12V naar 5V buck convertercircuit met MC34063

In de vorige tutorial hebben we een gedetailleerd ontwerp van Boost Converter gedemonstreerd met MC34063, waarbij een 3.7V naar 5V boost-omzetter is ontworpen. Hier zien we hoe we 12V naar 5V kunnen converteren. Omdat we weten dat exacte 5V-batterijen niet altijd beschikbaar zijn, en soms hebben we tegelijkertijd een hogere spanning en een lagere spanning nodig om verschillende delen van het circuit aan te drijven, dus gebruiken we een bron met een hogere spanning (12v) als de belangrijkste stroombron en stappen we deze stap terug spanning naar lagere spanning (5v) waar nodig. Voor dit doel wordt in veel elektronicatoepassingen een Buck-convertercircuit gebruikt dat de ingangsspanning verlaagt volgens de belastingvereiste.

Er zijn veel keuzes beschikbaar in dit segment; Zoals te zien is in de vorige tutorial, is MC34063 een van de meest populaire schakelregelaars die beschikbaar zijn in een dergelijk segment. MC34063 kan worden geconfigureerd in drie modi: Buck, Boost en Inverting. We zullen de Buck-configuratie gebruiken om de 12V DC-bron om te zetten naar 5V DC met 1A uitgangsstroom. We hebben eerder een eenvoudig Buck Converter-circuit gebouwd met MOSFET; Je kunt hier ook veel meer nuttige vermogenselektronica-circuits bekijken.

IC MC34063

MC34063 pinout-diagram is weergegeven in de onderstaande afbeelding. Aan de linkerkant wordt het interne circuit van MC34063 getoond en aan de andere kant wordt het pinout-diagram getoond.

MC34063 is een 1. 5A Step- up of step- down of inverterende regelaar, vanwege de DC-spanningsconversie-eigenschap, is MC34063 een DC-DC-converter-IC.

Dit IC biedt de volgende functies in het 8-pins pakket:

Temperatuurgecompenseerde referentie
Stroombegrenzing circuit
Gecontroleerde duty-cycle-oscillator met een actieve uitgangsschakelaar voor hoge stroomsterkte.
Accepteer 3.0V tot 40V DC.
Kan worden gebruikt op 100 KHz schakelfrequentie met een tolerantie van 2%.
Zeer lage stand-bystroom
Instelbare uitgangsspanning

Ondanks deze functies is het ook algemeen verkrijgbaar en is het veel kostenefficiënter dan andere IC's die in een dergelijk segment beschikbaar zijn.

In de vorige tutorial hebben we een spanningsverhogingscircuit ontworpen met MC34063 om de 3,7 V lithiumbatterijspanning te verhogen tot 5,5 V, in deze tutorial zullen we een 12 V naar 5 V Buck-omzetter ontwerpen.

Berekening van de waarden van de componenten voor Boost Converter

Als we het gegevensblad controleren, kunnen we zien dat het volledige formuleschema aanwezig is om de gewenste waarden te berekenen die vereist zijn volgens onze vereisten. Hier is het formuleblad beschikbaar in het gegevensblad en het step-up-circuit wordt ook weergegeven.

Hier is het schema zonder die componentenwaarde, die aanvullend zal worden gebruikt met de MC34063.

We berekenen de waarden die nodig zijn voor ons ontwerp. We kunnen de berekeningen maken op basis van de formules in de datasheet of we kunnen de Excel-sheet gebruiken die wordt geleverd door de website van ON Semiconductor.

Hier is de link van het Excel-blad.

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

Stappen om die componentenwaarden te berekenen

Stap 1: - Eerst moeten we de diode selecteren. We zullen de algemeen verkrijgbare diode 1N5819 kiezen. Volgens het gegevensblad zal bij 1A voorwaartse stroom de voorwaartse spanning van de diode 0,60 V zijn.

Stap 2: - We berekenen eerst de inductor en de schakelstroom zoals deze nodig is voor de verdere berekening. Onze gemiddelde inductorstroom is de piekstroom van de inductor. Dus in ons geval is de inductorstroom:

IL (gemiddeld) = 1A

Stap 3: - Nu is het tijd voor de rimpelstroom van de inductor. Een typische inductor gebruikt 20-40% van de gemiddelde uitgangsstroom. Dus als we de spoelstroom van de inductor 30% kiezen, is deze 1A * 30% = 0,30A

Stap 4: - De schakelpiekstroom is IL (avg) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1.15A

Stap 5: - We berekenen de t _AAN / t _UIT met behulp van de onderstaande formule

Hiervoor is onze Vout 5V en de voorwaartse spanning van de diode (Vf) is 0,60V. Onze minimale ingangsspanning Vin (min) is 12V en de verzadigingsspanning is 1V (1V in de datasheet). Door dit allemaal samen te voegen, krijgen we

(5 + 0,60) / (12-1-5) = 0,93 Dus t _AAN / t _UIT = .93uS

Stap 6: - Nu gaan we de Ton + Toff-tijd berekenen, volgens de formule Ton + Toff = 1 / f

We zullen een lagere schakelfrequentie selecteren, 40 Khz.

Dus Ton + Toff = 1 / 40Khz = 25us

Stap 7: - Nu gaan we de Toff- tijd berekenen. Omdat we eerder de Ton + Toff en Ton / Toff hebben berekend, wordt de berekening nu eenvoudiger,

Stap 8: - Nu is de volgende stap om Ton te berekenen, Ton = (Ton + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05 us

Stap 9: - We moeten de timingcondensator Ct kiezen, die nodig is om de gewenste frequentie te produceren.

Ct = 4,0 x 10 ^-5 x Ton = 4,0 x 10 ^-5 x 12.05uS = 482pF

Stap 10: - Afhankelijk van die waarden berekenen we de inductorwaarde

Stap 11: - Voor de 1A-stroom is de Rsc-waarde 0,3 / Ipk. Dus voor onze vereiste is het Rsc =.3 / 1.15 =.260 Ohm

Stap 12: - Laten we de uitgangscondensatorwaarden berekenen, we kunnen een rimpelwaarde van 100mV (piek naar piek) kiezen uit de boost-uitgang.

We zullen 470uF, 25V kiezen. Hoe meer condensator wordt gebruikt, hoe meer rimpel het zal verminderen.

Stap 13: - Als laatste moeten we de waarde van de spanningsterugkoppelingsweerstanden berekenen. We zullen R1- waarde 2k kiezen, dus de R2-waarde wordt berekend als

Vout = 1,25 (1 + R2 / R1) 5 = 1,25 (1 + R2 / 2K) R2 = 6,2k

Buck Converter schakelschema

Dus na het berekenen van alle waarden. Hier is het bijgewerkte schema

Vereiste componenten

2 nos relimate connector voor input en output
2k weerstand - 1 nrs
6.2k weerstand - 1 nrs
1N5819-1 nrs
100uF, 25V en 359.37uF, 25V condensator (470uF, 25V gebruikt, sluitwaarde geselecteerd) - 1 nrs elk.
62.87uH spoel, 1.5A 1 nrs. (100uH 2.5A wordt gebruikt, het was direct op de markt verkrijgbaar)
482pF (470pF gebruikt) keramische schijfcondensator - 1 nrs
12V-voedingseenheid met 1,5A-classificatie.
MC34063 schakelregelaar ic
.26ohms weerstand (.3R, 2W gebruikt)
1 nos verobord (gestippelde of verbonden vero kan worden gebruikt).
Soldeerbout
Soldeervloeimiddel en soldeerdraden.
Extra draden indien nodig.

Na het rangschikken van de componenten, soldeer je de componenten op de Perf-plaat

Het Buck Converter-circuit testen

Voordat we het circuit testen, hebben we variabele DC-belastingen nodig om de stroom uit de DC-voeding te halen. In het kleine elektronicalab waar we de schakeling testen, zijn de testtoleranties veel hoger en daardoor zijn weinig meetnauwkeurigheden niet toereikend.

De oscilloscoop is correct gekalibreerd, maar kunstmatige geluiden, EMI, RF kunnen ook de nauwkeurigheid van het testresultaat veranderen. De multimeter heeft ook toleranties van +/- 1%.

Hier zullen we de volgende dingen meten

Output rimpel en spanning bij verschillende belastingen tot 1000mA. Test ook de uitgangsspanning bij deze volledige belasting.
De efficiëntie van het circuit.
Inactief stroomverbruik van het circuit.
Kortsluiting in het circuit.
En wat gebeurt er als we de output overbelasten?

Onze kamertemperatuur was 26 graden Celsius toen we het circuit testten.

In de bovenstaande afbeelding kunnen we de DC-belasting zien. Dit is een resistieve belasting en zoals we kunnen zien, tien nee. van 1 ohm weerstanden in parallelschakeling zijn de werkelijke belasting, die is aangesloten via een MOS-FET. We zullen de MOSFET-poort besturen en de stroom door de weerstanden laten stromen. Die weerstanden zetten elektrische krachten om in warmte. Het resultaat bestaat uit 5% tolerantie. Deze belastingsresultaten omvatten ook het stroomverbruik van de belasting zelf, dus wanneer er geen belasting op wordt aangesloten en wordt gevoed met een externe voeding, wordt standaard 70 mA aan belastingsstroom weergegeven. In ons geval zullen we de belasting voeden via een externe bankvoeding en het circuit testen. De uiteindelijke output is (Resultaat - 70mA).

Hieronder ziet u onze testopstelling; we hebben de belasting over het circuit aangesloten, we meten de uitgangsstroom over de buck-regelaar en de uitgangsspanning ervan. Over de buck-converter is ook een oscilloscoop aangesloten, dus we kunnen ook de uitgangsspanning controleren. We leveren een 12V- ingang van onze tafelvoeding.

We zijn aan het tekenen. 88A of 952mA-70mA = 882mA stroom van de uitgang. De uitgangsspanning 5.15V.

Op dit punt, als we de piek-tot-piek rimpel in de oscilloscoop controleren. We kunnen de outputgolf zien, de rimpel is 60mV (pk-pk). Dat is goed voor een 12V naar 5V Switching buck-converter.

De outputgolfvorm ziet er als volgt uit:

Hier is het tijdsbestek van de uitvoergolfvorm. Het is 500mV per divisie en 500uS tijdsbestek.

Hier is het gedetailleerde testrapport

Tijd (seconden)	Belasting (mA)	Spanning (V)	Rimpel (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

We hebben de belasting gewijzigd en bij elke stap ongeveer 3 minuten gewacht om te controleren of de resultaten stabiel zijn of niet. Na een belasting van 982mA daalde de spanning aanzienlijk. In andere gevallen van 0 belastingen tot de 940 mA, daalde de uitgangsspanning met ongeveer 0,02 V, wat een vrij goede stabiliteit is bij volledige belasting. Ook na die belasting van 982mA daalt de uitgangsspanning aanzienlijk. We gebruikten een.3R-weerstand waar.26R nodig was, daarom kunnen we 982mA aan laadstroom trekken. De MC34063 -voeding is niet in staat om de juiste stabiliteit te bieden bij volledige 1A-belasting, omdat we.3R in plaats van.26R gebruikten. Maar 982mA komt heel dicht bij de 1A-uitvoer. We hebben ook weerstanden gebruikt met 5% toleranties die het meest algemeen verkrijgbaar zijn op de lokale markt.

We hebben het rendement berekend bij een vaste 12V-ingang en door de belasting te wijzigen. Hier is het resultaat

Ingangsspanning (V)	Invoerstroom (A)	Ingangsvermogen (W)	Uitgangsspanning (V)	Uitgangsstroom (A)	Uitgangsvermogen (W)	Efficiëntie (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

Zoals we kunnen zien, is de gemiddelde efficiëntie ongeveer 75%, wat in dit stadium een goede output is.

Het inactieve stroomverbruik van het circuit wordt 3,52mA geregistreerd wanneer de belasting 0 is.

We hebben ook de kortsluiting gecontroleerd en we observeren Normaal bij kortsluiting.

Na de maximale uitgangsstroomdrempel worden de uitgangsspanningen aanzienlijk lager en na een bepaalde tijd nadert deze bijna nul.

In dit circuit zijn verbeteringen mogelijk; we kunnen een condensator met een lage ESR en een hogere waarde gebruiken om de outputrimpel te verminderen. Ook is het juiste PCB-ontwerp noodzakelijk.