Obvod převodníku boostu 3,7 V na 5 V pomocí MC34063

V moderní době obohacují lithiové baterie svět elektroniky. Mohou být nabíjeny velmi rychle a poskytují dobrou zálohu, což spolu s jejich nízkými výrobními náklady činí lithiové baterie tou nejvýhodnější volbou pro přenosná zařízení. Vzhledem k tomu, že napětí jednočlánkové lithiové baterie je v rozsahu od minimálního napětí 3,2 do 4,2 V, je obtížné napájet obvody, které vyžadují 5 V nebo více. V takovém případě potřebujeme Boost Converter, který zvýší napětí podle požadavku na zátěž, více než je vstupní napětí.

V tomto segmentu je k dispozici spousta možností; MC34063 je nejoblíbenější spínací regulátor v tomto segmentu. MCP34063 lze konfigurovat ve třech operacích, Buck, Boost a Inverting. Používáme MC34063 jako spínací regulátor Boost a zvýšíme napětí lithiové baterie 3,7 V na 5,5 V s výstupním proudem 500 mA. Dříve jsme vytvořili obvod Buck Converter, abychom snížili napětí; zde můžete také zkontrolovat mnoho zajímavých projektů v oblasti 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 -

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

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

Pojďme navrhnout náš zesilovací obvod pomocí MC34063 ke zvýšení napětí lithiové baterie 3,7 V na 5,5 V.

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.

Nyní vypočítáme hodnoty, které jsou potřebné 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. Podle datového listu bude při dopředném proudu 1 A dopředné napětí diody 0,60 V.

Krok 2: - Vypočítáme použití vzorce

Za tímto účelem je náš Vout 5,5 V, dopředné napětí diody (Vf) je 0,60V. Naše minimální napětí Vin (min.) Je 3,2 V, protože se jedná o nejnižší přijatelné napětí z jedné baterie. A pro saturační napětí výstupního spínače (Vsat) je 1 V (1 V v datovém listu). Tím, že to dáme dohromady, dostaneme

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

Krok 3: - Ne, vypočteme čas Ton + Toff podle vzorce Ton + Toff = 1 / f

Vybereme nižší spínací frekvenci, 50 kHz.

Takže Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Takže náš Ton + Toff je 20uS

Krok 4: - Nyní vypočítáme čas _vypnutí T.

T _off = (T _on + T _off / (T _on / T _off) +1)

Protože jsme dříve počítali Ton + Toff a Ton / Toff, bude výpočet nyní jednodušší, Toff = 20us / 1,31 + 1 = 8,65us

Krok 5: - Nyní je dalším krokem výpočet Ton, T _on = (T _on + T _off) - T _off = 20us - 8,65us = 11,35us

Krok 6: - Budeme muset 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 11.35uS = 454pF

Krok 7: - Nyní musíme vypočítat průměrný proud induktoru nebo

IL (průměr). IL (průměr) = Iout (max) x ((T _zapnuto / T _vypnuto) +1)

Náš maximální výstupní proud bude 500 mA. Průměrný proud induktoru bude tedy 0,5 A x (1,31 + 1) = 1,15 A.

Krok 8: - Nyní je čas na zvlnění proudu induktoru. Typický induktor používá 20-40% průměrného výstupního proudu. Pokud tedy zvolíme zvlnění proudu induktoru 30%, bude to 1,15 * 30% = 0,34A

Krok 9: - Spínací špičkový proud bude IL (průměr) + Iripple / 2 = 1,15 + 0,34 / 2 = 1,32A

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

Krok 11: - Pro proud 500 mA bude hodnota Rsc 0,3 / Ipk. Takže pro náš požadavek to bude Rsc =.3 / 1,32 = 0,22 Ohm

Krok 12: - Vypočítáme hodnoty výstupního kondenzátoru

Můžeme zvolit hodnotu zvlnění 250 mV (špička-špička) z výstupu zesílení.

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

Vybereme 220uF, 12V . Čím více kondenzátoru bude použito, tím větší zvlnění se sníží.

Krok 13: - Nakonec musíme vypočítat hodnotu odporů zpětné vazby napětí. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Vybereme hodnotu R1 2k, takže hodnota R2 bude 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8k

Vypočítali jsme všechny hodnoty. Níže je tedy konečné schéma:

Obvodové schéma zesilovače převodníku

Požadované komponenty

Relimate konektor pro vstup a výstup - 2 nosy
2k rezistor - 1 nos
6,8k rezistor - 1 nos
1N5819- 1nos
100uF, 12V a 194,94uF, 12V kondenzátor (používá se 220uF, 12V, je zvolena blízká hodnota) po 1 nosu.
18,91uH induktor, 1,5A - 1 nos. (Používá se 33uH 2,5A, u nás to bylo snadno dostupné)
454pF (použito 470pF) keramický diskový kondenzátor 1 nos
1 Lithium-iontová nebo lithium-polymerová baterie Jednočlánková nebo paralelní buňka v závislosti na kapacitě baterie pro problém související se zálohováním v požadovaných projektech.
Spínací regulátor IC MC34063
.24ohmový rezistor (použito.3R, 2W)
1 nos Veroboard (lze použít tečkované nebo spojené vero).
Páječka
Tavidlo pro pájení a pájení.
V případě potřeby další vodiče.

Poznámka: Použili jsme induktor 33uh, protože je snadno dostupný u místních prodejců se jmenovitým proudem 2,5A. Také jsme použili.3R odpor místo.22R.

Po uspořádání komponent připájejte komponenty na desku Perf

Pájení je dokončeno.

Testování obvodu Boost Converter

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

Zvlnění výstupu a napětí při různých zátěžích až do 500 mA.
Účinnost obvodu.
Spotřeba volnoběžného proudu v obvodu.
Stav zkratu obvodu.
Co se také stane, když přetížíme výstup?

Naše pokojová teplota je 25 stupňů Celsia, kde jsme testovali obvod.

Na obrázku výše vidíme stejnosměrné zatížení. Jedná se o odporovou zátěž a jak vidíme, 10pcs 1 ohmové odpory v paralelním zapojení jsou skutečnou zátěží připojenou přes MOSFET. Budeme ovládat bránu MOSFET a necháme protékat proudem přes rezistory. Tyto rezistory převádějí elektrické energie na teplo. Výsledkem je 5% tolerance. Také tyto výsledky zátěže zahrnují odběr energie samotné zátěže, takže když není čerpána zátěž, zobrazí výchozí 70 mA zátěžového proudu. Napájíme zátěž z jiného zdroje napájení a testujeme obvod. Konečný výstup bude (výsledek - 70 mA ). Budeme používat multimetry s režimem snímání proudu a měříme proud. Jelikož je měřicí přístroj zapojen do stejnosměrného proudu, nebude zobrazení zátěže poskytovat přesný výsledek kvůli poklesu napětí bočních odporů uvnitř multimetrů. Zaznamenáme výsledek měřiče.

Níže je naše testovací nastavení; připojili jsme zátěž přes obvod, měříme výstupní proud přes regulátor zesílení i jeho výstupní napětí. Osciloskop je také připojen přes boost převodník, takže můžeme také zkontrolovat výstupní napětí. 18650 lithiová baterie (1S2P - 3,7V 4400 mAh) poskytuje vstupní napětí.

Z výstupu čerpáme proud 0,48A nebo 480-70 = 410mA. Výstupní napětí je 5,06V.

V tomto bodě, pokud v osciloskopu zkontrolujeme zvlnění vrchol-vrchol. Vidíme výstupní vlnu, zvlnění je 260mV (pk-pk).

Zde je podrobný protokol o zkoušce

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

Změnili jsme zátěž a počkali jsme přibližně 3 minuty na každém kroku, abychom zkontrolovali, zda jsou výsledky stabilní nebo ne. Po zatížení 530 mA (0,53 A) napětí výrazně pokleslo. V ostatních případech od 0 zátěží do 500 mA výstupní napětí pokleslo o 0,46 V.

Testování obvodu s napájecím zdrojem

Protože nemůžeme řídit napětí baterie, použili jsme také napájecí zdroj s variabilním stolním počítačem ke kontrole výstupního napětí při minimálním a maximálním vstupním napětí (3,3-4,7 V), abychom zkontrolovali, zda funguje nebo ne,

Ve výše uvedeném obrázku poskytuje napájecí zdroj 3,3 V vstupní napětí. Displej zátěže zobrazuje výstup 5,35 V při odběru proudu 350 mA ze spínacího zdroje. Jelikož je zátěž napájena stolním zdrojem napájení, není zobrazení zátěže přesné. Výsledek odběru proudu (347 mA) také sestává z odběru proudu z napájecího zdroje stolního zařízení samotným zatížením. Napájení zátěže se provádí pomocí stolního zdroje (12V / 60mA). Skutečný proud odebíraný z výstupu MC34063 je tedy 347-60 = 287mA.

Účinnost jsme vypočítali změnou zátěže na 3,3 V, zde je výsledek

Vstupní napětí (V)	Vstupní proud (A)	Příkon (W)	Výstupní napětí (V)	Výstupní proud (A)	Výstupní výkon (W)	Účinnost (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

Nyní jsme změnili napětí na vstup 4,2V. Získáváme 5,41 V jako výstup, když nakreslíme 357 - 60 = 297 mA zátěže.

Také jsme testovali účinnost. Je o něco lepší než předchozí výsledek.

Vstupní napětí (V)	Vstupní proud (A)	Příkon (W)	Výstupní napětí (V)	Výstupní proud (A)	Výstupní výkon (W)	Účinnost
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

Spotřeba volnoběhu obvodu je zaznamenána 3,47 mA za všech podmínek, když je zátěž 0 .

Zkontrolovali jsme také zkrat, pozoroval se normální provoz. Po prahové hodnotě maximálního výstupního proudu se výstupní napětí výrazně snižuje a po určité době se blíží nule.

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