3.7V naar 5V boost convertercircuit met MC34063

Tegenwoordig verrijken lithiumbatterijen de elektronicawereld. Ze kunnen zeer snel worden opgeladen en bieden een goede back-up, wat, samen met hun lage productiekosten, lithiumbatterijen de beste keuze maakt voor draagbare apparaten. Aangezien het voltage van een eencellige lithiumbatterij varieert van minimaal 3,2 volt tot 4,2 V, is het moeilijk om die circuits van stroom te voorzien die 5 V of meer nodig hebben. In dat geval hebben we een Boost Converter nodig die de spanning verhoogt volgens de belastingvereiste, meer dan de ingangsspanning.

Veel keuzes beschikbaar in dit segment; MC34063 is de meest populaire schakelregelaar in een dergelijk segment. MCP34063 kan worden geconfigureerd in drie bewerkingen: Buck, Boost en Inverting. We gebruiken MC34063 als schakelende boostregelaar en verhogen de 3,7 V lithiumbatterijspanning tot 5,5 V met 500 mA uitgangsstroom. We hebben eerder een Buck Converter-circuit gebouwd om de spanning te verlagen; je kunt hier ook veel interessante vermogenselektronicaprojecten 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:

1. Temperatuurgecompenseerde referentie
2. Stroombegrenzing circuit
3. Gecontroleerde duty-cycle-oscillator met een actieve uitgangsschakelaar voor hoge stroomsterkte.
4. Accepteer 3.0V tot 40V DC.
5. Kan worden gebruikt op 100 KHz schakelfrequentie met een tolerantie van 2%.
6. Zeer lage stand-bystroom
7. 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.

Laten we ons step-up-circuit ontwerpen met MC34063 om de 3,7 V lithiumbatterijspanning te verhogen tot 5,5 V.

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.

Nu gaan we de waarden berekenen 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 het met behulp van de formule

Hiervoor is onze Vout 5,5V, de voorwaartse spanning van de diode (Vf) is 0,60V. Onze minimale spanning Vin (min) is 3,2 V, aangezien dit de laagst aanvaardbare spanning is van een eencellige batterij. En voor de verzadigingsspanning van de uitgangsschakelaar (Vsat) is dit 1V (1V in het gegevensblad). Door dit allemaal samen te voegen, krijgen we

(5,5 + 0,60-3,2 / 3,2-1) = 0,9 Dus t _AAN / t _UIT = 1,31

Stap 3: - Nee, we berekenen de Ton + Toff-tijd volgens de formule Ton + Toff = 1 / f

We zullen een lagere schakelfrequentie selecteren, 50 Khz.

Dus, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Dus onze Ton + Toff is 20uS

Stap 4: - Nu gaan we de T _off- tijd berekenen.

T _uit = (T _aan + T _uit / (T _aan / T _uit) +1)

Omdat we eerder de Ton + Toff en Ton / Toff hebben berekend, wordt de berekening nu eenvoudiger, Toff = 20 us / 1,31 + 1 = 8,65 us

Stap 5: - Nu is de volgende stap om Ton te berekenen, T _on = (T _on + T _off) - T _off = 20us - 8,65us = 11,35us

Stap 6: - We zullen de timingcondensator Ct moeten kiezen, die nodig is om de gewenste frequentie te produceren. Ct = 4,0 x ^10-5 x Ton = 4,0 x ^10-5 x 11,35uS = 454 pF

Stap 7: - Nu moeten we de gemiddelde inductorstroom berekenen of

IL (gem.). IL (gem.) = Iout (max) x ((T _aan / T _uit) +1)

Onze maximale uitgangsstroom is 500mA. De gemiddelde inductorstroom is dus 0,5 A x (1,31 + 1) = 1,15 A.

Stap 8: - 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 1,15 * 30% = 0,34A

Stap 9: - De schakelpiekstroom is IL (avg) + Iripple / 2 = 1,15 + 0,34 / 2 = 1,32A

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

Stap 11: - Voor de 500mA-stroom is de Rsc-waarde 0,3 / Ipk. Dus voor onze vereiste is het Rsc =.3 / 1.32 =.22 Ohm

Stap 12: - Laten we de uitgangscondensatorwaarden berekenen

We kunnen een rimpelwaarde van 250mV (piek tot piek) kiezen uit de boost-output.

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

We zullen kiezen voor 220uF, 12V . Hoe meer condensator wordt gebruikt, hoe meer rimpel het zal verminderen.

Stap 13: - Als laatste moeten we de waarde van de spanningsterugkoppelingsweerstanden berekenen. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

We zullen R1-waarde 2k kiezen, dus de R2-waarde is 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8 k

We hebben alle waarden berekend. Dus hieronder is het laatste schema:

Boost Converter schakelschema

Vereiste componenten

1. Relimate connector voor input en output- 2 nrs
2. 2k weerstand - 1 nrs
3. 6.8k weerstand - 1 nrs
4. 1N5819- 1nos
5. 100uF, 12V en 194.94uF, 12V condensator (220uF, 12V wordt gebruikt, sluitwaarde geselecteerd) 1 nrs elk.
6. 18.91uH inductor, 1.5A - 1 nrs. (33uH 2.5A wordt gebruikt, deze was direct bij ons verkrijgbaar)
7. 454pF (470pF gebruikt) keramische schijfcondensator 1 nrs
8. 1 Lithium-ion- of lithium-polymeerbatterij Enkele cel of parallelle cel, afhankelijk van de batterijcapaciteit voor back-upgerelateerd probleem in vereiste projecten.
9. MC34063 schakelregelaar IC
10. .24ohms weerstand (.3R, 2W gebruikt)
11. 1 nrs Veroboard (gestippelde of verbonden vero kan worden gebruikt).
12. Soldeerbout
13. Soldeervloeimiddel en soldeerdraden.
14. Extra draden indien nodig.

Opmerking: we hebben een 33uh-inductor gebruikt, omdat deze gemakkelijk verkrijgbaar is bij lokale leveranciers met een stroomsterkte van 2,5 A. Ook hebben we gebruik gemaakt.3R weerstand in plaats.22R.

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

Het solderen is voltooid.

Het boost-convertercircuit 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

1. Output rimpel en spanning bij verschillende belastingen tot 500mA.
2. Efficiëntie van het circuit.
3. Inactief stroomverbruik van het circuit.
4. Kortsluiting in het circuit.
5. En wat gebeurt er als we de output overbelasten?

Onze kamertemperatuur is 25 graden Celsius waar we het circuit hebben getest.

In de bovenstaande afbeelding kunnen we de DC-belasting zien. Dit is een resistieve belasting en zoals we kunnen zien, zijn 10 stuks 1 ohm-weerstanden in parallelle verbinding de werkelijke belasting die is aangesloten over een MOSFET. 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 door wordt getrokken, wordt standaard 70 mA aan belastingsstroom weergegeven. We zullen de belasting van een andere stroomvoorziening voorzien en het circuit testen. De uiteindelijke output is (Resultaat - 70mA ). We gebruiken multimeters met de huidige detectiemodus en meten de stroom. Omdat de meter in serie staat met de DC-belasting, zal het belastingsdisplay niet het exacte resultaat geven vanwege de spanningsval van de shuntweerstanden in de multimeters. We zullen het resultaat van de meter opnemen.

Hieronder ziet u onze testopstelling; we hebben de belasting over het circuit aangesloten, we meten de uitgangsstroom over de boostregelaar en de uitgangsspanning ervan. Over de boost-converter is ook een oscilloscoop aangesloten, zodat we ook de uitgangsspanning kunnen controleren. Een 18650 lithiumbatterij (1S2P - 3,7V 4400mAH) levert de ingangsspanning.

We trekken.48A of 480-70 = 410mA stroom van de uitgang. De uitgangsspanning is 5.06V.

Op dit punt, als we de piek-tot-piek rimpel in de oscilloscoop controleren. We kunnen de outputgolf zien, de rimpel is 260mV (pk-pk).

Hier is het gedetailleerde testrapport

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

We hebben de belasting gewijzigd en bij elke stap ongeveer 3 minuten gewacht om te controleren of de resultaten stabiel zijn of niet. Na 530mA (.53A) belasting, daalde de spanning aanzienlijk. In andere gevallen van 0 belastingen naar de 500mA daalde de uitgangsspanning.46V.

Het circuit testen met werkbankvoeding

Omdat we de accuspanning niet kunnen regelen, hebben we ook een variabele tafelvoeding gebruikt om de uitgangsspanning op minimale en maximale ingangsspanning (3,3-4,7 V) te controleren om te controleren of deze werkt of niet,

In de bovenstaande afbeelding levert de bankvoeding een ingangsspanning van 3,3 V. Het belastingsdisplay toont een output van 5,35 V bij een stroomafname van 350 mA van de schakelende voeding. Omdat de belasting wordt gevoed door de tafelvoeding, is de weergave van de belasting niet nauwkeurig. Het resultaat van de stroomopname (347mA) bestaat ook uit de stroomopname van de bankvoeding door de belasting zelf. De belasting wordt gevoed met behulp van de tafelvoeding (12V / 60mA). Dus de werkelijke stroom die wordt getrokken uit de MC34063-uitgang is 347-60 = 287mA.

We hebben de efficiëntie berekend op 3.3V door de belasting te veranderen, hier is het resultaat

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

Nu hebben we de spanning gewijzigd in 4.2V ingang. We krijgen 5,41V als uitvoer wanneer we 357 - 60 = 297mA belasting trekken.

We hebben ook de efficiëntie getest. Het is iets beter dan het vorige resultaat.

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

Het inactieve stroomverbruik van het circuit wordt onder alle omstandigheden 3,47mA geregistreerd wanneer de belasting 0 is .

Ook hebben we de kortsluiting gecontroleerd, Normale werking waargenomen. Na de maximale uitgangsstroomdrempel wordt de uitgangsspanning aanzienlijk lager en na een bepaalde tijd nadert deze bijna nul.

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