Obvod prevodníka zosilnenia 3,7 V na 5 V pomocou mc34063

V dnešnej dobe lítiové batérie obohacujú svet elektroniky. Môžu sa nabíjať veľmi rýchlo a poskytujú dobrú zálohu, čo spolu s nízkymi výrobnými nákladmi robí z lítiových batérií najvýhodnejšiu voľbu pre prenosné zariadenia. Pretože napätie jednočlánkovej lítiovej batérie je v rozsahu od minimálneho 3,2 do 4,2 V, je ťažké napájať tie obvody, ktoré vyžadujú 5 V alebo viac. V takom prípade potrebujeme prevodník Boost Converter, ktorý zvýši napätie podľa požiadavky na zaťaženie viac, ako je jeho vstupné napätie.

V tomto segmente je k dispozícii veľa možností; MC34063 je najpopulárnejší spínací regulátor v tomto segmente. MCP34063 možno konfigurovať v troch prevádzkach, a to Buck, Boost a Inverting. Používame MC34063 ako spínací regulátor Boost a zvýšime napätie lítiovej batérie 3,7 V na 5,5 V s výstupným prúdom 500 mA. Predtým sme vytvorili obvod Buck Converter na zníženie napätia; tu môžete tiež skontrolovať veľa zaujímavých projektov v oblasti 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.

Poďme vytvoriť našu step-up obvode pomocou MC34063 k posilneniu 3.7V lítiová batéria až 5,5.

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.

Teraz 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: - Vypočítame použitie vzorca

Z tohto dôvodu je náš Vout 5,5 V, dopredné napätie diódy (Vf) je 0,60V. Naše minimálne napätie Vin (min.) Je 3,2 V, pretože ide o najnižšie prípustné napätie z jednej batérie. A pre saturačné napätie výstupného spínača (Vsat) je to 1V (1V v údajovom liste). Spojením tohto všetkého dostaneme

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

Krok 3: - Nie, čas Ton + Toff vypočítame podľa vzorca Ton + Toff = 1 / f

Vyberieme nižšiu spínaciu frekvenciu, 50 kHz.

Takže, Ton + Toff = 1/50 KHz = 20us, takže náš Ton + Toff je 20uS

Krok 4: - Teraz vypočítame čas T _off.

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

Pretože sme predtým počítali Ton + Toff a Ton / Toff, výpočet bude teraz jednoduchší, Toff = 20us / 1,31 + 1 = 8,65us

Krok 5: - Teraz ďalším krokom je výpočet tony, T _zapnuté = (T _zapnuté + T _vypnuté) - T _vypnuté = 20us - 8,65us = 11,35us

Krok 6: - Budeme musieť zvoliť časovanie Capacitor Ct, ktoré bude potrebné na vytvorenie požadovanej frekvencie. Ct = 4,0 x 10 ^-5 x tona = 4,0 x 10 ^-5 x 11,35 uS = 454pF

Krok 7: - Teraz musíme vypočítať priemerný prúd induktora alebo

IL (priem.). IL (priemer) = Iout (max) x ((T _na / T _off) 1)

Náš maximálny výstupný prúd bude 500 mA. Priemerný prúd induktora bude teda 0,5 A x (1,31 + 1) = 1,15 A.

Krok 8: - Teraz je čas na zvlnenie prúdu induktora. Typický induktor používa 20 - 40% priemerného výstupného prúdu. Takže ak zvolíme zvlnenie prúdu induktora 30%, bude to 1,15 * 30% = 0,34A

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

Krok 10: - V závislosti od týchto hodnôt vypočítame hodnotu induktora

Krok 11: - Pre prúd 500 mA bude hodnota Rsc 0,3 / Ipk. Takže pre našu požiadavku to bude Rsc =.3 / 1,32 = 0,22 ohmov

Krok 12: - Vypočítajme hodnoty výstupného kondenzátora

Z výstupu zosilnenia môžeme zvoliť hodnotu zvlnenia 250 mV (špička-špička).

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

Vyberieme 220uF, 12V . Čím viac kondenzátora sa použije, tým väčšie zvlnenie sa tým zníži.

Krok 13: - Nakoniec musíme vypočítať hodnotu odporov spätnej väzby napätia. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

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

Vypočítali sme všetky hodnoty. Takže nižšie je konečná schéma:

Obvodový diagram zosilňovača

Požadované komponenty

Relimate konektor pre vstup a výstup - 2 nosy
2k rezistor - 1 nos
6,8 k rezistor - 1 nos
1N5819- 1nos
100uF, 12V a 194,94uF, kondenzátor 12V (používa sa 220uF, 12V, je zvolená blízka hodnota) každý po 1 nosi.
18,91uH tlmivka, 1,5A - 1 nos. (Používa sa 33uH 2,5A, bol u nás ľahko dostupný)
454pF (použité 470pF) keramický diskový kondenzátor 1 nos
1 Lítium-iónová alebo lítium-polymérová batéria Jednočlánkový alebo paralelný článok v závislosti od kapacity batérie na účely zálohovania v požadovaných projektoch.
Spínací regulátor IC MC34063
.24ohmový rezistor (použité.3R, 2W)
1 nos Veroboard (možno použiť bodkované alebo spojené vero).
Spájkovačka
Tavidlo na spájkovanie a spájkovacie drôty.
Podľa potreby ďalšie vodiče.

Poznámka: Použili sme induktor 33uh, pretože je ľahko dostupný u miestnych dodávateľov s prúdovým prúdom 2,5A. Tiež sme použili.3R odpor namiesto.22R.

Po usporiadaní komponentov komponenty spájkujte na doske Perf

Spájkovanie je ukončené.

Testovanie obvodu zosilňovača

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 až do 500 mA.
Účinnosť obvodu.
Spotreba nečinného prúdu obvodu.
Skrat obvodu.
Čo sa tiež stane, ak výstup preťažíme?

Teplota v miestnosti bola 25 stupňov Celzia, kde sme testovali okruh.

Na obrázku vyššie vidíme jednosmerné zaťaženie. Toto je odporová záťaž a ako vidíme, 10pcs 1 ohmové rezistory v paralelnom zapojení sú skutočnou záťažou pripojenou cez MOSFET. Budeme ovládať bránu MOSFET a necháme prúd tiecť cez rezistory. Tieto odpory premieňajú elektrickú energiu na teplo. Výsledkom je 5% tolerancia. Tieto výsledky zaťaženia zahŕňajú aj príkon samotnej záťaže, takže keď z nej nie je vyťažená žiadna záťaž, zobrazí sa predvolených 70 mA zaťažovacieho prúdu. Napájame záťaž z iného zdroja napájania a testujeme obvod. Konečný výstup bude (Výsledok - 70 mA ). Budeme používať multimetre s režimom snímania prúdu a merať prúd. Pretože je merací prístroj v sérii s jednosmerným prúdom, displej zaťaženia neposkytne presný výsledok kvôli poklesu napätia bočníkových odporov vo vnútri multimetrov. Výsledok merača zaznamenáme.

Nižšie je uvedené naše testovacie nastavenie; pripojili sme záťaž k obvodu, meriame výstupný prúd cez regulátor zosilnenia, ako aj jeho výstupné napätie. Osciloskop je tiež pripojený k zosilňovaču, takže môžeme tiež skontrolovať výstupné napätie. 18650 lítiová batéria (1S2P - 3,7V 4400 mAh) poskytuje vstupné napätie.

Z výstupu čerpáme prúd.48A alebo 480-70 = 410mA. Výstupné napätie je 5,06V.

V tomto okamihu, ak v osciloskope skontrolujeme zvlnenie medzi vrcholmi. Vidíme výstupnú vlnu, zvlnenie je 260mV (pk-pk).

Tu je podrobný protokol o teste

Čas (s)	Zaťaženie (mA)	Napätie (V)	Zvlnenie (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

Zmenili sme záťaž a pri každom kroku sme čakali približne 3 minúty, aby sme skontrolovali, či sú výsledky stabilné alebo nie. Po zaťažení 530mA (.53A) napätie výrazne pokleslo. V iných prípadoch od 0 záťaží do 500 mA výstupné napätie kleslo o 0,46 V.

Testovanie obvodu pomocou napájacieho zdroja

Pretože nemôžeme kontrolovať napätie batérie, použili sme tiež zdroj napájania s variabilným stolom na kontrolu výstupného napätia pri minimálnom a maximálnom vstupnom napätí (3,3-4,7 V), aby sme skontrolovali, či funguje alebo nie,

Vo vyššie uvedenom obrázku napájací zdroj poskytuje vstupné napätie 3,3 V. Na displeji záťaže sa zobrazuje výstup 5,35 V pri odoberaní prúdu 350mA zo spínacieho zdroja. Pretože záťaž je napájaná z napájacieho zdroja na lavičke, zobrazenie zaťaženia nie je presné. Výsledok odberu prúdu (347mA) tiež pozostáva z odberu prúdu z napájacieho zdroja na stolíku samotnou záťažou. Napájanie záťaže sa vykonáva pomocou stolného napájacieho zdroja (12V / 60mA). Skutočný prúd odoberaný z výstupu MC34063 je teda 347-60 = 287mA.

Účinnosť sme vypočítali pri 3,3 V 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)
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 sme zmenili napätie na vstup 4,2V. Získame 5,41 V ako výstup, keď nakreslíme 357 - 60 = 297 mA záťaže.

Testovali sme tiež účinnosť. Je to o niečo lepšie ako predchádzajúci výsledok.

Vstupné napätie (V)	Vstupný prúd (A)	Vstup napájania (W)	Výstupné napätie (V)	Výstupný prúd (A)	Výstupný výkon (W)	Účinnosť
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

Spotreba nečinného prúdu obvodu je zaznamenaná 3,47 mA za každých podmienok, keď je záťaž 0 .

Tiež sme skontrolovali skrat, bola pozorovaná normálna prevádzka. Po maximálnej prahovej hodnote výstupného prúdu sa výstupné napätie výrazne znižuje a po určitom čase sa blíži k nule.

V tomto okruhu je možné vylepšiť; na zníženie výstupného zvlnenia je možné použiť kondenzátor s vyššou hodnotou s nízkym ESR. Nevyhnutné je tiež správne navrhnutie DPS.