DC 12 V 至 30 V 升壓轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)用，如上所示。

用于確定L1線圈細(xì)節(jié)的所有相關(guān)循環(huán)，RF反饋電阻值和輸出電容值都在圖表本身中提供。