Схема повышающего преобразователя с 3,7 в до 5 в с использованием mc34063

В наши дни литиевые батареи обогащают мир электроники. Их можно заряжать очень быстро и обеспечивать хорошее резервное копирование, что наряду с их низкой производственной стоимостью делает литиевые батареи наиболее предпочтительным выбором для портативных устройств. Поскольку напряжение одноэлементной литиевой батареи находится в диапазоне от минимум 3,2 до 4,2 В, трудно запитать те цепи, для которых требуется 5 В или более. В таком случае нам понадобится повышающий преобразователь, который будет повышать напряжение в соответствии с требованиями нагрузки больше, чем его входное напряжение.

В этом сегменте доступно множество вариантов; MC34063 - самый популярный импульсный стабилизатор в данном сегменте. MCP34063 может быть сконфигурирован в трех операции, Buck, Boost, и Инвертировании. Мы используем MC34063 в качестве импульсного регулятора Boost и повышаем напряжение литиевой батареи 3,7 В до 5,5 В с возможностью выходного тока 500 мА. Ранее мы создали схему понижающего преобразователя для понижения напряжения; Вы также можете увидеть здесь много интересных проектов силовой электроники.

IC MC34063

Распиновка MC34063 показана на изображении ниже. С левой стороны показана внутренняя схема MC34063, а с другой стороны показана распиновка.

MC34063 - это 1. 5A Шаг вверх или шаг вниз или инвертирования регулятора, благодаря свойству преобразования напряжения постоянного тока, MC34063 является преобразователь постоянного тока IC.

Эта ИС имеет следующие функции в своем 8-выводном корпусе:

Ссылка с температурной компенсацией
Схема ограничения тока
Генератор с регулируемым коэффициентом заполнения с активным сильноточным выходным переключателем драйвера.
Принимайте от 3,0 В до 40 В постоянного тока.
Может работать при частоте переключения 100 кГц с допуском 2%.
Очень низкий ток в режиме ожидания
Регулируемое выходное напряжение

Кроме того, несмотря на эти функции, они широко доступны и намного экономичнее, чем другие ИС, доступные в таком сегменте.

Давайте спроектируем нашу повышающую схему с использованием MC34063 для повышения напряжения литиевой батареи с 3,7 В до 5,5 В.

Расчет значений компонентов для повышающего преобразователя

Если мы проверим таблицу, мы увидим полную таблицу формул для расчета желаемых значений, необходимых в соответствии с нашими требованиями. Вот таблица формул, доступная внутри таблицы, и также показана схема повышения.

Вот схема без значений этих компонентов, которая будет использоваться дополнительно с MC34063.

Теперь мы рассчитаем значения, необходимые для нашего дизайна. Мы можем произвести расчеты по формулам, представленным в таблице данных, или мы можем использовать таблицу Excel, предоставленную веб-сайтом ON Semiconductor. Вот ссылка на лист Excel.

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

Шаги по вычислению значений этих компонентов

Шаг 1: - Сначала нам нужно выбрать диод. Выберем широко доступный диод 1N5819. Согласно паспорту, при прямом токе 1 А прямое напряжение диода будет 0,60 В.

Шаг 2: - Рассчитаем по формуле

Для этого наш Vout равен 5.5V, прямое напряжение диода (Vf) равно 0.60V. Наше минимальное напряжение Vin (мин) составляет 3,2 В, поскольку это самое низкое допустимое напряжение для одноэлементной батареи. А для напряжения насыщения выходного переключателя (Vsat) оно составляет 1В (1В в даташите). Собирая все вместе, мы получаем

(5,5 + 0,60-3,2 / 3,2-1) = 0,9 Итак, t _ВКЛ / t _ВЫКЛ = 1,31

Шаг 3: - Нет, мы рассчитаем время Ton + Toff по формуле Ton + Toff = 1 / f

Выберем более низкую частоту переключения, 50 кГц.

Итак, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Таким образом, наша Ton + Toff составляет 20uS.

Шаг 4: - Теперь мы рассчитаем время _{выключения}.

T _выкл = (T _вкл + T _выкл / (T _вкл / T _выкл) +1)

Поскольку мы ранее рассчитывали Ton + Toff и Ton / Toff, теперь расчет будет проще, Toff = 20 мкс / 1,31 + 1 = 8,65 мкс

Шаг 5: - Теперь следующий шаг - вычислить Ton, T _on = (T _on + T _off) - T _off = 20us - 8,65us = 11,35us

Шаг 6: - Нам нужно будет выбрать синхронизирующий конденсатор Ct, который потребуется для получения желаемой частоты. Ct = 4.0 x ^10-5 x Ton = 4.0 x ^10-5 x 11.35uS = 454pF

Шаг 7: - Теперь нам нужно рассчитать средний ток индуктора или

IL (средн.). IL (avg) = Iout (max) x ((T _вкл / T _выкл) +1)

Наш максимальный выходной ток будет 500 мА. Таким образом, средний ток индуктора будет 0,5 А x (1,31 + 1) = 1,15 А.

Шаг 8: - Теперь пришло время для пульсации тока индуктора. Типичный дроссель использует 20-40% среднего выходного тока. Итак, если мы выберем ток пульсации индуктора 30%, он будет 1,15 * 30% = 0,34А.

Шаг 9: - Пиковый ток переключения будет IL (avg) + Iripple / 2 = 1,15 + 0,34 / 2 = 1,32A.

Шаг 10: - В зависимости от этих значений мы рассчитаем значение индуктора.

Шаг 11: - Для тока 500 мА значение Rsc будет 0,3 / Ipk. Итак, для нашего требования это будет Rsc = 0,3 / 1,32 = 0,22 Ом.

Шаг 12: - Рассчитаем номиналы выходных конденсаторов.

Мы можем выбрать значение пульсации 250 мВ (от пика к пику) для выходного сигнала повышения.

Итак, Cout = 9 * (0,5 * 11,35 мкс / 0,25) = 204,3 мкФ

Мы будем выбирать 220uF, 12V . Чем больше будет использовано конденсатора, тем больше будет пульсаций, которые он уменьшит.

Шаг 13: - Наконец, нам нужно рассчитать номинал резисторов обратной связи по напряжению. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Мы выберем значение R1 2k, поэтому значение R2 будет 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8k.

Мы рассчитали все значения. Итак, ниже представлена окончательная схема:

Принципиальная схема повышающего преобразователя

Необходимые компоненты

Разъем Relimate для входа и выхода - 2 шт.
Резистор 2 кОм - 1 шт.
Резистор 6,8 кОм - 1 шт.
1Н5819- 1нос
Конденсатор на 100 мкФ, 12 В и 194,94 мкФ, 12 В (используется 220 мкФ, 12 В, выбрано близкое значение) по 1 шт.
Катушка индуктивности 18.91uH, 1.5A - 1 шт. (Используется 33uH 2.5A, у нас в наличии был)
Керамический дисковый конденсатор 454 пФ (использованный 470 пФ) 1 шт.
1 Литий-ионный или литий-полимерный аккумулятор Одноэлементный или параллельный элемент в зависимости от емкости аккумулятора для решения проблемы резервного копирования в требуемых проектах.
Микросхема импульсного регулятора MC34063
Резистор 0,24 Ом (используется 0,3R, 2 Вт)
1 шт. Veroboard (можно использовать пунктирные или соединенные веро).
Паяльник
Паяльный флюс и паяльные провода.
Дополнительные провода при необходимости.

Примечание: мы использовали индуктивность 33 мк, поскольку она легко доступна у местных поставщиков с номинальным током 2,5 А. Также мы использовали резистор.3R вместо.22R.

После расстановки компонентов припаяйте компоненты на плате Perf.

Пайка завершена.

Тестирование цепи повышающего преобразователя

Перед тестированием схемы нам нужны переменные нагрузки постоянного тока, чтобы потреблять ток от источника постоянного тока. В небольшой лаборатории электроники, где мы тестируем схему, допуски испытаний намного выше, и из-за этого небольшая точность измерений не на должном уровне.

Осциллограф правильно откалиброван, но искусственные шумы, электромагнитные помехи и радиочастоты также могут изменить точность результатов теста. Кроме того, мультиметр имеет допуски +/- 1%.

Здесь мы будем измерять следующие вещи

Пульсации на выходе и напряжение при различных нагрузках до 500 мА.
КПД схемы.
Потребляемый ток холостого хода цепи.
Состояние короткого замыкания в цепи.
Кроме того, что произойдет, если мы перегрузим вывод?

Температура в нашей комнате 25 градусов Цельсия, где мы тестировали схему.

На изображении выше мы видим нагрузку постоянного тока. Это резистивная нагрузка, и, как мы видим, 10 резисторов по 1 Ом при параллельном подключении - это фактическая нагрузка, подключенная к полевому МОП-транзистору. Мы будем управлять затвором полевого МОП-транзистора и позволять току течь через резисторы. Эти резисторы преобразуют электрическую мощность в тепло. Результат составляет 5% допуск. Также эти результаты нагрузки включают потребляемую мощность самой нагрузки, поэтому, когда она не потребляет нагрузку, он будет показывать по умолчанию 70 мА тока нагрузки. Запитаем нагрузку от другого блока питания и тестируем схему. Конечный выход будет (Результат - 70 мА ). Мы будем использовать мультиметры с режимом измерения тока и измерять ток. Поскольку измеритель включен последовательно с нагрузкой постоянного тока, дисплей нагрузки не будет обеспечивать точный результат из-за падения напряжения на шунтирующих резисторах внутри мультиметра. Запишем результат счетчика.

Ниже представлена наша тестовая установка; мы подключили нагрузку к цепи, мы измеряем выходной ток на повышающем регуляторе, а также его выходное напряжение. Осциллограф также подключен к повышающему преобразователю, поэтому мы также можем проверить выходное напряжение. 18650 литиевая батарея (1S2P - 3,7 4400mAh) обеспечивает входное напряжение.

Мы берем на выходе ток 0,48 А или 480-70 = 410 мА. Выходное напряжение 5,06 В.

На этом этапе, если мы проверим пульсацию от пика к пику на осциллографе. Мы видим выходную волну, пульсация 260 мВ (пик-пик).

Вот подробный отчет об испытаниях

Время (секунды)	Нагрузка (мА)	Напряжение (В)	Пульсация (pp) (мВ)
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

Мы изменили нагрузку и ждали примерно 3 минуты на каждом этапе, чтобы проверить, стабильны ли результаты. После нагрузки 530 мА (0,53 А) напряжение значительно упало. В других случаях от 0 нагрузок до 500 мА выходное напряжение упало на 0,46 В.

Тестирование схемы с помощью стендового источника питания

Поскольку мы не можем контролировать напряжение батареи, мы также использовали настольный блок питания с регулируемой мощностью, чтобы проверить выходное напряжение при минимальном и максимальном входном напряжении (3,3-4,7 В), чтобы проверить, работает он или нет,

На приведенном выше изображении источник питания стенда обеспечивает входное напряжение 3,3 В. Дисплей нагрузки показывает выходное напряжение 5,35 В при потребляемом токе 350 мА от импульсного источника питания. Поскольку нагрузка питается от настольного источника питания, отображение нагрузки не является точным. Результат потребления тока (347 мА) также состоит из тока, потребляемого самой нагрузкой от настольного источника питания. Питание нагрузки осуществляется от стендового блока питания (12В / 60мА). Таким образом, фактический ток, потребляемый с выхода MC34063, составляет 347-60 = 287 мА.

Мы рассчитали КПД при 3,3 В при изменении нагрузки, вот результат

Входное напряжение (В)	Входной ток (А)	Входная мощность (Вт)	Выходное напряжение (В)	Выходной ток (А)	Выходная мощность (Вт)	Эффективность (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

Теперь мы изменили напряжение на вход 4,2 В. Мы получаем 5,41 В на выходе при нагрузке 357-60 = 297 мА.

Мы также проверили эффективность. Это немного лучше, чем предыдущий результат.

Входное напряжение (В)	Входной ток (А)	Входная мощность (Вт)	Выходное напряжение (В)	Выходной ток (А)	Выходная мощность (Вт)	Эффективность
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

Ток холостого хода, потребляемый схемой, регистрируется как 3,47 мА во всех условиях, когда нагрузка равна 0 .

Также проверили на короткое замыкание, нормальная работа не наблюдается. После порога максимального выходного тока выходное напряжение значительно снижается и через определенное время приближается к нулю.

В эту схему можно внести улучшения; конденсатор с низким ESR и более высоким значением может использоваться для уменьшения пульсаций на выходе. Также необходимо правильное проектирование печатной платы.