Obwód konwertera buck 12 V na 5 V wykorzystujący mc34063

W poprzednim samouczku przedstawiliśmy szczegółowy projekt konwertera doładowania przy użyciu MC34063, w którym zaprojektowano konwerter doładowania 3,7 V do 5 V. Tutaj widzimy, jak konwertować 12V do 5V. Ponieważ wiemy, że dokładne baterie 5 V nie zawsze są dostępne, a czasami potrzebujemy wyższego napięcia i niższego napięcia w tym samym czasie do napędzania różnych części obwodu, więc używamy źródła wyższego napięcia (12 V) jako głównego źródła zasilania i zmniejszamy to napięcie do niższego napięcia (5 V), gdziekolwiek jest to wymagane. W tym celu w wielu zastosowaniach elektronicznych stosowany jest obwód przetwornika Buck, który obniża napięcie wejściowe zgodnie z wymaganiem obciążenia.

W tym segmencie dostępnych jest wiele opcji; jak widać w poprzednim samouczku, MC34063 jest jednym z najpopularniejszych regulatorów przełączających dostępnych w tym segmencie. MC34063 można skonfigurować w trzech trybie Buck, Boost, i odwracanie. Użyjemy konfiguracji Buck do konwersji źródła 12 V DC na 5 V DC z prądem wyjściowym 1 A. Wcześniej zbudowaliśmy prosty obwód Buck Converter przy użyciu MOSFET; możesz również sprawdzić tutaj wiele innych przydatnych układów energoelektronicznych.

IC MC34063

Schemat wyprowadzeń MC34063 został pokazany na poniższym obrazku. Po lewej stronie pokazano obwód wewnętrzny MC34063, a po drugiej stronie pokazano schemat wyprowadzeń.

MC34063 to 1. 5A Krok w górę lub krok w dół lub odwracanie regulatora, ze względu na właściwości konwersji napięcia DC, MC34063 jest DC-DC IC.

Ten układ scalony zapewnia następujące funkcje w 8-pinowej obudowie:

Odniesienie z kompensacją temperatury
Obwód ograniczenia prądu
Oscylator z kontrolowanym cyklem pracy z aktywnym przełącznikiem wyjściowym sterownika wysokoprądowego.
Zaakceptuj od 3,0 V do 40 V DC.
Może pracować przy częstotliwości przełączania 100 kHz z 2% tolerancją.
Bardzo niski prąd czuwania
Regulowane napięcie wyjściowe

Ponadto, pomimo tych funkcji, jest szeroko dostępny i jest znacznie tańszy niż inne układy scalone dostępne w tym segmencie.

W poprzednim samouczku zaprojektowaliśmy obwód podwyższania napięcia za pomocą MC34063, aby zwiększyć napięcie akumulatora litowego 3,7 V do 5,5 V, w tym samouczku zaprojektujemy przetwornicę 12 V do 5 V Buck.

Obliczanie wartości komponentów dla Boost Converter

Jeśli sprawdzimy arkusz danych, zobaczymy, że obecny jest pełny wykres formuły, aby obliczyć żądane wartości wymagane zgodnie z naszymi wymaganiami. Oto arkusz formuły dostępny w arkuszu danych, a także pokazany jest obwód podwyższający.

Oto schemat bez wartości tych komponentów, który będzie używany dodatkowo z MC34063.

Obliczymy wartości wymagane do naszego projektu. Obliczenia możemy wykonać na podstawie wzorów podanych w arkuszu danych lub skorzystać z arkusza excel udostępnionego na stronie internetowej ON Semiconductor.

Oto link do arkusza Excela.

https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063%20DWS.XLS

Kroki do obliczenia wartości tych składników

Krok 1: - Najpierw musimy wybrać diodę. Wybierzemy szeroko dostępną diodę 1N5819. Zgodnie z arkusza, na 1A Prąd napięcia przewodzenia diody będą 0,60 V.

Krok 2: - Najpierw obliczamy cewkę indukcyjną i prąd przełączania, ponieważ będą one potrzebne do dalszych obliczeń. Nasz średni prąd cewki indukcyjnej będzie szczytowym prądem cewki indukcyjnej. Tak więc w naszym przypadku prąd cewki wynosi:

IL (śr.) = 1A

Krok 3: - Teraz nadszedł czas na tętnienie prądu cewki indukcyjnej. Typowa cewka wykorzystuje 20-40% średniego prądu wyjściowego. Jeśli więc wybierzemy prąd tętnienia cewki indukcyjnej 30%, będzie to 1A * 30% = 0,30A

Krok 4: - Szczytowy prąd przełączania będzie wynosić IL (średni) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1,15A

Krok 5: - Obliczymy t _ON / t _OFF przy użyciu poniższego wzoru

W tym celu nasze Vout wynosi 5 V, a napięcie przewodzenia diody (Vf) wynosi 0,60 V. Nasze minimalne napięcie wejściowe Vin (min) wynosi 12 V, a napięcie nasycenia 1 V (1 V w arkuszu danych). Łącząc to wszystko razem otrzymujemy

(5 + 0,60) / (12-1-5) = 0,93, więc t _ON / t _OFF = 0,93uS

Krok 6: - Teraz obliczymy czas Ton + Toff, zgodnie ze wzorem Ton + Toff = 1 / f

Wybierzemy niższą częstotliwość przełączania, 40 kHz.

Tak więc Ton + Toff = 1 / 40Khz = 25us

Krok 7: - Teraz obliczymy czas Toff. Ponieważ poprzednio obliczyliśmy Ton + Toff i Ton / Toff, obliczenia będą teraz łatwiejsze,

Krok 8: - Teraz następnym krokiem jest obliczenie Ton, Tona = (Tona + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05us

Krok 9: - Musimy wybrać Ct kondensatora czasowego, który będzie potrzebny do wytworzenia żądanej częstotliwości.

Ct = 4,0 x ^10-5 x Ton = 4,0 x ^10-5 x 12,05uS = 482pF

Krok 10: - W zależności od tych wartości obliczymy wartość cewki indukcyjnej

Krok 11: - Dla prądu 1A wartość Rsc będzie wynosić 0,3 / Ipk. Tak więc dla naszego wymagania będzie to Rsc =.3 / 1.15 =.260 Ohm

Krok 12: - Obliczmy wartości kondensatorów wyjściowych, możemy wybrać wartość tętnienia 100mV (od szczytu do szczytu) z wyjścia doładowania.

Wybierzemy 470uF, 25V. Im więcej kondensatora zostanie zużytych, tym bardziej tętnienie będzie mniejsze.

Krok 13: - Na koniec musimy obliczyć wartość rezystorów sprzężenia zwrotnego napięcia. Wybierzemy wartość R1 2k, więc wartość R2 zostanie obliczona jako

Vout = 1,25 (1 + R2 / R1) 5 = 1,25 (1 + R2 / 2K) R2 = 6,2k

Schemat obwodu konwertera Buck

Więc po obliczeniu wszystkich wartości. Oto zaktualizowany schemat

Wymagane komponenty

2 nos relimate złącze wejściowe i wyjściowe
Rezystor 2k - 1 nn
Rezystor 6,2k - 1 nos
1N5819-1 nn
Kondensator 100uF, 25V i 359,37uF, 25V (470uF, używane 25V, wybrana wartość zbliżona) - 1 nos każdy.
62.87uH cewka 1,5A 1 nn. (Zastosowano 100uH 2,5 A, był on łatwo dostępny na rynku)
482pF (używane 470pF) ceramiczny kondensator dyskowy - 1 nos
Zasilacz 12 V o wartości znamionowej 1,5 A.
MC34063 regulator przełączający ic
Rezystor.26ohms (używane.3R, 2W)
1 tablica nos veroboard (można użyć kropkowanego lub połączonego vero).
Lutownica
Topnik do lutowania i druty do lutowania.
W razie potrzeby dodatkowe przewody.

Po ułożeniu elementów przylutuj elementy na płycie Perf

Testowanie obwodu konwertera Buck

Przed przetestowaniem obwodu potrzebujemy zmiennych obciążeń DC, aby pobierać prąd z zasilacza DC. W małym laboratorium elektronicznym, w którym testujemy obwód, tolerancje testowe są znacznie wyższe, przez co niewiele dokładności pomiaru nie spełnia wymagań.

Oscyloskop jest odpowiednio skalibrowany, ale sztuczne szumy, EMI, RF mogą również zmienić dokładność wyniku testu. Ponadto multimetr ma tolerancję +/- 1%.

Tutaj zmierzymy następujące rzeczy

Tętnienia wyjściowe i napięcie przy różnych obciążeniach do 1000 mA. Sprawdź również napięcie wyjściowe przy pełnym obciążeniu.
Sprawność obwodu.
Pobór prądu jałowego obwodu.
Stan zwarcia w obwodzie.
Co się stanie, jeśli przeciążymy wyjście?

Podczas testowania obwodu nasza temperatura pokojowa wynosiła 26 stopni Celsjusza.

Na powyższym obrazku widzimy obciążenie DC. To jest obciążenie rezystancyjne i jak widać, dziesięć nie. rezystorów 1 om połączonych równolegle to rzeczywiste obciążenie, które jest podłączone przez tranzystor MOS-FET, będziemy sterować bramką MOSFET i umożliwimy przepływ prądu przez rezystory. Te rezystory zamieniają moc elektryczną na ciepło. Wynik składa się z 5% tolerancji. Te wyniki obciążenia obejmują również pobór mocy samego obciążenia, więc gdy żadne obciążenie nie jest podłączone do niego i zasilane z zewnętrznego zasilacza, pokaże domyślne 70 mA prądu obciążenia. W naszym przypadku zasilimy obciążenie z zewnętrznego zasilacza stołowego i przetestujemy obwód. Ostateczna wartość wyjściowa będzie (Wynik - 70 mA).

Poniżej znajduje się nasza konfiguracja testowa; podłączyliśmy obciążenie do obwodu, mierzymy prąd wyjściowy na regulatorze buck, a także jego napięcie wyjściowe. Oscyloskop jest również podłączony do konwertera buck, więc możemy również sprawdzić napięcie wyjściowe. Dostarczamy wejście 12 V z naszego zasilacza stacjonarnego.

Rysujemy. 88A lub 952mA-70mA = 882mA prądu z wyjścia. Napięcie wyjściowe jest 5.15V.

W tym momencie, jeśli sprawdzimy tętnienie od szczytu do szczytu na oscyloskopie. Widzimy falę wyjściową, tętnienie wynosi 60mV (pk-pk). Co jest dobre dla konwertera buck z przełączaniem 12 V na 5 V.

Przebieg wyjściowy wygląda następująco:

Oto ramy czasowe przebiegu wyjściowego. Jest to 500mV na podział i przedział czasowy 500uS.

Oto szczegółowy raport z testu

Czas (sek.)	Obciążenie (mA)	Napięcie (V)	Tętnienia (pp) (mV)
180	0	5.17	60
180	200	5.16	60
180	400	5.16	60
180	600	5.16	80
180	800	5.15	80
180	982	5.13	80
180	1200	4.33	120

Zmieniliśmy obciążenie i czekaliśmy około 3 minut na każdym kroku, aby sprawdzić, czy wyniki są stabilne, czy nie. Po obciążeniu 982 mA napięcie znacznie spadło. W innych przypadkach od obciążenia 0 do 940 mA spadek napięcia wyjściowego wyniósł ok. 02V, co jest dość dobrą stabilnością przy pełnym obciążeniu. Ponadto po tym obciążeniu 982 mA napięcie wyjściowe znacznie spada. Zastosowaliśmy rezystor.3R, gdzie wymagane było.26R, dzięki czemu możemy pobierać prąd obciążenia 982mA. MC34063 zasilacz jest w stanie zapewnić właściwą trwałość przy pełnym obciążeniu 1A jak stosowane.3R zamiast.26R. Ale 982 mA jest bardzo zbliżone do wyjścia 1 A. Zastosowaliśmy również rezystory o tolerancji 5%, które są najczęściej dostępne na rynku lokalnym.

Obliczono sprawność przy stałym wejściu 12 V i zmieniając obciążenie. Oto wynik

Napięcie wejściowe (V)	Prąd wejściowy (A)	Moc wejściowa (W)	Napięcie wyjściowe (V)	Prąd wyjściowy (A)	Moc wyjściowa (W)	Sprawność (n)
12.04	0.12	1.4448	5.17	0,2	1.034	71,56699889
12.04	0,23	2.7692	5.16	0,4	2.064	74.53416149
12.04	0.34	4.0936	5.16	0.6	3.096	75.6302521
12.04	0,45	5.418	5.16	0.8	4.128	76.19047619
12.04	0.53	6.3812	5.15	0.98	5.047	79.09170689

Jak widać, średnia sprawność wynosi około 75%, co jest dobrą wydajnością na tym etapie.

Pobór prądu jałowego obwodu wynosi 3,52 mA przy obciążeniu równym 0.

Sprawdziliśmy również, czy nie ma zwarcia i obserwujemy normalny w zwarciu.

Po przekroczeniu progu maksymalnego prądu wyjściowego napięcia wyjściowe znacznie się obniżają i po pewnym czasie zbliżają się do zera.

W tym obwodzie można wprowadzić ulepszenia; możemy użyć kondensatora o niskiej wartości ESR o wyższej wartości, aby zmniejszyć tętnienie wyjściowe. Konieczne jest również odpowiednie zaprojektowanie PCB.