Obwód konwertera doładowania 3,7 V do 5 V przy użyciu MC34063

W dzisiejszych czasach baterie litowe wzbogacają świat elektroniki. Można je bardzo szybko ładować i zapewniają dobrą kopię zapasową, co w połączeniu z niskimi kosztami produkcji sprawia, że ​​baterie litowe są preferowanym wyborem dla urządzeń przenośnych. Ponieważ napięcie pojedynczej baterii litowej mieści się w zakresie od minimum 3,2 do 4,2 V, trudno jest zasilać obwody, które wymagają napięcia 5 V lub więcej. W takim przypadku potrzebujemy Boost Converter, który zwiększy napięcie zgodnie z wymaganiami obciążenia, bardziej niż napięcie wejściowe.

Wiele opcji dostępnych w tym segmencie; MC34063 to najpopularniejszy regulator impulsowy w tym segmencie. MCP34063 można skonfigurować w trzech operacji, Buck, Boost, i Invert. Używamy MC34063 jako przełączającego regulatora Boost i zwiększymy napięcie baterii litowej 3,7 V do 5,5 V z prądem wyjściowym 500 mA. Wcześniej zbudowaliśmy obwód Buck Converter, aby obniżyć napięcie; można tu również sprawdzić wiele ciekawych projektów energoelektroniki.

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:

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

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

Zaprojektujmy nasz obwód podwyższający za pomocą MC34063, aby zwiększyć napięcie baterii litowej 3,7 V do 5,5 V.

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.

Teraz 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 arkuszem danych, przy prądzie przewodzenia 1 A napięcie przewodzenia diody będzie wynosić 0,60 V.

Krok 2: - Obliczymy według wzoru

W tym celu nasze Vout wynosi 5,5 V, napięcie przewodzenia diody (Vf) wynosi 0,60 V. Nasze minimalne napięcie Vin (min) wynosi 3,2 V, ponieważ jest to najniższe dopuszczalne napięcie z baterii jednokomorowej. A dla napięcia nasycenia przełącznika wyjściowego (Vsat) wynosi 1 V (1 V w arkuszu danych). Łącząc to wszystko razem otrzymujemy

(5,5 + 0,60-3,2 / 3,2-1) = 0,9 Więc t _ON / t _OFF = 1,31

Krok 3: - Nie, obliczymy czas Ton + Toff, zgodnie ze wzorem Ton + Toff = 1 / f

Wybierzemy niższą częstotliwość przełączania, 50 kHz.

Tak więc Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Więc nasza Ton + Toff to 20uS

Krok 4: - Teraz _obliczymy czas _wyłączenia.

T _wył. = (T _wł. + T _wył. / (T _wł. / _Wył.) +1)

Ponieważ poprzednio obliczyliśmy Ton + Toff i Ton / Toff, obliczenia będą teraz łatwiejsze, Toff = 20us / 1,31 + 1 = 8,65us

Krok 5: - Teraz następnym krokiem jest obliczenie Ton, T _on = (T _on + T _off) - T _off = 20us - 8,65us = 11,35us

Krok 6: - Będziemy musieli wybrać czas kondensatora Ct, który będzie potrzebny do wytworzenia żądanej częstotliwości. Ct = 4,0 x ^10-5 x Ton = 4,0 x ^10-5 x 11,35uS = 454pF

Krok 7: - Teraz musimy obliczyć średni prąd cewki indukcyjnej lub

IL (śr.). IL (śr.) = Iwyj. (Maks.) X ((T _wł. / _Wył.) +1)

Nasz maksymalny prąd wyjściowy wyniesie 500 mA. Tak więc średni prąd cewki będzie wynosił 0,5A x (1,31 + 1) = 1,15A.

Krok 8: - 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 1,15 * 30% = 0,34A

Krok 9: - Szczytowy prąd przełączania będzie wynosić IL (średni) + Iripple / 2 = 1,15 +.34 / 2 = 1,32A

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

Krok 11: - Dla prądu 500 mA wartość Rsc będzie wynosić 0,3 / Ipk. Tak więc dla naszych wymagań będzie to Rsc = 0,3 / 1,32 = 0,22 Ohm

Krok 12: - Obliczmy wartości kondensatorów wyjściowych

Możemy wybrać wartość tętnienia 250mV (od szczytu do szczytu) z wyjścia doładowania.

Zatem Cout = 9 * (0,5 * 11,35us / 0,25) = 204,3uF

Wybierzemy 220uF, 12V . Im więcej kondensatora zostanie zużytych, tym więcej tętnień zmniejszy.

Krok 13: - Na koniec musimy obliczyć wartość rezystorów sprzężenia zwrotnego napięcia. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Wybierzemy wartość R1 2k, więc wartość R2 wyniesie 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8k

Obliczyliśmy wszystkie wartości. Poniżej znajduje się ostateczny schemat:

Schemat obwodu konwertera doładowania

Wymagane komponenty

1. Relimate złącze wejścia i wyjścia - 2 nn
2. Rezystor 2k - 1 nn
3. Rezystor 6,8k - 1 nn
4. 1N5819- 1nos
5. Kondensator 100uF, 12V i 194,94uF, 12V (używany jest 220uF, 12V, wybrana wartość zbliżona) po 1 nosie.
6. Cewka 18,91uH, 1,5 A - 1 nn. (Zastosowano 33uH 2,5A, było łatwo dostępne u nas)
7. 454pF (używane 470pF) ceramiczny kondensator dyskowy 1 nr
8. 1 Bateria litowo-jonowa lub litowo-polimerowa Jedno lub równoległe ogniwo, w zależności od pojemności baterii, w przypadku problemów związanych z tworzeniem kopii zapasowych w wymaganych projektach.
9. Układ scalony regulatora przełączającego MC34063
10. Rezystor.24ohms (używane.3R, 2W)
11. 1 nos Veroboard (można użyć kropkowanego lub połączonego vero).
12. Lutownica
13. Topnik do lutowania i druty do lutowania.
14. W razie potrzeby dodatkowe przewody.

Uwaga: zastosowaliśmy cewkę indukcyjną 33uh, ponieważ jest ona łatwo dostępna u lokalnych dostawców z prądem znamionowym 2,5 A. Także użyliśmy rezystor.3R zamiast.22R.

Po ułożeniu elementów przylutuj elementy na płycie Perf

Lutowanie jest zakończone.

Testowanie obwodu konwertera wspomagania

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

1. Tętnienia wyjściowe i napięcie przy różnych obciążeniach do 500 mA.
2. Sprawność obwodu.
3. Pobór prądu jałowego obwodu.
4. Stan zwarcia w obwodzie.
5. Co się stanie, jeśli przeciążymy wyjście?

Nasza temperatura pokojowa to 25 stopni Celsjusza, w którym testowaliśmy obwód.

Na powyższym obrazku widzimy obciążenie DC. Jest to obciążenie rezystancyjne i jak widać, 10 szt. Rezystorów 1 om w połączeniu równoległym to rzeczywiste obciążenie podłączone przez MOSFET, będziemy sterować bramką MOSFET i umożliwimy przepływ prądu przez rezystory. Te rezystory zamieniają moc elektryczną na ciepło. Wynik zawiera 5% tolerancji. Również te wyniki obciążenia obejmują pobór mocy samego obciążenia, więc gdy żadne obciążenie nie jest przez nie pobierane, pokaże domyślne 70 mA prądu obciążenia. Zasilimy obciążenie z innego źródła zasilania i przetestujemy obwód. Ostateczna wartość wyjściowa będzie (Wynik - 70mA ). Użyjemy multimetrów z trybem wykrywania prądu i zmierzymy prąd. Ponieważ miernik jest połączony szeregowo z obciążeniem DC, wyświetlacz obciążenia nie pokaże dokładnego wyniku ze względu na spadek napięcia rezystorów bocznikowych wewnątrz mierników. Zapiszemy wynik licznika.

Poniżej znajduje się nasza konfiguracja testowa; podłączyliśmy obciążenie w obwodzie, mierzymy prąd wyjściowy na regulatorze doładowania, a także jego napięcie wyjściowe. Oscyloskop jest również podłączony do konwertera boost, więc możemy również sprawdzić napięcie wyjściowe. 18650 bateria litowa (1S2P - 3,7V 4400 mAh) dostarczają napięcia wejściowego.

Z wyjścia pobieramy 0,48A lub 480-70 = 410mA prądu. Napięcie wyjściowe wynosi 5,06 V.

W tym momencie, jeśli sprawdzimy tętnienie od szczytu do szczytu w oscyloskopie. Widzimy falę wyjściową, tętnienie wynosi 260mV (pk-pk).

Oto szczegółowy raport z testu

Czas (sek.)	Obciążenie (mA)	Napięcie (V)	Tętnienia (pp) (mV)
180	0	5.54	180
180	100	5.46	196
180	200	5.32	208
180	300	5.36	220
180	400	5.16	243
180	500	5.08	258
180	600	4.29	325

Zmieniliśmy obciążenie i czekaliśmy około 3 minuty na każdym kroku, aby sprawdzić, czy wyniki są stabilne, czy nie. Po obciążeniu 530 mA (0,53 A) napięcie znacznie spadło. W innych przypadkach od obciążenia 0 do 500 mA napięcie wyjściowe spadło do 0,46 V.

Testowanie obwodu z zasilaczem laboratoryjnym

Ponieważ nie możemy kontrolować napięcia akumulatora, użyliśmy również zasilacza stołowego o zmiennej wydajności, aby sprawdzić napięcie wyjściowe przy minimalnym i maksymalnym napięciu wejściowym (3,3-4,7 V), aby sprawdzić, czy działa, czy nie,

Na powyższym obrazku zasilacz laboratoryjny zapewnia napięcie wejściowe 3,3 V. Wyświetlacz obciążenia pokazuje wyjście 5,35 V przy poborze prądu 350 mA z zasilacza impulsowego. Ponieważ obciążenie jest zasilane z zasilacza stołowego, wskazanie obciążenia nie jest dokładne. Wynik poboru prądu (347 mA) obejmuje również pobór prądu z zasilacza stołowego przez samo obciążenie. Obciążenie jest zasilane z zasilacza stacjonarnego (12V / 60mA). Zatem rzeczywisty prąd pobierany z wyjścia MC34063 wynosi 347-60 = 287mA.

Obliczyliśmy wydajność przy 3,3 V, zmieniając obciążenie, oto wynik

Napięcie wejściowe (V)	Prąd wejściowy (A)	Moc wejściowa (W)	Napięcie wyjściowe (V)	Prąd wyjściowy (A)	Moc wyjściowa (W)	Sprawność (n)
3.3	0.46	1.518	5.49	0,183	1,00467	66.1837945
3.3	0.65	2.145	5.35	0,287	1.53545	71,5827506
3.3	0.8	2.64	5.21	0.349	1.81829	68,8746212
3.3	1	3.3	5.12	0,451	2.30912	69,9733333
3.3	1.13	3.729	5.03	0.52	2.6156	70.1421293

Teraz zmieniliśmy napięcie na wejście 4,2 V. Otrzymujemy 5,41V na wyjściu, gdy pobieramy 357 - 60 = 297mA obciążenia.

Przetestowaliśmy również wydajność. Jest nieco lepszy niż poprzedni wynik.

Napięcie wejściowe (V)	Prąd wejściowy (A)	Moc wejściowa (W)	Napięcie wyjściowe (V)	Prąd wyjściowy (A)	Moc wyjściowa (W)	Wydajność
4.2	0,23	0.966	5.59	0.12	0.6708	69.4409938
4.2	0.37	1.554	5.46	0.21	1.1466	73,7837838
4.2	0,47	1.974	5.41	0,28	1.5148	76.7375887
4.2	0.64	2.688	5.39	0.38	2.0482	76.1979167
4.2	0.8	3.36	5.23	0,47	2.4581	73.1577381

Pobór prądu jałowego obwodu wynosi 3,47 mA we wszystkich warunkach, gdy obciążenie wynosi 0 .

Sprawdziliśmy również, czy nie ma zwarcia, zaobserwowano normalną pracę. Po przekroczeniu progu maksymalnego prądu wyjściowego napięcie wyjściowe znacznie się obniża i po pewnym czasie zbliża się do zera.

W tym obwodzie można wprowadzić ulepszenia; W celu zmniejszenia tętnień wyjściowych można zastosować kondensator o niskiej wartości ESR i wyższej wartości. Niezbędne jest również odpowiednie zaprojektowanie PCB.