Obvod převodníku 12V na 5v Buck pomocí MC34063

V předchozím tutoriálu jsme demonstrovali podrobný návrh převaděče Boost Converter pomocí MC34063, kde byl navržen převaděč podpory 3,7 V na 5 V. Zde vidíme, jak převést 12V na 5V. Jelikož víme, že přesné 5V baterie nejsou vždy k dispozici, a někdy potřebujeme současně vyšší a nižší napětí k pohonu různých částí obvodu, proto jako hlavní zdroj energie používáme zdroj s vyšším napětím (12 V) a postupujeme napětí na nižší napětí (5 V), kdykoli je to požadováno. Za tímto účelem se v mnoha elektronických aplikacích používá obvod převodníku Buck, který snižuje vstupní napětí podle požadavku na zátěž.

V tomto segmentu je k dispozici spousta možností; jak je vidět v předchozím tutoriálu, MC34063 je jedním z nejpopulárnějších spínacích regulátorů dostupných v takovém segmentu. MC34063 lze konfigurovat ve třech režimech, Buck, Boost a Inverting. Konfiguraci Buck použijeme k převodu zdroje 12V DC na 5V DC s možností výstupního proudu 1A. Dříve jsme vytvořili jednoduchý obvod převaděče Buck pomocí MOSFET; zde můžete také zkontrolovat mnoho dalších užitečných obvodů výkonové elektroniky.

IC MC34063

Na níže uvedeném obrázku je ukázán pinoutový diagram MC34063. Na levé straně je zobrazen vnitřní obvod MC34063 a na druhé straně je zobrazen pinout diagram.

MC34063 je 1. 5A Step up nebo step down nebo invertující regulátor, díky vlastnostem převodu stejnosměrného napětí je MC34063 IC převaděč DC-DC.

Tento IC poskytuje ve svém 8kolíkovém balení následující funkce -

1. Teplotně kompenzovaná reference
2. Obvod omezení proudu
3. Řízený oscilátor pracovního cyklu s aktivním výstupním spínačem budiče vysokého proudu.
4. Přijměte 3,0 V až 40 V DC.
5. Lze provozovat při spínací frekvenci 100 KHz s tolerancí 2%.
6. Velmi nízký pohotovostní proud
7. Nastavitelné výstupní napětí

I přes tyto funkce je široce dostupný a je mnohem nákladově efektivnější než ostatní integrované obvody dostupné v tomto segmentu.

V předchozím tutoriálu jsme navrhli obvod pro zvýšení napětí pomocí MC34063 ke zvýšení napětí lithiové baterie 3,7 V na 5,5 V, v tomto tutoriálu navrhneme převodník 12V na 5V Buck.

Výpočet hodnot komponent pro Boost Converter

Pokud zkontrolujeme datový list, můžeme vidět, že je k dispozici kompletní tabulka vzorců pro výpočet požadovaných požadovaných hodnot podle našeho požadavku. Zde je list vzorců, který je k dispozici v datovém listu, a je také zobrazen obvod pro zvýšení.

Zde je schéma bez hodnoty těchto komponent, které bude použito navíc u MC34063.

Vypočítáme hodnoty požadované pro náš návrh. Můžeme provést výpočty ze vzorců uvedených v datovém listu nebo můžeme použít list aplikace Excel poskytnutý webem ON Semiconductor.

Zde je odkaz na list aplikace Excel.

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

Kroky k výpočtu hodnot těchto komponent -

Krok 1: - Nejprve musíme vybrat diodu. Vybereme široce dostupnou diodu 1N5819. Jak na listu, na 1A proud v propustném směru dopředného napětí diody bude 0,60 V.

Krok 2: - Nejprve vypočítáme induktor a spínací proud, protože budou potřebné pro další výpočet. Náš průměrný proud induktoru bude špičkový proud induktoru. V našem případě je tedy proud induktoru:

IL (průměr) = 1A

Krok 3: - Nyní je čas na zvlnění proudu induktoru. Typický induktor používá 20-40% průměrného výstupního proudu. Pokud tedy zvolíme zvlnění proudu induktoru 30%, bude to 1A * 30% = 0,30A

Krok 4: - Spínací špičkový proud bude IL (průměr) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1,15A

Krok 5: - Pomocí následujícího vzorce vypočítáme t _ON / t _OFF

Z tohoto důvodu je náš Vout 5 V a dopředné napětí diody (Vf) je 0,60 V. Naše minimální vstupní napětí Vin (min.) Je 12V a saturační napětí je 1V (1V v datovém listu). Tím, že to dáme dohromady, dostaneme

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

Krok 6: - Nyní vypočítáme čas Ton + Toff podle vzorce Ton + Toff = 1 / f

Vybereme nižší spínací frekvenci, 40 kHz.

Takže Ton + Toff = 1/40 KHz = 25us

Krok 7: - Nyní vypočítáme Toffův čas. Protože jsme dříve počítali Ton + Toff a Ton / Toff, bude výpočet nyní jednodušší,

Krok 8: - Nyní je dalším krokem výpočet Ton, Ton = (Ton + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05us

Krok 9: - Musíme zvolit načasování Capacitor Ct, které bude požadováno k vytvoření požadované frekvence.

Ct = 4,0 x 10 ^-5 x Ton = 4,0 x 10 ^-5 x 12.05uS = 482pF

Krok 10: - V závislosti na těchto hodnotách vypočítáme hodnotu induktoru

Krok 11: - Pro proud 1A bude hodnota Rsc 0,3 / Ipk. Takže pro náš požadavek to bude Rsc = 0,3 / 1,15 = 0,260 Ohmů

Krok 12: - Pojďme vypočítat hodnoty výstupního kondenzátoru, můžeme zvolit zvlnění hodnoty 100 mV (špička-špička) z boostovacího výstupu.

Vybereme 470uF, 25V. Čím více kondenzátoru bude použito, tím větší zvlnění se sníží.

Krok 13: - Nakonec musíme vypočítat hodnotu odporů zpětné vazby napětí. Vybereme hodnotu R1 2k, takže hodnota R2 bude vypočítána jako

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

Schéma zapojení převodníku Buck

Takže po výpočtu všech hodnot. Zde je aktualizované schéma

Požadované komponenty

1. 2 nos Relimate konektor pro vstup a výstup
2. 2k rezistor - 1 nos
3. 6,2k rezistor - 1 nos
4. 1N5819- 1 nos
5. 100uF, 25V a 359,37uF, 25V kondenzátor (470uF, 25V použito, zvolena blízká hodnota) - každý po 1 nosu.
6. 62,87uH induktor, 1,5A 1 nos. (Používá se 100uH 2,5A, bylo snadno dostupné na trhu)
7. 482pF (470pF použito) keramický diskový kondenzátor - 1 nos
8. Napájecí jednotka 12V s hodnocením 1,5 A.
9. MC34063 spínací regulátor ic
10. .26ohms rezistor (.3R, 2W použitý)
11. 1 nos veroboard (lze použít tečkované nebo spojené vero).
12. Páječka
13. Tavidlo pro pájení a pájení.
14. V případě potřeby další vodiče.

Po uspořádání komponent připájejte komponenty na desku Perf

Testování obvodu převodníku Buck

Před testováním obvodu potřebujeme proměnné stejnosměrné zátěže, abychom odebrali proud ze stejnosměrného napájecího zdroje. V malé laboratoři elektroniky, kde testujeme obvod, jsou testovací tolerance mnohem vyšší a díky tomu není přesnost měření příliš vysoká.

Osciloskop je správně kalibrován, ale přesnost výsledku testu může také změnit umělý šum, EMI, RF. Multimetr má také tolerance +/- 1%.

Zde změříme následující věci

1. Zvlnění výstupu a napětí při různých zátěžích až do 1000 mA. Při tomto plném zatížení také otestujte výstupní napětí.
2. Účinnost obvodu.
3. Spotřeba volnoběžného proudu v obvodu.
4. Stav zkratu obvodu.
5. Co se také stane, když přetížíme výstup?

Když jsme testovali obvod, naše pokojová teplota byla 26 stupňů Celsia.

Na výše uvedeném obrázku vidíme stejnosměrné zatížení. Jedná se o odporovou zátěž a jak vidíme, deset ne. 1 ohm rezistory v paralelním zapojení jsou skutečné zatížení, které je připojeno přes MOS-FET, Budeme ovládat bránu MOSFET a necháme protékat proudem. Tyto rezistory převádějí elektrické energie na teplo. Výsledkem je 5% tolerance. Tyto výsledky zátěže také zahrnují odběr energie samotné zátěže, takže když k ní není připojena žádná zátěž a je napájena pomocí externího zdroje napájení, zobrazí se výchozí 70 mA zátěžového proudu. V našem případě napájíme zátěž z externího napájecího zdroje a testujeme obvod. Konečný výstup bude (Výsledek - 70 mA).

Níže je naše testovací nastavení; připojili jsme zátěž přes obvod, měříme výstupní proud přes buckový regulátor i jeho výstupní napětí. Osciloskop je také připojen přes převodník buck, takže můžeme také zkontrolovat výstupní napětí. Poskytujeme 12V vstup z naší stolní napájecí jednotky.

Kreslíme. 88A nebo 952mA-70mA = 882mA proudu z výstupu. Výstupní napětí je 5,15V.

V tomto bodě, pokud v osciloskopu zkontrolujeme zvlnění vrchol-vrchol. Vidíme výstupní vlnu, zvlnění je 60mV (pk-pk). Což je dobré pro převaděč bucků na 12V až 5V.

Výstupní průběh vypadá takto:

Zde je časový rámec výstupního průběhu. Je to 500 mV na divizi a 500uS časový rámec.

Zde je podrobný protokol o zkoušce

Čas (s)	Zatížení (mA)	Napětí (V)	Zvlnění (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

Změnili jsme zatížení a na každém kroku jsme čekali přibližně 3 minuty, abychom zkontrolovali, zda jsou výsledky stabilní nebo ne. Po zatížení 982 mA napětí výrazně pokleslo. V ostatních případech od 0 zátěží do 940 mA pokleslo výstupní napětí přibližně o 0,02 V, což je docela dobrá stabilita při plném zatížení. Také po tomto zatížení 982 mA výstupní napětí výrazně poklesne. Použili jsme rezistor.3R tam, kde bylo požadováno.26R, díky tomu můžeme čerpat zátěžový proud 982mA. MC34063 napájení je schopen zajistit správnou stabilitu při plném zatížení 1A, jak jsme použili.3R místo.26R. Ale 982mA je velmi blízko výstupu 1A. Také jsme použili rezistory s tolerancí 5%, které jsou nejčastěji dostupné na místním trhu.

Vypočítali jsme účinnost při 12V pevném vstupu a změnou zátěže. Zde je výsledek

Vstupní napětí (V)	Vstupní proud (A)	Příkon (W)	Výstupní napětí (V)	Výstupní proud (A)	Výstupní výkon (W)	Účinnost (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 vidíme, průměrná účinnost se pohybuje kolem 75%, což je v této fázi dobrý výkon.

Spotřeba volnoběhu obvodu je zaznamenána 3,52 mA, když je zátěž 0.

Také jsme zkontrolovali zkrat a pozorujeme normální zkrat.

Po maximální prahové hodnotě výstupního proudu se výstupní napětí výrazně snižuje a po určité době se blíží nule.

V tomto okruhu lze provést vylepšení; můžeme použít kondenzátor s nízkou hodnotou ESR vyšší hodnoty ke snížení zvlnění výstupu. Rovněž je nutné správné navrhování desek plošných spojů.