Spis treści:
W tym artykule skupimy się na układzie scalonym MC34063, który jest zwykle używany w układach elektronicznych przetwornic napięcia stałego do zasilania między innymi w topologii Boost lub Buck oraz zaprojektujemy układ podwyższający napięcie stałe z wartości 5V do 12V oparty na tym układzie scalonym.
Charakterystyka ogólna układu scalonego MC34063
Układ scalony MC34063 jest przetwornicą DC/DC najczęściej wykorzystywaną w przekształtnikach o topologii Buck do obniżenia napięcia oraz w topologii Boost do podwyższania napięcia. Układ scalony MC34063 zawiera wszystkie niezbędne bloki umożliwiające zbudowanie przetwornic napięcia stałego, a zakres częstotliwości przełączanych obsługiwanych przez ten układ scalony sięga 100kHz. MC34063 jest popularny w układach przetwornic DC/DC z uwagi na jego możliwości konwertowania napięcia oraz niską cenę i prostą implementację. Zakres temperatur roboczych tego układu scalonego sięga od 0*C do 70*C. MC34063 jest powszechnie używany w układach regulatorów napięcia, ładowarkach, a także w innych aplikacjach elektronicznych o niestandardowych potrzebach energetycznych. Układ MC34063 można nabyć w obudowie 8-pinowej DIP do montażu THT, a także w obudowie SOIC do montażu SMD.
Funkcje układu scalonego MC34063
Układ scalony MC34063 może pełnić następujące funkcje:
- oscylator;
- elektroniczny przełącznik o wysokiej wydajności prądowej na wyjściu;
- detektor szczytowy prądu;
- układ wykrywający obecność napięcia na wyjściu komparatora;
- skompensowane termicznie źródło napięcia odniesienia.
Dzięki szczegółowemu zaprojektowaniu poszczególnych bloków układu MC34063 wymaga on minimalnej liczby elementów peryferyjnych do realizacji powyższych i wielu innych aplikacji.
MC34063 - opis wyprowadzeń układu
Układ scalony MC34063 jest umieszczony w obudowie produkowanej zarówno w wersji SMD jak i THT. W obu obudowach znajdziemy osiem wyprowadzeń, a ich funkcje są następujące:
- kolektor tranzystora przełączającego
- kolektor tranzystora przełączającego
- zewnętrzny kondensator obwodu czasowego przetwornicy
- masa układu (GND)
- wejście odwracające komparatora ustawiające napięcie wyjściowe
- wejście napięcia zasilania pomocniczego (VCC)
- wykrywanie prądu obciążenia
- kolektor tranzystora wyjściowego przetwornicy
Podstawowe topologie układu scalonego MC34063
Układ scalony MC34063 ma szeroki zakres napięć zasilania wejściowego, tj. od 3V do 40V i może dostarczyć na wyjściu prąd przełączany do 1,5A po dodaniu cewki o odpowiedniej indukcyjności. Układ umożliwia regulację napięcia wyjściowego, ograniczenie prądu zwarciowego i niski pobór prądu w stanie czuwania. Za pomocą tego układu scalonego możemy zbudować przekształtnik DC/DC w topologii typu buck, boost oraz układ odwracający biegunowość napięcia, wykorzystując kilka dodatkowych komponentów zewnętrznych. Przetwornice DC/DC są często używane do wydajnego dostarczania regulowanego napięcia, które może być odpowiednio kontrolowane przy zmiennym obciążeniu. Przetwornica Buck wytwarza napięcie obniżone względem napięcia wejściowego, a przetwornica Boost wytwarza napięcie podwyższone względem napięcia wejściowego.
Przetwornica typu Boost
Sercem obwodu jest regulator przełączający IC MC34063A. Dioda Schottky’ego 1N5819 ma niski spadek napięcia w przewodzie i dużą prędkość przełączania. Jest często wykorzystywany w zastosowaniach wysokiej częstotliwości, takich jak falowniki i przetwornice DC-DC. Ponieważ MC34063A może wytrzymać napięcie do 40 V, obwód może obsługiwać napięcia prądu stałego w zakresie od 3,0 V do 40,0 V. Oferuje regulowane napięcie wyjściowe, ograniczenie prądu zwarciowego i niski prąd czuwania.
Teraz, na tym etapie, przystąpimy do budowy naszego obwodu i omówimy komponenty, które w nim znajdą się, wraz z ich odpowiednimi wartościami.
Po przejrzeniu noty aplikacyjnej, możemy uzyskać pełny wzór obliczeń, potrzebny do określenia pożądanych wartości, zgodnych z naszymi wymaganiami. W arkuszu danych znajdziemy formuły obliczeniowe, które pomogą nam zidentyfikować odpowiednie wartości. Teraz przeprowadzimy obliczenia wartości potrzebnych do naszego projektu, bazując na wzorach dostępnych w arkuszu danych.
Krok 1:
Najpierw wybierzemy diodę do obliczeń. Skorzystamy z popularnej diody 1N5819. Zgodnie z arkuszem danych, przy prądzie przewodzenia 1A, napięcie przewodzenia diody wyniesie 0,49V.
Krok 2:
Obliczymy Ton/Toff przy użyciu wzoru, gdzie:
Vout = 12 V,
Napięcie przewodzenia diody (Vf) = 0,49 V,
Minimalne napięcie Vin (min) = 4,5 V,
Napięcie nasycenia przełącznika wyjściowego (Vsat) = 0,45 V.
Po podstawieniu tych wartości do wzoru otrzymujemy:
(12 + 0,49 – 4,5) / (4,5 – 0,45) = 1,97
Stąd Ton/Toff = 1,97
Krok 3:
Teraz obliczymy Ton + Toff zgodnie ze wzorem:
Ton + Toff = 1 / f
Gdzie częstotliwość przełączania wynosi 50kHz, zgodnie z notą aplikacyjną.
Ton + Toff = 1 / 50 kHz = 20us
Krok 4:
Następnie obliczymy Toff:
Toff = (Ton + Toff) / (Ton/Toff + 1)
Zgodnie z poprzednimi obliczeniami z kroku 2 i kroku 3:
Toff = 20 us / (1,97 + 1) = 6,73 us
Krok 5:
Obliczymy Ton:
Ton = (Ton + Toff) – Toff
Ton = 20 us – 6,73 us = 13,27 us
Krok 6:
Wybierzemy wartość kondensatora Ct potrzebną do uzyskania pożądanej częstotliwości.
Ct = 4,0 x 10^-5 x Ton
Ct = 4,0 x 10^-5 x 13,27 us = 530,8 pF
Na rynku dostępny jest kondensator 560 pF, który można użyć.
Krok 7:
Obliczymy prąd szczytowy:
Ipk = 2 x Iout(max) x (Ton/Toff + 1)
Maksymalny prąd wyjściowy wynosi 200 mA.
Ipk = 2 x 0,2 A x (1,97 + 1) = 1,2 A
Krok 8:
Obliczymy wartość rezystora prądu wykrywającego (Rsc):
Rsc = 0,3 / Ipk
Rsc = 0,3 / 1,2 A = 0,25R
Krok 9:
Obliczymy minimalną indukcyjność cewki(Lmin):
Lmin = ((Vin(min) – Vsat) / Ipk) x Ton(max)
Lmin = ((4,5 V – 0,45 V) / 1,2 A) x 13,27 us = 44,8 uH
Krok 10:
Obliczymy wartość kondensatora wyjściowego (Cout):
Cout = 9 x (0,2 A x 13,27 us) / 0,2 V
Cout = 119,43 uF
Użyjemy kondensatora 120 uF 20 V.
Krok 11:
Obliczymy wartości rezystorów napięcia sprzężenia zwrotnego:
Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1)
Ustalając Vout = 12 V
Wybierzemy R1 = 910 ohm,
R2 = 8,2 kiloohm (8,6 x R1)
Teraz mamy wszystkie wymagane wartości. Wystarczy zbudować obwód ze schematu i go uruchomić!
