- IC MC34063
- Výpočet hodnôt komponentov pre Boost Converter
- Schéma zapojenia prevodníka Buck
- Požadované komponenty
- Testovanie obvodu prevodníka Buck
V predchádzajúcom tutoriáli sme si demonštrovali podrobný návrh zosilňovača Boost Converter pomocou MC34063, kde bol navrhnutý zosilňovač zosilnenia 3,7 V na 5 V. Tu vidíme, ako prevádzať 12V na 5V. Pretože vieme, že presné 5V batérie nie sú vždy k dispozícii, niekedy potrebujeme na napájanie rôznych častí obvodu súčasne vyššie a nižšie napätie, preto ako hlavný zdroj napájania používame zdroj s vyšším napätím (12 V) a postupujeme napätie na nižšie napätie (5 V), kedykoľvek je to potrebné. Za týmto účelom sa v mnohých elektronických aplikáciách používa obvod prevodníka Buck, ktorý znižuje vstupné napätie podľa požiadavky na záťaž.
V tomto segmente je k dispozícii veľa možností; ako je vidieť v predchádzajúcom návode, MC34063 je jedným z najpopulárnejších spínacích regulátorov dostupných v takomto segmente. MC34063 možno konfigurovať v troch režimoch: Buck, Boost a Inverting. Použijeme konfiguráciu Buck na prevod zdroja 12V DC na 5V DC s možnosťou výstupného prúdu 1A. Predtým sme vytvorili jednoduchý obvod prevodníka Buck pomocou MOSFET; môžete tu tiež skontrolovať oveľa viac užitočných obvodov výkonovej elektroniky.
IC MC34063
Na nasledujúcom obrázku je znázornený pinoutový diagram MC34063. Na ľavej strane je zobrazený vnútorný obvod MC34063 a na druhej strane je znázornený pinout diagram.
MC34063 je 1. 5A Step up alebo step down alebo invertujúci regulátor, kvôli vlastnosti konverzie jednosmerného napätia, MC34063 je DC-DC prevodník IC.
Tento IC poskytuje vo svojom 8-pinovom balení nasledujúce funkcie -
- Teplotne kompenzovaná referencia
- Obvod obmedzenia prúdu
- Oscilátor s riadeným pracovným cyklom s aktívnym výstupným spínačom budiča vysokého prúdu.
- Prijímajte 3,0 V až 40 V DC.
- Môže byť prevádzkovaný na spínacej frekvencii 100 KHz s toleranciou 2%.
- Veľmi nízky pohotovostný prúd
- Nastaviteľné výstupné napätie
Aj napriek týmto vlastnostiam je široko dostupný a je nákladovo efektívne ako iné integrované obvody dostupné v takomto segmente.
V predchádzajúcom tutoriáli sme navrhli zosilňovací obvod napätia pomocou MC34063 na zvýšenie napätia lítiovej batérie 3,7 V na 5,5 V, v tomto tutoriále navrhneme prevodník 12V na 5V Buck.
Výpočet hodnôt komponentov pre Boost Converter
Ak skontrolujeme údajový list, môžeme vidieť, že je k dispozícii kompletný vzorcový diagram na výpočet požadovaných požadovaných hodnôt podľa našej požiadavky. Tu je hárok vzorcov, ktorý je k dispozícii v údajovom hárku, a je tu tiež znázornený obvod zosilnenia.
Tu je schéma bez hodnoty týchto komponentov, ktorá sa použije navyše s MC34063.
Vypočítame hodnoty, ktoré sú potrebné pre náš návrh. Výpočty môžeme vykonať zo vzorcov uvedených v údajovom liste alebo môžeme použiť list programu Excel poskytnutý na webovej stránke spoločnosti ON Semiconductor.
Tu je odkaz na hárok programu Excel.
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063%20DWS.XLS
Kroky na výpočet hodnôt týchto komponentov-
Krok 1: - Najskôr musíme zvoliť diódu. Vyberieme široko dostupnú diódu 1N5819. Podľa údajového listu bude pri doprednom prúde 1A napäťové napätie diódy 0,60 V.
Krok 2: - Najprv vypočítame induktor a spínací prúd, pretože budú potrebné pre ďalší výpočet. Náš priemerný prúd induktora bude špičkový prúd induktora. Takže v našom prípade je prúd induktora:
IL (priem.) = 1A
Krok 3: - Teraz je čas na zvlnenie prúdu induktora. Typický induktor používa 20 - 40% priemerného výstupného prúdu. Takže ak zvolíme zvlnenie prúdu induktora 30%, bude to 1A * 30% = 0,30A
Krok 4: - Spínací špičkový prúd bude IL (priem.) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1,15A
Krok 5: - Pomocou nižšie uvedeného vzorca vypočítame t ON / t OFF
Z tohto dôvodu je náš Vout 5 V a dopredné napätie diódy (Vf) je 0,60V. Naše minimálne vstupné napätie Vin (min.) Je 12V a saturačné napätie je 1V (1V v údajovom liste). Spojením tohto všetkého dostaneme
(5 + 0,60) / (12-1-5) = 0,93 Takže t t ON / t OFF = 0,93uS
Krok 6: - Teraz vypočítame čas Ton + Toff podľa vzorca Ton + Toff = 1 / f
Vyberieme nižšiu spínaciu frekvenciu, 40 KHz.
Takže Ton + Toff = 1/40 KHz = 25us
Krok 7: - Teraz vypočítame Toffov čas. Pretože sme predtým počítali Ton + Toff a Ton / Toff, výpočet bude teraz jednoduchší,
Krok 8: - Teraz ďalším krokom je výpočet tony, Ton = (Ton + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05us
Krok 9: - Musíme zvoliť časovanie kondenzátora Ct, ktoré bude potrebné na vytvorenie požadovanej frekvencie.
Ct = 4,0 x 10 - 5 x tona = 4,0 x 10 - 5 x 12,05 uS = 482 pF
Krok 10: - V závislosti od týchto hodnôt vypočítame hodnotu induktora
Krok 11: - Pre prúd 1A bude hodnota Rsc 0,3 / Ipk. Takže pre našu požiadavku to bude Rsc =.3 / 1,15 =.260 ohmov
Krok 12: - Vypočítajme hodnoty výstupného kondenzátora, môžeme zvoliť zvlnenie 100 mV (špička-špička) z boostovacieho výstupu.
Vyberieme 470uF, 25V. Čím viac kondenzátora sa použije, tým väčšie zvlnenie sa zníži.
Krok 13: - Nakoniec musíme vypočítať hodnotu odporov spätnej väzby napätia. Vyberieme hodnotu R1 2k, teda hodnota R2 sa bude počítať ako
Vout = 1,25 (1 + R2 / R1) 5 = 1,25 (1 + R2 / 2K) R2 = 6,2k
Schéma zapojenia prevodníka Buck
Takže po výpočte všetkých hodnôt. Tu je aktualizovaná schéma
Požadované komponenty
- 2 nosový konektor pre vstup a výstup
- 2k rezistor - 1 nos
- 6,2k rezistor - 1 nos
- 1N5819- 1 nos
- 100uF, 25V a 359,37uF, 25V kondenzátor (470uF, 25V použité, zvolená blízka hodnota) - každý po 1 nos.
- 62,87uH tlmivka, 1,5A 1 nos. (Používa sa 100uH 2,5A, bol na trhu ľahko dostupný)
- 482pF (použité 470pF) keramický diskový kondenzátor - 1 nos
- Jednotka napájania 12V s hodnotením 1,5 A.
- MC34063 spínací regulátor ic
- .26ohmový rezistor (použité.3R, 2W)
- 1 nos veroboard (možno použiť bodkované alebo spojené vero).
- Spájkovačka
- Tavidlo na spájkovanie a spájkovacie drôty.
- Podľa potreby ďalšie vodiče.
Po usporiadaní komponentov komponenty spájkujte na doske Perf
Testovanie obvodu prevodníka Buck
Pred testovaním obvodu potrebujeme premenlivé jednosmerné záťaže na odber prúdu z jednosmerného napájacieho zdroja. V malom laboratóriu s elektronikou, kde testujeme obvod, sú testovacie tolerancie omnoho vyššie a vďaka tomu nie je málo presností merania až po značku.
Osciloskop je správne kalibrovaný, ale presnosť výsledku testu môže zmeniť aj umelý šum, EMI, RF. Multimetr má tiež toleranciu +/- 1%.
Tu budeme merať nasledujúce veci
- Zvlnenie výstupu a napätie pri rôznych zaťaženiach do 1 000 mA. Pri tomto plnom zaťažení tiež otestujte výstupné napätie.
- Účinnosť obvodu.
- Spotreba nečinného prúdu obvodu.
- Skrat obvodu.
- Čo sa tiež stane, ak výstup preťažíme?
Naša teplota v miestnosti bola pri testovaní obvodu 26 stupňov Celzia.
Na obrázku vyššie vidíme jednosmerné zaťaženie. Jedná sa o odporovú záťaž a ako vidíme, desať č. z 1 ohmových rezistorov v paralelnom zapojení je skutočné zaťaženie, ktoré je pripojené cez MOS-FET, budeme riadiť bránu MOSFET a necháme prúd prúdiť cez rezistory. Tieto odpory premieňajú elektrickú energiu na teplo. Výsledok pozostáva z 5% tolerancie. Tieto výsledky zaťaženia zahŕňajú aj príkon samotnej záťaže, takže ak cez ňu nie je pripojená žiadna záťaž a nie je napájaná pomocou externého zdroja napájania, zobrazí sa predvolených 70 mA zaťažovacieho prúdu. V našom prípade napájame záťaž z externého napájacieho zdroja na stole a testujeme obvod. Konečný výstup bude (Výsledok - 70 mA).
Nižšie je uvedené naše testovacie nastavenie; pripojili sme záťaž cez obvod, meriame výstupný prúd cez buckový regulátor, ako aj jeho výstupné napätie. Osciloskop je tiež pripojený cez prevodník buck, takže môžeme tiež skontrolovať výstupné napätie. Poskytujeme vstup 12 V z našej napájacej jednotky.
Kreslíme. 88A alebo 952mA-70mA = 882mA prúdu z výstupu. Výstupné napätie je 5,15V.
V tomto okamihu, ak v osciloskope skontrolujeme zvlnenie medzi vrcholmi. Vidíme výstupnú vlnu, zvlnenie je 60mV (pk-pk). Čo je dobré pre prevodník spínania buck na 12V až 5V.
Výstupný priebeh vyzerá takto:
Tu je časový rámec výstupného priebehu. Je to 500 mV na divíziu a 500uS časový rámec.
Tu je podrobný protokol o teste
Čas (s) |
Zaťaženie (mA) |
Napätie (V) |
Zvlnenie (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 |
Zmenili sme záťaž a na každom kroku sme čakali približne 3 minúty, aby sme skontrolovali, či sú výsledky stabilné alebo nie. Po zaťažení 982 mA napätie výrazne pokleslo. V ostatných prípadoch od 0 záťaží do 940 mA pokleslo výstupné napätie na približne 0,02 V, čo je celkom dobrá stabilita pri plnom zaťažení. Po tomto zaťažení 982 mA tiež výrazne poklesne výstupné napätie. Použili sme rezistor.3R tam, kde sa vyžadovalo.26R, kvôli tomu môžeme odoberať 982mA záťažového prúdu. MC34063 napájania je schopný zabezpečiť správnu stabilitu pri plnom zaťažení 1A, ako sme použili.3R miesto.26R. Ale 982mA je veľmi blízko k výstupu 1A. Použili sme tiež rezistory s toleranciou 5%, ktoré sú najbežnejšie dostupné na miestnom trhu.
Vypočítali sme účinnosť na 12V pevnom vstupe a zmenou záťaže. Tu je výsledok
Vstupné napätie (V) |
Vstupný prúd (A) |
Vstup napájania (W) |
Výstupné napätie (V) |
Výstupný prúd (A) |
Výstupný výkon (W) |
Účinnosť (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 |
Ako vidíme, priemerná účinnosť sa pohybuje okolo 75%, čo je v tejto fáze dobrý výkon.
Spotreba nečinného prúdu obvodu je zaznamenaná 3,52 mA, keď je záťaž 0.
Tiež sme skontrolovali skrat a v skrate pozorujeme Normal.
Po maximálnej prahovej hodnote výstupného prúdu sa výstupné napätia výrazne znižujú a po určitom čase sa blížia k nule.
V tomto okruhu je možné vylepšiť; môžeme použiť kondenzátor s nízkou hodnotou ESR s vyššou hodnotou na zníženie zvlnenia výstupu. Tiež je potrebné správne navrhnutie DPS.