降壓轉(zhuǎn)換器（降壓轉(zhuǎn)換器）是一種DC-DC 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，可在保持恒定功率平衡的同時(shí)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(zhǎng)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(jì)、計(jì)算和測(cè)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(gè)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(shí)的第一個(gè)條件，晶體管關(guān)閉時(shí)的下一個(gè)條件。

晶體管開(kāi)啟狀態(tài)

在這種情況下，我們可以看到二極管處于開(kāi)路狀態(tài)，因?yàn)樗幱诜聪蚱脿顟B(tài)。在這種情況下，一些初始電流將開(kāi)始流過(guò)負(fù)載，但電流受到電感器的限制，因此電感器也開(kāi)始逐漸充電。（關(guān)注不迷路-電路一點(diǎn)通）因此，在電路導(dǎo)通期間，電容器會(huì)逐個(gè)周期地建立充電，并且該電壓會(huì)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(shí)，存儲(chǔ)在電感器 L1 中的能量會(huì)崩潰并通過(guò)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)?，F(xiàn)在，由于電感器的磁場(chǎng)坍塌，電流繼續(xù)流過(guò)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(shí)。

在電感幾乎耗盡存儲(chǔ)能量的一段時(shí)間后，負(fù)載電壓再次開(kāi)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(dòng)，直到下一個(gè)周期開(kāi)始再次。

現(xiàn)在通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)時(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)間控制器和用于各種控制信號(hào)的 PWM 比較器。

振蕩器的頻率可以通過(guò)選擇時(shí)序組件R T 和 C T來(lái)設(shè)置。

振蕩器的頻率可以通過(guò)以下公式計(jì)算

Fosc = 1/（RT * CT）

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我制作了一個(gè)電子表格，您可以通過(guò)它很容易地計(jì)算頻率。

筆記！僅對(duì)于單端應(yīng)用，振蕩器頻率等于輸出頻率。對(duì)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(shí)間或簡(jiǎn)單地說(shuō)關(guān)斷時(shí)間控制提供最小死區(qū)時(shí)間或關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)輸入電壓大于振蕩器的斜坡電壓時(shí)，死區(qū)時(shí)間比較器的輸出會(huì)阻塞開(kāi)關(guān)晶體管。關(guān)注-電路一點(diǎn)通向DTC引腳施加電壓會(huì)產(chǎn)生額外的死區(qū)時(shí)間，從而在輸入電壓從 0 到 3V 變化時(shí)提供從最小值 3% 到 100% 的額外死區(qū)時(shí)間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(shí)間控制輸入接地時(shí)的最小死區(qū)時(shí)間為 3%。

4. 誤差放大器

兩個(gè)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(gè)放大器都具有單端單電源放大器的特性，因?yàn)槊總€(gè)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(guò)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(guò)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(gè)內(nèi)部輸出晶體管，它們采用集電極開(kāi)路和發(fā)射極開(kāi)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(shí)間提供對(duì)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(shuō)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(cè)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(duì)于這個(gè)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(jì)文件 ［ Gerber 文件］；請(qǐng)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(guò) PCB 走線，并且有可能會(huì)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(jì)算

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

測(cè)試這個(gè)高壓降壓轉(zhuǎn)換器

為了測(cè)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。-關(guān)注-電路一點(diǎn)通

在你們中的任何人跳起來(lái)說(shuō)出我的測(cè)試臺(tái)上的一碗電阻器在做什么之前。

告訴你，滿載測(cè)試電路的時(shí)候電阻會(huì)很燙，所以我準(zhǔn)備了一碗水防止我的工作臺(tái)燒壞

用于測(cè)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(wàn)用表

Meco 450B+TRMS 萬(wàn)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(cè)試表中的絕對(duì)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(guò)這種設(shè)計(jì)和良好的散熱器，您可以輕松地從該電路中汲取超過(guò) 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(gè)巨大的散熱器，現(xiàn)在讓我告訴你，我的庫(kù)存中沒(méi)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(méi)有添加保護(hù)電路

必須增加一個(gè)輸出保護(hù)電路來(lái)保護(hù)負(fù)載電路。

電感器需要浸入清漆中，否則會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。

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

可以修改開(kāi)關(guān)晶體管以增加負(fù)載電流

審核編輯：湯梓紅