555 定时器升压转换器不符合规格

电器工程 开关模式电源 555 促进
2022-01-10 19:14:37

我最近一直在搞乱数码管,它需要一个高压源(~150V-200V)才能打开。

我四处寻找一个简单的高压发生器,发现这个电路使用 555 定时器来获得 170V 和 200V 之间的可调、稳压高压输出。

我得到了所有零件,并在面包板上进行了原型制作。在插入一个 9V 电池并绝对确定它不会在我脸上爆炸(例如,不小心向后安装一个盖子)后,我测量了输出电压并在没有负载的情况下获得了一个不错的 210V 输出,并且调整了微调电位器以提供最大电压。

不幸的是,我一接上数码管,电压就降到了 170V 左右。我准确测量了有多少电流流动,发现该配置的效率只有 15%。该电路在没有负载的情况下在输入上消耗大约 100mA!数码管本身在 170V 时消耗大约 0.8mA,输入消耗大约 120mA。

$$ \frac{170V \times 0.0008A}{9V \times 0.1200A} = \frac{0.136W}{1.080W} \约 12.59\% \text{ 效率} $$

我把它归结为开关效率低下造成的损失(我确实把它放在了面包板上)所以我花了一个下午制作一个 PCB 版本,同时仔细遵循我能找到的任何 SMPS PCB 布局指南。我最终用额定 400V 的输出电容器 C4 替换了一个,因为 250V 仍然把它切得太近了。我还用陶瓷盖代替了说明书中建议的薄膜盖。

电路板原理图

电路板布局

但是,效率上仍然没有显着差异。

我还注意到输出电压似乎与输入电压成比例变化。在 9V 时,它会在负载下提供接近 170V 的电压,在负载下 8V 时会提供大约 140V 的电压。

所以现在,我开始认为我要么错过了一些明显的东西,要么这个升压转换器电路有点糟糕。不用说,我可能会研究其他更高效的设计,但我仍然很想知道为什么这个电路会以这种方式运行。

我认为连接负载时的电压降可以通过以下事实来解释:555 没有为开关产生足够长的占空比,因此没有足够的功率输送到输出端。

与输入电压成比例的输出电压变化可能是由于没有稳定的参考电压。反馈回路使用输入电压作为参考,因此它更像是一个稳压“乘法器”。

但是我仍然无法弄清楚当没有负载时从输入中提取的 100mA 的去向。根据数据表,555 定时器消耗的电流非常小。反馈分压器肯定不会接近那么多。所有输入功率都去哪儿了?

tl;博士谁能解释或帮助我理解为什么这个电路很糟糕?

4个回答

仅对 MOSFET 的栅极进行充电和放电就需要将近 2 mA。您还在 R1 中浪费了大约 5 mA 的电流,因为它大约有一半时间通过引脚 7 接地。您的电压反馈分压器从高压轨汲取约 1 mA 的电流,转换为输入端的电流超过 20 mA。

使用 555 驱动大型 MOSFET 存在一个问题:555 的有限输出电流意味着 MOSFET 无法快速从全关切换到全开再切换回来。它在过渡区域中花费了大量时间(相对而言),在该过渡区域中,它会消耗大量的输入功率,而不是将该功率传递到输出端。MOSFET 的总栅极电荷为 63 nC,而 555 的最大输出电流约为 200 mA,这意味着对栅极进行充电或放电最少需要 63 nC / 200 mA = 315 ns。如果您使用的是 CMOS 555,则输出电流要小得多,并且开关时间相应较长。

如果您在 555 和 MOSFET(能够提供 1-2A 峰值电流的芯片)之间添加一个栅极驱动器芯片,您会看到整体效率显着提高。真正的升压控制器芯片通常会内置这样的驱动程序。

如果您对开发开关模式电源转换器很认真,那么您肯定需要一台示波器,这样您才能亲眼看到这些效果。


由于另一个原因,这种调节器的设计也相当糟糕。通过升压模式转换器的功率通过改变开关元件的占空比来调节。在该电路中,反馈是通过使用晶体管下拉 555 的控制电压节点来创建的,从而降低了开关阈值上限。然而,由于 555 的构造方式,这也会成比例地降低较低的开关阈值。这意味着随着输出电压的升高,占空比的变化比您想象的要小得多。它对输出脉冲的频率有更大的影响,但这无关紧要。同样,切换到合适的升压控制器芯片可以解决这个问题。


顺便说一句,电路的“稳压器”部分没有使用输入电压作为参考,它使用 Q1 BE 结的正向电压作为参考。


正如 Spehro 指出的那样,一个 100 µH 电感器在 30 kHz 的开关频率下——标称导通时间 = 16 µs——使用 9V 电源将达到 1.44 A 的峰值电流。这真的是在滥用 9V 电池,更不用说电感器和 MOSFET 中的 I 2 R 损耗。这也令人不安地接近电感器的饱和电流,这只会加剧损耗。

对于相对较低的开关频率和输入电压,该电感器的值相当小 - 确保您使用的电感器不会在几安培时饱和。

如果导通时间约为 20 微秒并且电感器从零开始,它将达到几安培(包络后估计)。

我怀疑如果您尝试使用 CMOS 555 以(比如说)两倍频率(将电容降低到 1nF)和更好的电感器,您可能会看到效率的显着提高。

戴夫对电路的糟糕程度提出了很好的观点(我+1),它似乎是通过省略电阻器、电容器、更换二极管等从这个电路中衍生出来的。该页面解释了电路作为一个通电项目小精灵。http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

在此处输入图像描述

我一直在尝试类似的电路,我认为这里的主要问题是单个 Nixie 上的 0.8mA 负载不足以使该电路特别高效:

  • 正如其他人所指出的,这种555控制电路的“固定成本”相对较高,无法避免。
  • 但是提高电流或驱动多个 Nixies,情况很快就会好转。
  • 例如以 0.39mA 驱动 IN-14 我看到 11% 的效率,但将其提升到 2mA 并且效率上升到 22.2%

要记住的另一个因素是 FET 上的 R3/C3 缓冲器:

  • 虽然它确实减少了电感上的振铃,但我看不到对输出有任何有意义的影响,所以可以说它在这个应用中没有用
  • 但它确实带来了效率成本(与电容成正比)
  • 选择的 100pF/2.2kΩ 值可能是最佳值 - 这应该会显着抑制振铃,并且效率可能仅花费 1-2%。但是,如果您将其退回到 30pF 甚至完全排除缓冲器,您可能有兴趣比较结果。