Circuit convertidor d’impuls de 3,7 V a 5 V mitjançant mc34063

Actualment, les bateries de liti enriqueixen el món de l’electrònica. Es poden carregar molt ràpidament i proporcionar una bona còpia de seguretat, cosa que, juntament amb el seu baix cost de fabricació, converteixen les bateries de liti en l’elecció més preferida per a dispositius portàtils. Com que la tensió de la bateria de liti d’una sola cèl·lula oscil·la entre el voltatge mínim de 3,2 i 4,2 V, és difícil alimentar aquells circuits que requereixen 5 V o més. En aquest cas, necessitem un convertidor Boost que augmenti el voltatge segons el requisit de càrrega, més que el voltatge d’entrada.

Hi ha moltes opcions disponibles en aquest segment; MC34063 és el regulador de commutació més popular en aquest segment. MCP34063 es pot configurar en tres operacions: Buck, Boost i Inverting. Utilitzem MC34063 com a regulador Boost de commutació i augmentarem la tensió de la bateria de liti de 3,7 V a 5,5 V amb capacitats de corrent de sortida de 500 mA. Prèviament, hem construït un circuit convertidor Buck per reduir la tensió; aquí també podeu consultar molts interessants projectes d’electrònica de potència.

IC MC34063

El diagrama de pinout MC34063 s'ha mostrat a la imatge següent. A la part esquerra es mostra el circuit intern de l'MC34063 i, a l'altra banda, es mostra el diagrama de pinout.

MC34063 és un 1. 5A Pas dalt o pas a baix o invertint regulador, a causa de DC propietat de conversió de voltatge, MC34063 és un convertidor DC-DC IC.

Aquest IC proporciona les funcions següents al seu paquet de 8 pins:

1. Referència compensada per temperatura
2. Circuit límit de corrent
3. Oscil·lador de cicle de treball controlat amb un interruptor de sortida de controlador actiu d’alta intensitat.
4. Accepteu de 3,0 V a 40 V CC.
5. Pot funcionar a una freqüència de commutació de 100 KHz amb una tolerància del 2%.
6. Corrent d'espera molt baix
7. Tensió de sortida ajustable

A més, malgrat aquestes característiques, està àmpliament disponible i és molt rendible que altres circuits integrats disponibles en aquest segment.

Dissenyem el nostre circuit intensiu mitjançant MC34063 per augmentar el voltatge de la bateria de liti de 3,7 V a 5,5 V.

Càlcul dels valors dels components per a Boost Converter

Si comprovem el full de dades, podem veure que hi ha un gràfic de fórmules complet per calcular els valors desitjats necessaris segons el nostre requisit. Aquí teniu el full de fórmules disponible dins del full de dades i també es mostra el circuit de pujada.

Aquí teniu l’ esquema sense el valor d’aquests components, que s’utilitzarà addicionalment amb l’ MC34063.

Ara calcularem els valors necessaris per al nostre disseny. Podem fer els càlculs a partir de les fórmules proporcionades al full de dades o podem utilitzar el full Excel proporcionat pel lloc web d’ON Semiconductor. Aquí teniu l’enllaç del full Excel.

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

Passos per calcular aquests valors de components

Pas 1: - Primer hem de seleccionar el díode. Triarem el díode 1N5819 àmpliament disponible. Segons el full de dades, a 1A corrent directe la tensió directa del díode serà de 0,60 V.

Pas 2: - El calcularem mitjançant la fórmula

Per a això, el nostre Vout és de 5,5 V, el voltatge directe del díode (Vf) és de 0,60 V. El nostre voltatge mínim Vin (mín.) És de 3,2 V, ja que és el voltatge acceptable més baix d’una bateria d’una sola cel·la. I per a la tensió de saturació del commutador de sortida (Vsat), és de 1 V (1 V al full de dades). En posar tot això en comú, aconseguim

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

Pas 3: - No, calcularem el temps Ton + Toff, segons la fórmula Ton + Toff = 1 / f

Seleccionarem una freqüència de commutació inferior, 50Khz.

Per tant, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Així que el nostre Ton + Toff és de 20uS

Pas 4: - Ara calcularem el temps de _desconnexió.

T _off = (T _activat + T _desactivat / (T _activat / T _desactivat) +1)

Com hem calculat anteriorment Ton + Toff i Ton / Toff, el càlcul serà més fàcil ara, Toff = 20us / 1,31 + 1 = 8,65us

Pas 5: - Ara el següent pas és calcular la tona, T _on = (T _on + T _off) - T _off = 20us - 8,65us = 11,35us

Pas 6: - Haurem de triar el temporitzador del condensador Ct, que serà necessari per produir la freqüència desitjada. Ct = 4,0 x 10 ^-5 x Ton = 4,0 x 10 ^-5 x 11,35uS = 454pF

Pas 7: - Ara hem de calcular el corrent mitjà de l’inductor o

IL (mitjana). IL (avg) = Iout (max) x ((T _on / T _off) +1)

El nostre corrent de sortida màxim serà de 500 mA. Per tant, el corrent mitjà de l’inductor serà de 0,5A x (1,31 + 1) = 1,15A.

Pas 8: - Ara és hora del corrent ondulat de l’inductor. Un inductor típic utilitza un 20-40% del corrent de sortida mitjà. Per tant, si escollim el corrent d’ondulació de l’inductor un 30%, serà d’un 1,15 * 30% = 0,34A

Pas 9: - El corrent de pic de commutació serà IL (avg) + Iripple / 2 = 1,15 +, 34/2 = 1,32A

Pas 10: - Depenent d’aquests valors calcularem el valor de l’inductor

Pas 11: - Per al corrent de 500 mA, el valor Rsc serà de 0,3 / Ipk. Per tant, per al nostre requisit serà Rsc =.3 / 1.32 =.22 Ohms

Pas 12: - Calculem els valors del condensador de sortida

Podem triar un valor de ondulació de 250 mV (pic a pic) de la sortida d’augment.

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

Triarem 220uF, 12V . Com més condensador s’utilitzarà, més ondulació reduirà.

Pas 13: - Per últim, hem de calcular el valor de les resistències de retroalimentació de voltatge. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Triarem el valor R1 2k, per tant, el valor R2 serà 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8k

Hem calculat tots els valors. A continuació, es mostra l’esquema final:

Diagrama del circuit del convertidor d’augment

Components necessaris

1. Connector relimate per a entrada i sortida - 2 núms
2. 2k resistència- 1 núms
3. Resistència de 6,8 k- 1 núms
4. 1N5819- 1nos
5. 100uF, 12V i 194,94uF, condensador de 12V (s’utilitza 220uF, 12V, valor proper seleccionat) 1 nus cadascun.
6. Inductor de 18,91 uH, 1,5 A - 1 núms. (S'utilitza 33uH 2,5A, estava disponible al nostre lloc)
7. Condensador de disc ceràmic 454pF (470pF usat) 1 núms
8. 1 Bateria de ions de liti o polímer de liti Cèl·lula única o cèl·lula paral·lela en funció de la capacitat de la bateria per a problemes relacionats amb la còpia de seguretat en els projectes necessaris.
9. IC regulador de commutació MC34063
10. Resistència.24ohms (.3R, 2W usats)
11. 1 número de Veroboard (es pot utilitzar el vero puntejat o connectat).
12. Soldador
13. Flux de soldadura i cables de soldadura.
14. Fils addicionals si cal.

Nota: Hem utilitzat un inductor de 33uh, ja que està disponible fàcilment amb proveïdors locals amb la qualificació actual de 2,5A. També hem utilitzat la resistència.3R.22R.

Després d’organitzar els components, soldeu-los a la placa Perf

La soldadura s'ha completat.

Prova del circuit del convertidor Boost

Abans de provar el circuit, necessitem càrregues de CC variables per extreure el corrent de la font d'alimentació de CC. Al petit laboratori d’electrònica on estem provant el circuit, les toleràncies de les proves són molt més altes i, per això, poques precisions de mesura no estan a l’alçada.

L'oscil·loscopi està calibrat correctament, però els sorolls artificials, EMI, RF també poden canviar la precisió del resultat de la prova. A més, el multímetre té toleràncies de +/- 1%.

Aquí mesurarem les següents coses

1. Ondulació i tensió de sortida a diverses càrregues de fins a 500 mA.
2. Eficiència del circuit.
3. Consum de corrent al ralentí del circuit.
4. Estat del curtcircuit del circuit.
5. A més, què passarà si sobrecarreguem la sortida?

La temperatura de la nostra habitació és de 25 graus centígrads, on hem provat el circuit.

A la imatge anterior podem veure la càrrega de CC. Es tracta d’una càrrega resistiva i, com podem veure, les resistències de 10 pcs 1 ohm en connexió paral·lela són la càrrega real connectada a través d’un MOSFET. Controlarem la porta MOSFET i permetrem que el corrent flueixi a través de les resistències. Aquests resistors converteixen les potències elèctriques en calor. El resultat consisteix en un 5% de tolerància. A més, aquests resultats de càrrega inclouen el consum de potència de la pròpia càrrega, de manera que quan no estigui dibuixant cap càrrega, mostrarà 70 mA per defecte de corrent de càrrega. Alimentarem la càrrega d’una altra font d’alimentació i provarem el circuit. La sortida final serà (Resultat - 70mA ). Utilitzarem multímetres amb el mode de detecció de corrent i mesurarem el corrent. Com que el mesurador està en sèrie amb la càrrega de corrent continu, la pantalla de càrrega no proporcionarà el resultat exacte a causa de la caiguda de tensió de les resistències de derivació a l'interior dels multímetres. Registrarem el resultat del mesurador.

A continuació es mostra la configuració de la nostra prova; hem connectat la càrrega a través del circuit, mesurem el corrent de sortida a través del regulador d’augment, així com la tensió de sortida del mateix. També es connecta un oscil·loscopi a través del convertidor d’augment, de manera que també podem comprovar la tensió de sortida. Una bateria de liti 18650 (1S2P - 3.7V 4400mAH) proporciona la tensió d’entrada.

Estem traient.48A o 480-70 = 410mA de corrent de la sortida. La tensió de sortida és de 5,06 V.

En aquest punt, si comprovem la ondulació de pic a pic en oscil·loscopi. Podem veure l’ona de sortida, l’ondulació és de 260mV (pk-pk).

Aquí teniu l’informe detallat de la prova

Temps (segons)	Càrrega (mA)	Voltatge (V)	Ripple (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

Vam canviar la càrrega i vam esperar uns 3 minuts aproximadament a cada pas per comprovar si els resultats són estables o no. Després de la càrrega de 530 mA (.53A), la tensió va caure significativament. En altres casos, des de 0 càrregues fins a 500 mA, el voltatge de sortida va caure.46V.

Prova del circuit amb font d'alimentació de banc

Com que no podem controlar la tensió de la bateria, també hem utilitzat una font d'alimentació de banc variable per comprovar la tensió de sortida a la tensió d'entrada mínima i màxima (3,3-4,7 V) per comprovar si funciona o no,

A la imatge anterior, la font d'alimentació de banc proporciona una tensió d'entrada de 3,3V. La pantalla de càrrega mostra una sortida de 5,35 V a 350 mA de corrent de la font d'alimentació de commutació. Com que la càrrega s'alimenta mitjançant la font d'alimentació del banc, la visualització de la càrrega no és precisa. El resultat d’extracció actual (347mA) també consisteix en l’extracció actual de la font d’alimentació del banc per la pròpia càrrega. La càrrega s’alimenta mitjançant l’alimentació de banc (12V / 60mA). Així doncs, el corrent real que s’extreu de la sortida MC34063 és de 347-60 = 287mA.

Hem calculat l’eficiència a 3,3 V canviant la càrrega, aquí teniu el resultat

Voltatge d'entrada (V)	Corrent d'entrada (A)	Potència d' entrada (W)	Voltatge de sortida (V)	Corrent de sortida (A)	Potència de sortida (W)	Eficiència (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

Ara hem canviat el voltatge a l'entrada de 4,2V. Obtenim 5,41 V com a sortida quan dibuixem 357 - 60 = 297 mA de càrrega.

També vam provar l’eficiència. És una mica millor que el resultat anterior.

Voltatge d'entrada (V)	Corrent d'entrada (A)	Potència d' entrada (W)	Voltatge de sortida (V)	Corrent de sortida (A)	Potència de sortida (W)	Eficiència
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

El consum de corrent de ralentí del circuit es registra a 3,47 mA en qualsevol condició quan la càrrega és 0 .

També hem comprovat si hi ha un curtcircuit, funcionament normal observat. Després del llindar màxim de corrent de sortida, la tensió de sortida es redueix significativament i al cap d’un cert temps s’acosta a zero.

Es poden fer millores en aquest circuit; es pot utilitzar un condensador de valor ESR més baix per reduir l'ondulació de la sortida. També és necessari un disseny adequat de PCB.