Circuito convertitore buck da 12V a 5v utilizzando mc34063

Nel tutorial precedente, abbiamo dimostrato la progettazione dettagliata del convertitore Boost utilizzando MC34063, dove è stato progettato un convertitore boost da 3,7 V a 5 V. Qui vediamo come convertire 12V in 5V. Poiché sappiamo che le batterie esatte da 5 V non sono sempre disponibili, a volte abbiamo bisogno di una tensione più alta e di una tensione più bassa allo stesso tempo per pilotare parti diverse del circuito, quindi usiamo una fonte di tensione più alta (12v) come fonte di alimentazione principale e abbassiamo questa tensione per abbassare la tensione (5v) dove richiesto. A tale scopo, in molte applicazioni elettroniche viene utilizzato un circuito convertitore buck che riduce la tensione di ingresso in base ai requisiti di carico.

Ci sono molte scelte disponibili in questo segmento; come visto nel tutorial precedente, l' MC34063 è uno di quei regolatori a commutazione più popolari disponibili in questo segmento. L'MC34063 può essere configurato in tre modalità, Buck, Boost e Inverting. Useremo la configurazione Buck per convertire la sorgente 12V DC a 5V DC con capacità di corrente di uscita di 1A. In precedenza abbiamo costruito un semplice circuito Buck Converter utilizzando MOSFET; puoi anche controllare molti altri circuiti elettronici di potenza utili qui.

IC MC34063

Il diagramma di pinout dell'MC34063 è stato mostrato nell'immagine sottostante. Sul lato sinistro è mostrato il circuito interno dell'MC34063 e sull'altro lato è mostrato lo schema di pinout.

MC34063 è un 1. 5A Regolatore step up o step down o invertente, a causa della proprietà di conversione della tensione CC, l'MC34063 è un IC convertitore CC-CC.

Questo IC fornisce le seguenti funzionalità nel suo pacchetto a 8 pin:

Riferimento compensato in temperatura
Circuito limite di corrente
Oscillatore a ciclo di lavoro controllato con un interruttore di uscita del driver ad alta corrente attivo.
Accetta da 3,0 V a 40 V CC.
Può funzionare a una frequenza di commutazione di 100 KHz con una tolleranza del 2%.
Corrente di standby molto bassa
Tensione di uscita regolabile

Inoltre, nonostante queste caratteristiche, è ampiamente disponibile ed è molto conveniente rispetto ad altri circuiti integrati disponibili in tale segmento.

Nel tutorial precedente, abbiamo progettato un circuito di aumento della tensione utilizzando MC34063 per aumentare la tensione della batteria al litio da 3,7 V a 5,5 V, in questo tutorial progetteremo un convertitore Buck da 12V a 5V.

Calcolo dei valori dei componenti per Boost Converter

Se controlliamo il datasheet, possiamo vedere che è presente il grafico completo della formula per calcolare i valori desiderati richiesti secondo la nostra esigenza. Ecco il foglio della formula disponibile all'interno del foglio dati e viene mostrato anche il circuito di incremento.

Di seguito è riportato lo schema senza il valore di tali componenti, che verrà utilizzato in aggiunta con l' MC34063.

Calcoleremo i valori richiesti per il nostro progetto. Possiamo fare i calcoli dalle formule fornite nel datasheet o possiamo usare il foglio excel fornito dal sito web di ON Semiconductor.

Ecco il link del foglio Excel.

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

Passaggi per calcolare i valori di quei componenti-

Passaggio 1: - Innanzitutto, dobbiamo selezionare il diodo. Sceglieremo il diodo 1N5819 ampiamente disponibile. Come da scheda tecnica, a 1A di corrente diretta la tensione diretta del diodo sarà 0,60 V.

Passaggio 2: - Per prima cosa calcoliamo l'induttore e la corrente di commutazione poiché saranno necessari per ulteriori calcoli. La nostra corrente media dell'induttore sarà la corrente di picco dell'induttore. Quindi, nel nostro caso la corrente dell'induttore è:

IL (avg) = 1A

Passaggio 3: - Ora è il momento della corrente di ondulazione dell'induttore. Un tipico induttore utilizza il 20-40% della corrente di uscita media. Quindi, se scegliamo la corrente di ondulazione dell'induttore del 30%, sarà 1A * 30% = 0,30A

Fase 4: - La corrente di picco di commutazione sarà IL (avg) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1.15A

Passaggio 5: - Calcoleremo t _ON / t _OFF utilizzando la formula seguente

Per questo, la nostra Vout è 5 V e la tensione diretta del diodo (Vf) è 0,60 V. La nostra tensione di ingresso minima Vin (min) è 12V e la tensione di saturazione è 1V (1V nella scheda tecnica). Mettendo tutto insieme otteniamo

(5 + 0,60) / (12-1-5) = 0,93 Quindi, t _ON / t _OFF = 0,93 uS

Passaggio 6: - Ora calcoleremo il tempo Ton + Toff, secondo la formula Ton + Toff = 1 / f

Selezioneremo una frequenza di commutazione più bassa, 40 Khz.

Quindi, Ton + Toff = 1 / 40Khz = 25us

Passaggio 7: - Ora calcoleremo il tempo di Toff. Poiché in precedenza abbiamo calcolato Ton + Toff e Ton / Toff, ora il calcolo sarà più semplice,

Passaggio 8: - Ora il passaggio successivo è calcolare Ton, Ton = (Ton + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05us

Passaggio 9: - Dobbiamo scegliere il condensatore di temporizzazione Ct, che sarà necessario per produrre la frequenza desiderata.

Ct = 4.0 x10 ^-5 x Ton = 4.0 x 10 ^-5 x 12.05uS = 482pF

Passaggio 10: - A seconda di questi valori, calcoleremo il valore dell'induttore

Passaggio 11: - Per la corrente 1A, il valore Rsc sarà 0,3 / Ipk. Quindi, per la nostra esigenza sarà Rsc = 0,3 / 1,15 = 0,260 Ohm

Passaggio 12: - Calcoliamo i valori del condensatore di uscita, possiamo scegliere un valore di ripple di 100 mV (da picco a picco) dall'uscita boost.

Sceglieremo 470uF, 25V. Più condensatore verrà utilizzato, più ondulazione si ridurrà.

Passaggio 13: - Per ultimo dobbiamo calcolare il valore dei resistori di feedback della tensione. Sceglieremo il valore R1 2k, quindi il valore R2 verrà calcolato come

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

Schema del circuito del convertitore buck

Quindi dopo aver calcolato tutti i valori. Ecco lo schema aggiornato

Componenti necessari

2 connettori relimate per ingresso e uscita
Resistenza 2k - 1 n
Resistenza da 6,2k - 1 n
1N5819- 1 nn
Condensatore da 100 uF, 25 V e 359,37 uF, 25 V (470 uF, 25 V utilizzato, valore di chiusura selezionato) - 1 n.
Induttore 62,87uH, 1,5 A 1 n. (Viene utilizzato 100uH 2.5A, era prontamente disponibile sul mercato)
Condensatore a dischi ceramici 482pF (470pF usato) - 1 nn
Alimentatore 12V con rating 1.5A.
MC34063 regolatore di commutazione ic
Resistenza.26ohms (.3R, 2W usati)
1 nos veroboard (è possibile utilizzare vero punteggiato o collegato).
Saldatore
Flusso di saldatura e fili per saldatura.
Se necessario, cavi aggiuntivi.

Dopo aver sistemato i componenti, saldare i componenti sulla scheda Perf

Test del circuito del convertitore buck

Prima di testare il circuito abbiamo bisogno di carichi CC variabili per assorbire la corrente dall'alimentatore CC. Nel piccolo laboratorio di elettronica in cui stiamo testando il circuito, le tolleranze dei test sono molto più elevate e, per questo motivo, poche precisioni di misurazione non sono all'altezza.

L'oscilloscopio è calibrato correttamente ma anche rumori artificiali, EMI, RF possono modificare la precisione del risultato del test. Inoltre, il multimetro ha tolleranze del +/- 1%.

Qui misureremo le seguenti cose

Ondulazione e tensione in uscita a vari carichi fino a 1000mA. Inoltre, testare la tensione di uscita a questo pieno carico.
L'efficienza del circuito.
Consumo di corrente a vuoto del circuito.
Condizione di cortocircuito del circuito.
Inoltre, cosa succederà se sovraccarichiamo l'output?

La nostra temperatura ambiente è di 26 gradi Celsius quando abbiamo testato il circuito.

Nell'immagine sopra, possiamo vedere il carico DC. Questo è un carico resistivo e, come possiamo vedere, dieci no. delle resistenze da 1 ohm in connessione parallela sono il carico effettivo, che è collegato attraverso un MOS-FET, controlleremo il gate MOSFET e permetteremo alla corrente di fluire attraverso i resistori. Quelle resistenze convertono le potenze elettriche in calore. Il risultato consiste in una tolleranza del 5%. Inoltre, questi risultati di carico includono l'assorbimento di potenza del carico stesso, quindi quando nessun carico viene collegato attraverso di esso e alimentato utilizzando un alimentatore esterno, mostrerà 70 mA di corrente di carico predefiniti. Nel nostro caso, alimenteremo il carico dall'alimentatore da banco esterno e testeremo il circuito. L'uscita finale sarà (Risultato - 70mA).

Di seguito è riportata la nostra configurazione di prova; abbiamo collegato il carico attraverso il circuito, misuriamo la corrente di uscita attraverso il regolatore buck e la sua tensione di uscita. Un oscilloscopio è anche collegato al convertitore buck, quindi possiamo anche controllare la tensione di uscita. Forniamo un ingresso a 12V dal nostro alimentatore da banco.

Stiamo disegnando. 88A o 952mA-70mA = 882mA di corrente dall'uscita. La tensione di uscita è 5.15V.

A questo punto, se controlliamo il ripple da picco a picco nell'oscilloscopio. Possiamo vedere l'onda di uscita, il ripple è 60mV (pk-pk). Il che è buono per un convertitore buck con commutazione da 12V a 5V.

La forma d'onda in uscita ha questo aspetto:

Ecco il lasso di tempo della forma d'onda in uscita. È 500 mV per divisione e un intervallo di tempo di 500 uS.

Ecco il rapporto di prova dettagliato

Tempo (sec)	Carico (mA)	Voltaggio (V)	Ondulazione (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

Abbiamo cambiato il carico e abbiamo aspettato circa 3 minuti, ad ogni passaggio, per verificare se i risultati sono stabili o meno. Dopo un carico di 982 mA, la tensione è diminuita notevolmente. In altri casi da 0 carichi a 940 mA, la tensione di uscita è caduta di circa 0,02 V, che è una stabilità abbastanza buona a pieno carico. Inoltre, dopo quel carico di 982 mA, la tensione di uscita viene ridotta in modo significativo. Abbiamo utilizzato una resistenza.3R dove era richiesta.26R, per questo motivo possiamo assorbire 982mA di corrente di carico. L' alimentatore MC34063 non è in grado di fornire una stabilità adeguata a pieno carico di 1 A poiché abbiamo utilizzato.3R invece.26R. Ma 982mA è molto vicino all'uscita 1A. Inoltre, abbiamo utilizzato resistori con tolleranze del 5% che sono più comunemente disponibili sul mercato locale.

Abbiamo calcolato l'efficienza a 12V in ingresso fisso e variando il carico. Ecco il risultato

Tensione di ingresso (V)	Corrente di ingresso (A)	Potenza in ingresso (W)	Tensione di uscita (V)	Corrente di uscita (A)	Potenza di uscita (W)	Efficienza (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

Come possiamo vedere l'efficienza media è di circa il 75%, che è un buon rendimento in questa fase.

Il consumo di corrente a vuoto del circuito viene registrato 3,52 mA quando il carico è 0.

Inoltre, abbiamo verificato il cortocircuito e osserviamo Normale in cortocircuito.

Dopo la soglia di corrente massima in uscita le tensioni in uscita si abbassano notevolmente e dopo un certo tempo si avvicinano allo zero.

È possibile apportare miglioramenti in questo circuito; possiamo usare un condensatore a basso valore ESR per ridurre il ripple di uscita. Inoltre, è necessaria una corretta progettazione del PCB.