Circuito convertitore boost da 3,7 V a 5 V utilizzando mc34063

Nei giorni moderni, le batterie al litio stanno arricchendo il mondo dell'elettronica. Possono essere ricaricate molto velocemente e forniscono un buon backup, che insieme al loro basso costo di produzione rende le batterie al litio la scelta più preferibile per i dispositivi portatili. Poiché la tensione di una batteria al litio a cella singola varia da un minimo di 3,2 a 4,2 V, è difficile alimentare quei circuiti che richiedono 5 V o più. In tal caso abbiamo bisogno di un convertitore boost che aumenterà la tensione secondo il requisito di carico, più della sua tensione di ingresso.

Molte scelte disponibili in questo segmento; L'MC34063 è il regolatore di commutazione più popolare in questo segmento. MCP34063 può essere configurato in tre operazioni, Buck, Boost e Inverting. Usiamo MC34063 come regolatore boost di commutazione e aumenterà la tensione della batteria al litio da 3,7 V a 5,5 V con capacità di corrente di uscita di 500 mA. Abbiamo già costruito un circuito convertitore Buck per abbassare la tensione; puoi anche controllare molti interessanti progetti di elettronica di potenza 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:

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

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

Progettiamo il nostro circuito step-up utilizzando MC34063 per aumentare la tensione della batteria al litio da 3,7 V a 5,5 V.

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.

Ora 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: - Per prima cosa 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: - Calcoleremo utilizzando la formula

Per questo, la nostra Vout è 5,5 V, la tensione diretta del diodo (Vf) è 0,60 V. La nostra tensione minima Vin (min) è 3,2 V poiché questa è la tensione più bassa accettabile da una batteria a cella singola. E per la tensione di saturazione dell'interruttore di uscita (Vsat), è 1 V (1 V nella scheda tecnica). Mettendo tutto insieme otteniamo

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

Passaggio 3: - No, calcoleremo il tempo Ton + Toff, secondo la formula Ton + Toff = 1 / f

Selezioneremo una frequenza di commutazione più bassa, 50 Khz.

Quindi, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Quindi il nostro Ton + Toff è 20uS

Passaggio 4: - Ora calcoleremo il T _off time.

T _off = (T _on + T _off / (T _on / T _off) +1)

Poiché in precedenza abbiamo calcolato Ton + Toff e Ton / Toff, ora il calcolo sarà più semplice, Toff = 20us / 1,31 + 1 = 8,65us

Passaggio 5: - Ora il passaggio successivo è calcolare Ton, T _on = (T _on + T _off) - T _off = 20us - 8,65us = 11,35us

Passaggio 6: - Dovremo scegliere il condensatore di temporizzazione Ct, che sarà richiesto per produrre la frequenza desiderata. Ct = 4.0 x 10 ^-5 x Ton = 4.0 x 10 ^-5 x 11.35uS = 454pF

Passaggio 7: - Ora dobbiamo calcolare la corrente media dell'induttore o

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

La nostra corrente di uscita massima sarà 500mA. Quindi, la corrente media dell'induttore sarà 0,5 A x (1,31 + 1) = 1,15 A.

Passaggio 8: - Ora è il momento per la 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 1,15 * 30% = 0,34 A.

Fase 9: - La corrente di picco di commutazione sarà IL (avg) + Iripple / 2 = 1.15 +.34 / 2 = 1.32A

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

Passaggio 11: - Per la corrente di 500 mA, il valore Rsc sarà 0,3 / Ipk. Quindi, per la nostra esigenza sarà Rsc = 0,3 / 1,32 = 0,22 Ohm

Passaggio 12: - Calcoliamo i valori del condensatore di uscita

Possiamo scegliere un valore di ondulazione di 250 mV (da picco a picco) dall'uscita boost.

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

Sceglieremo 220uF, 12V . Più condensatore verrà utilizzato, più il ripple si ridurrà.

Passaggio 13: - Per ultimo dobbiamo calcolare il valore dei resistori di feedback della tensione. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Sceglieremo il valore R1 2k, quindi il valore R2 sarà 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8k

Abbiamo calcolato tutti i valori. Quindi di seguito è riportato lo schema finale:

Schema del circuito del convertitore boost

Componenti richiesti

1. Relimate connettore per ingresso e uscita - 2 n
2. Resistenza 2k - 1 n
3. Resistenza da 6,8 k - 1 n
4. 1N5819- 1nos
5. Condensatore da 100uF, 12V e 194,94uF, 12V (220uF, viene utilizzato 12V, valore di chiusura selezionato) 1 n.
6. Induttore da 18,91 uH, 1,5 A - 1 n. (33uH 2.5A è usato, era prontamente disponibile da noi)
7. Condensatore a dischi ceramici 454pF (470pF usato) 1 n
8. 1 Batteria agli ioni di litio o ai polimeri di litio Cella singola o parallela a seconda della capacità della batteria per problemi relativi al backup nei progetti richiesti.
9. MC34063 regolatore di commutazione IC
10. Resistenza.24ohms (.3R, 2W usati)
11. 1 nos Veroboard (può essere utilizzato vero tratteggiato o collegato).
12. Saldatore
13. Flusso di saldatura e fili per saldatura.
14. Se necessario, cavi aggiuntivi.

Nota: abbiamo utilizzato un induttore da 33uh in quanto è facilmente disponibile con i fornitori locali con una corrente nominale di 2,5 A. Inoltre abbiamo utilizzato una resistenza.3R invece di.22R.

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

La saldatura è completata.

Test del circuito del convertitore boost

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

1. Ondulazione e tensione in uscita a vari carichi fino a 500mA.
2. Efficienza del circuito.
3. Consumo di corrente a vuoto del circuito.
4. Condizione di cortocircuito del circuito.
5. Inoltre, cosa succederà se sovraccarichiamo l'output?

La nostra temperatura ambiente è di 25 gradi Celsius dove abbiamo testato il circuito.

Nell'immagine sopra possiamo vedere il carico DC. Questo è un carico resistivo e come possiamo vedere, 10 resistori da 1 ohm in connessione parallela sono il carico effettivo collegato attraverso un MOSFET, controlleremo il gate del MOSFET e permetteremo alla corrente di fluire attraverso i resistori. Quelle resistenze convertono le potenze elettriche in calore. Il risultato è una tolleranza del 5%. Inoltre, questi risultati di carico includono l'assorbimento di potenza del carico stesso, quindi quando non viene assorbito alcun carico, mostrerà 70mA di corrente di carico predefiniti. Alimenteremo il carico da un altro alimentatore e testeremo il circuito. L'uscita finale sarà (Risultato - 70mA ). Useremo multimetri con modalità di rilevamento della corrente e misureremo la corrente. Poiché il misuratore è in serie con il carico CC, il display del carico non fornirà il risultato esatto a causa della caduta di tensione dei resistori shunt all'interno dei multimetri. Registreremo il risultato del misuratore.

Di seguito è riportata la nostra configurazione di prova; abbiamo collegato il carico attraverso il circuito, stiamo misurando la corrente di uscita attraverso il regolatore boost e la sua tensione di uscita. Un oscilloscopio è anche collegato attraverso il convertitore boost, quindi possiamo anche controllare la tensione di uscita. Una batteria al litio 18650 (1S2P - 3,7 V 4400 mAH) fornisce la tensione di ingresso.

Stiamo prelevando.48A o 480-70 = 410mA di corrente dall'uscita. La tensione di uscita è 5,06 V.

A questo punto, se controlliamo l'ondulazione picco-picco nell'oscilloscopio. Possiamo vedere l'onda in uscita, il ripple è 260mV (pk-pk).

Ecco il rapporto di prova dettagliato

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

Abbiamo modificato il carico e abbiamo aspettato circa 3 minuti su ogni passaggio per verificare se i risultati sono stabili o meno. Dopo un carico di 530 mA (.53 A), la tensione è diminuita notevolmente. In altri casi da 0 carichi a 500mA la tensione di uscita è scesa di 0,46V.

Collaudo del circuito con alimentatore da banco

Poiché non possiamo controllare la tensione della batteria, abbiamo anche utilizzato un alimentatore da banco variabile per controllare la tensione di uscita alla tensione di ingresso minima e massima (3,3-4,7 V) per verificare se funziona o meno,

Nell'immagine sopra l'alimentatore da banco fornisce una tensione di ingresso di 3,3 V. Il display del carico mostra un'uscita di 5,35 V a 350 mA di corrente assorbita dall'alimentatore di commutazione. Poiché il carico è alimentato dall'alimentatore da banco, la visualizzazione del carico non è precisa. Il risultato dell'assorbimento di corrente (347mA) è costituito anche dall'assorbimento di corrente dall'alimentatore da banco da parte del carico stesso. Il carico viene alimentato tramite l'alimentatore da banco (12V / 60mA). Quindi la corrente effettiva prelevata dall'uscita dell'MC34063 è 347-60 = 287 mA.

Abbiamo calcolato l'efficienza a 3.3V 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)
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

Ora abbiamo cambiato la tensione in ingresso a 4,2 V. Otteniamo 5,41 V come uscita quando assorbiamo 357-60 = 297 mA di carico.

Abbiamo anche testato l'efficienza. È leggermente migliore del risultato precedente.

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
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

Il consumo di corrente a vuoto del circuito viene registrato 3,47 mA in tutte le condizioni quando il carico è 0 .

Inoltre, abbiamo verificato il cortocircuito, il funzionamento normale osservato. Dopo la soglia di corrente massima in uscita la tensione in uscita si abbassa notevolmente e dopo un certo tempo si avvicina allo zero.

È possibile apportare miglioramenti in questo circuito; un condensatore a basso valore ESR può essere utilizzato per ridurre l'ondulazione di uscita. È necessaria anche una corretta progettazione del PCB.