Circuito conversor de 12 V para 5 V buck usando mc34063

No tutorial anterior, demonstramos o projeto detalhado do Boost Converter usando MC34063, onde um conversor boost de 3,7 V para 5 V foi projetado. Aqui vemos como converter 12V para 5V. Como sabemos que baterias exatas de 5 V nem sempre estão disponíveis, e às vezes precisamos de tensão mais alta e mais baixa ao mesmo tempo para acionar diferentes partes do circuito, então usamos uma fonte de tensão mais alta (12 V) como fonte de alimentação principal e diminuímos isso tensão para diminuir a tensão (5v) sempre que necessário. Para este propósito, um circuito conversor Buck é usado em muitas aplicações eletrônicas que diminui a tensão de entrada de acordo com a exigência de carga.

Existem muitas opções disponíveis neste segmento; como visto no tutorial anterior, o MC34063 é um dos reguladores de chaveamento mais populares disponíveis nesse segmento. MC34063 pode ser configurado em três modos, Buck, Boost e Inverting. Usaremos a configuração Buck para converter a fonte de 12 Vcc em 5 Vcc com capacidade de corrente de saída 1A. Anteriormente, construímos um circuito Conversor Buck simples usando MOSFET; você também pode verificar muitos circuitos eletrônicos de potência mais úteis aqui.

IC MC34063

O diagrama de pinagem MC34063 foi mostrado na imagem abaixo. No lado esquerdo é mostrado o circuito interno do MC34063, e do outro lado o diagrama de pinagem é mostrado.

MC34063 é 1. 5A Passo -se ou passo para baixo ou invertendo regulador, devido à propriedade de conversão de voltagem DC, MC34063 é um conversor DC-DC IC.

Este IC fornece os seguintes recursos em seu pacote de 8 pinos

Referência compensada por temperatura
Circuito de limite de corrente
Oscilador de ciclo de trabalho controlado com uma chave de saída de driver de alta corrente ativa.
Aceite 3,0 V a 40 V DC.
Pode ser operado com frequência de chaveamento de 100 KHz com tolerância de 2%.
Corrente de espera muito baixa
Tensão de saída ajustável

Além disso, apesar desses recursos, ele está amplamente disponível e é muito mais econômico do que outros ICs disponíveis nesse segmento.

No tutorial anterior, projetamos um circuito de aumento de tensão usando MC34063 para aumentar a tensão da bateria de lítio de 3,7 V para 5,5 V, neste tutorial projetaremos um conversor Buck de 12 V para 5 V.

Calculando os Valores dos Componentes para o Conversor de Boost

Se verificarmos a folha de dados, podemos ver que o gráfico de fórmula completo está presente para calcular os valores desejados exigidos de acordo com nossa exigência. Aqui está a folha de fórmulas disponível na folha de dados e o circuito de aumento também é mostrado.

Aqui está o esquema sem o valor desses componentes, que será usado adicionalmente com o MC34063.

Iremos calcular os valores que são necessários para nosso projeto. Podemos fazer os cálculos a partir das fórmulas fornecidas no datasheet ou podemos usar a planilha excel fornecida pelo site da ON Semiconductor.

Aqui está o link da planilha do excel.

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

Passos para calcular os valores desses componentes-

Passo 1: - Primeiro, precisamos selecionar o diodo. Escolheremos o diodo amplamente disponível 1N5819. De acordo com a folha de dados, na corrente direta de 1A a tensão direta do diodo será de 0,60 V.

Etapa 2: - Primeiro calculamos o indutor e a corrente de comutação, pois serão necessários para cálculos adicionais. Nossa corrente média do indutor será a corrente de pico do indutor. Portanto, no nosso caso, a corrente do indutor é:

IL (média) = 1A

Passo 3: - Agora é a vez da corrente ondulada do indutor. Um indutor típico usa 20-40% da corrente de saída média. Então, se escolhermos a corrente de ondulação do indutor 30%, será 1A * 30% = 0,30A

Etapa 4: - A corrente de pico de comutação será IL (média) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1.15A

Etapa 5: - Iremos calcular t _ON / t _OFF usando a fórmula abaixo

Para isso, nosso Vout é 5V e a tensão direta do diodo (Vf) é 0,60V. Nossa tensão de entrada mínima Vin (min) é 12V e a tensão de saturação é 1V (1V na folha de dados). Ao juntar tudo isso, obtemos

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

Passo 6: - Agora vamos calcular o tempo Ton + Toff, conforme a fórmula Ton + Toff = 1 / f

Selecionaremos uma frequência de chaveamento inferior, 40Khz.

Então, Ton + Toff = 1 / 40Khz = 25us

Passo 7: - Agora vamos calcular o tempo Toff. Como calculamos a Ton + Toff e a Ton / Toff anteriormente, o cálculo será mais fácil agora,

Etapa 8: - Agora a próxima etapa é calcular Ton, Ton = (Ton + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05us

Passo 9: - Precisamos escolher a temporização do Capacitor Ct, que será necessária para produzir a frequência desejada.

Ct = 4,0 x10 ^-5 x Ton = 4,0 x 10 ^-5 x 12,05uS = 482pF

Etapa 10: - Dependendo desses valores, calcularemos o valor do indutor

Etapa 11: - Para a corrente 1A, o valor Rsc será 0,3 / Ipk. Então, para nosso requisito, será Rsc = 0,3 / 1,15 = 0,260 Ohms

Etapa 12: - Vamos calcular os valores do capacitor de saída, podemos escolher um valor de ondulação de 100mV (pico a pico) da saída do boost.

Vamos escolher 470uF, 25V. Quanto mais capacitor for usado, mais ondulação ele reduzirá.

Etapa 13: - Por último, precisamos calcular o valor dos resistores de realimentação de tensão. Vamos escolher o valor R1 2k, então, o valor R2 será calculado como

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

Diagrama de circuito do conversor Buck

Então, depois de calcular todos os valores. Aqui está o esquema atualizado

Componentes necessários

2 nos conectores relimate para entrada e saída
2k resistor- 1 nos
6,2k resistor- 1 ns
1N5819- 1 nos
100uF, 25V e 359,37uF, capacitor de 25V (470uF, 25V usado, valor próximo selecionado) - 1 nos cada.
Indutor 62,87uH, 1,5A 1 nos. (100uH 2.5A é usado, estava prontamente disponível no mercado)
482pF (470pF usado) capacitor de disco de cerâmica - 1 nos
Fonte de alimentação de 12 V com classificação de 1,5 A.
MC34063 regulador de comutação ic
Resistor de 0,26 ohms (.3R, 2W usado)
1 nos veroboard (vero pontilhado ou conectado pode ser usado).
Ferro de solda
Fluxo de solda e fios de solda.
Fios adicionais, se necessário.

Depois de organizar os componentes, solde os componentes na placa Perf

Testando o circuito conversor Buck

Antes de testar o circuito, precisamos de cargas CC variáveis para extrair a corrente da fonte de alimentação CC. No pequeno laboratório de eletrônica onde estamos testando o circuito, as tolerâncias de teste são muito maiores e, por causa disso, poucas precisões de medição não estão à altura.

O osciloscópio está calibrado corretamente, mas ruídos artificiais, EMI, RF também podem alterar a precisão do resultado do teste. Além disso, o multímetro tem tolerâncias de +/- 1%.

Aqui iremos medir as seguintes coisas

Ondulação de saída e tensão em várias cargas de até 1000mA. Além disso, teste a tensão de saída com esta carga total.
A eficiência do circuito.
Consumo de corrente ociosa do circuito.
Condição de curto-circuito do circuito.
Além disso, o que acontecerá se sobrecarregarmos a saída?

Nossa temperatura ambiente era de 26 graus Celsius quando testamos o circuito.

Na imagem acima, podemos ver a carga DC. Esta é uma carga resistiva e como podemos ver, dez não. de resistores de 1 ohm em conexão paralela são a carga real, que é conectada através de um MOS-FET. Controlaremos a porta MOSFET e permitiremos que a corrente flua através dos resistores. Esses resistores convertem potências elétricas em calor. O resultado consiste em 5% de tolerância. Além disso, esses resultados de carga incluem o consumo de energia da própria carga, portanto, quando nenhuma carga está sendo conectada a ela e alimentada por uma fonte de alimentação externa, ele mostrará o padrão de 70mA de corrente de carga. Em nosso caso, alimentaremos a carga com uma fonte de alimentação de bancada externa e testaremos o circuito. A saída final será (Resultado - 70mA).

Abaixo está nossa configuração de teste; conectamos a carga ao circuito, medimos a corrente de saída no regulador de Buck, bem como a tensão de saída dele. Um osciloscópio também é conectado ao conversor Buck, portanto, também podemos verificar a tensão de saída. Estamos fornecendo entrada de 12 V de nossa fonte de alimentação de bancada.

Estamos desenhando. 88A ou 952mA-70mA = 882mA de corrente da saída. A tensão de saída é 5,15V.

Neste ponto, se verificarmos a ondulação de pico a pico no osciloscópio. Podemos ver a onda de saída, a ondulação é 60mV (pk-pk). O que é bom para um conversor Switching buck de 12V a 5V.

A forma de onda de saída é semelhante a esta:

Aqui está o período de tempo da forma de onda de saída. É 500mV por divisão e intervalo de tempo 500uS.

Aqui está o relatório de teste detalhado

Tempo (segundos)	Carga (mA)	Tensão (V)	Ondulação (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

Trocamos a carga e esperamos cerca de 3 minutos, em cada etapa, para verificar se os resultados estão estáveis ou não. Após a carga de 982 mA, a tensão caiu significativamente. Em outros casos, de 0 a 940 mA, a tensão de saída caiu foi de aproximadamente 0,02 V, o que é uma estabilidade bastante boa em carga total. Além disso, após essa carga de 982 mA, a tensão de saída cai significativamente. Usamos um resistor.3R onde foi necessário.26R, devido a isso, podemos consumir 982mA de corrente de carga. A fonte de alimentação MC34063 não é capaz de fornecer estabilidade adequada com carga total de 1A já que usamos.3R em vez de.26R. Mas 982mA está muito próximo da saída 1A. Além disso, usamos resistores com tolerâncias de 5%, que são mais comumente disponíveis no mercado local.

Calculamos a eficiência na entrada fixa de 12 V e alterando a carga. Aqui está o resultado

Tensão de entrada (V)	Corrente de entrada (A)	Potência de entrada (W)	Tensão de saída (V)	Corrente de saída (A)	Potência de saída (W)	Eficiência (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

Como podemos ver, a eficiência média está em torno de 75%, o que é um bom resultado neste estágio.

O consumo de corrente ociosa do circuito é registrado em 3,52 mA quando a carga é 0.

Além disso, verificamos o curto-circuito e observamos Normal em curto-circuito.

Após o limite máximo da corrente de saída, as tensões de saída ficam significativamente mais baixas e depois de um certo tempo, está chegando perto de zero.

Melhorias podem ser feitas neste circuito; podemos usar um capacitor de alto valor ESR baixo para reduzir a ondulação de saída. Além disso, é necessário um projeto de PCB adequado.