Circuito conversor de aumento de 3,7 V para 5 V usando mc34063

Nos dias modernos, as baterias de lítio estão enriquecendo o mundo da eletrônica. Elas podem ser carregadas muito rapidamente e fornecem um bom backup, o que, junto com seu baixo custo de fabricação, torna as baterias de lítio a escolha mais preferida para dispositivos portáteis. Como a voltagem de uma bateria de lítio de célula única varia de no mínimo 3,2 a 4,2 V, é difícil alimentar os circuitos que requerem 5 V ou mais. Nesse caso, precisamos de um conversor de reforço que aumentará a tensão de acordo com os requisitos de carga, mais do que a tensão de entrada.

Muitas opções disponíveis neste segmento; MC34063 é o regulador de comutação mais popular nesse segmento. MCP34063 pode ser configurado em três operações, Buck, Boost e Inverting. Usamos o MC34063 como regulador de comutação Boost e aumentará a tensão da bateria de lítio de 3,7 V para 5,5 V com capacidade de corrente de saída de 500 mA. Nós construímos anteriormente um circuito conversor Buck para reduzir a tensão; você também pode verificar muitos projetos interessantes de eletrônica de potência 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

1. Referência compensada por temperatura
2. Circuito de limite de corrente
3. Oscilador de ciclo de trabalho controlado com uma chave de saída de driver de alta corrente ativa.
4. Aceite 3,0 V a 40 V DC.
5. Pode ser operado com frequência de chaveamento de 100 KHz com tolerância de 2%.
6. Corrente de espera muito baixa
7. 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.

Vamos projetar nosso circuito intensificador usando MC34063 para aumentar a tensão da bateria de lítio de 3,7 V para 5,5 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.

Agora vamos 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

Etapas 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: - Iremos calcular o usando a fórmula

Para isso, nosso Vout é de 5,5V, a tensão direta do diodo (Vf) é de 0,60V. Nossa tensão mínima Vin (min) é 3,2 V, pois esta é a tensão mais baixa aceitável para uma bateria de célula única. E para a tensão de saturação da chave de saída (Vsat), é 1V (1V na folha de dados). Ao juntar tudo isso, obtemos

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

Passo 3: - Não vamos calcular o tempo Ton + Toff, conforme a fórmula Ton + Toff = 1 / f

Selecionaremos a frequência de comutação mais baixa, 50Khz.

Então, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Então, nossa Ton + Toff é 20uS

Passo 4: - Agora vamos calcular o tempo T _off.

T _desligado = (T _ligado + T _desligado / (T _ligado / T _desligado) +1)

Como calculamos a Ton + Toff e a Ton / Toff anteriormente, o cálculo será mais fácil agora, Toff = 20us / 1,31 + 1 = 8,65us

Etapa 5: - Agora a próxima etapa é calcular Ton, T _ligado = (T _ligado + T _desligado) - T _desligado = 20us - 8,65us = 11,35us

Passo 6: - Teremos que escolher a temporização do Capacitor Ct, que será necessário para produzir a freqüência desejada. Ct = 4,0 x 10 ^-5 x Ton = 4,0 x 10 ^-5 x 11,35uS = 454pF

Etapa 7: - Agora precisamos calcular a corrente média do indutor ou

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

Nossa corrente de saída máxima será de 500mA. Portanto, a corrente média do indutor será 0,5A x (1,31 + 1) = 1,15A.

Etapa 8: - Agora é a vez da ondulação da corrente do indutor. Um indutor típico usa 20-40% da corrente de saída média. Então, se escolhermos a corrente de ondulação do indutor 30%, ela será 1,15 * 30% = 0,34A

Etapa 9: - A corrente de pico de comutação será IL (média) + Iripple / 2 = 1,15 + 0,34 / 2 = 1,32A

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

Etapa 11: - Para a corrente de 500mA, o valor Rsc será 0,3 / Ipk. Portanto, para o nosso requisito, será Rsc = 0,3 / 1,32 = 0,22 Ohms

Etapa 12: - Vamos calcular os valores do capacitor de saída

Podemos escolher um valor de ondulação de 250mV (pico a pico) na saída do boost.

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

Vamos escolher 220uF, 12V . Quanto mais capacitor for usado, mais ondulação ele reduzirá.

Etapa 13: - Por último, precisamos calcular o valor dos resistores de realimentação de tensão. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Escolheremos o valor R1 2k, então, o valor R2 será 5,5 = 1,25 (1 + R2 / 2k) = 6,8k

Calculamos todos os valores. Então, abaixo está o esquema final:

Diagrama de circuito do conversor de reforço

Componentes Requeridos

1. Conector Relimate para entrada e saída - 2 nos
2. 2k resistor- 1 nos
3. 6,8k resistor- 1 ns
4. 1N5819- 1nos
5. 100uF, 12V e 194,94uF, capacitor de 12V (220uF, 12V é usado, valor próximo selecionado) 1 nos cada.
6. Indutor de 18,91 uH, 1,5A - 1 nos. (33uH 2.5A é usado, estava prontamente disponível em nosso local)
7. 454pF (470pF usado) capacitor de disco de cerâmica 1 nos
8. 1 Bateria de íon de lítio ou bateria de polímero de lítio Célula única ou célula paralela dependendo da capacidade da bateria para problemas relacionados a backup em projetos necessários.
9. MC34063 regulador de comutação IC
10. Resistor de 0,24 ohms (.3R, 2W usado)
11. 1 nos Veroboard (pode ser usado o vero pontilhado ou conectado).
12. Ferro de solda
13. Fluxo de solda e fios de solda.
14. Fios adicionais, se necessário.

Observação: usamos o indutor 33uh, pois ele está disponível facilmente com fornecedores locais com a classificação atual de 2,5A Também usamos o resistor.3R em vez de.22R.

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

A soldagem está concluída.

Testando o circuito conversor de reforço

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

1. Ondulação de saída e tensão em várias cargas de até 500mA.
2. Eficiência do circuito.
3. Consumo de corrente ociosa do circuito.
4. Condição de curto-circuito do circuito.
5. Além disso, o que acontecerá se sobrecarregarmos a saída?

Nossa temperatura ambiente é de 25 graus Celsius, onde testamos o circuito.

Na imagem acima podemos ver a carga DC. Esta é uma carga resistiva e como podemos ver, resistores de 10pcs 1 ohm em conexão paralela são a carga real conectada através de um MOSFET. Controlaremos a porta MOSFET e permitiremos que a corrente flua através dos resistores. Esses resistores convertem potências elétricas em calor. O resultado consiste em tolerância de 5%. Além disso, esses resultados de carga incluem o consumo de energia da própria carga, portanto, quando nenhuma carga estiver sendo desenhada por ela, ele mostrará o padrão de 70mA de corrente de carga. Vamos alimentar a carga de outra fonte de alimentação e testar o circuito. A saída final será (Resultado - 70mA ). Usaremos multímetros com modo de detecção de corrente e mediremos a corrente. Como o medidor está em série com a carga CC, a exibição da carga não fornecerá o resultado exato devido à queda de tensão dos resistores shunt dentro dos multímetros. Vamos registrar o resultado do medidor.

Abaixo está nossa configuração de teste; conectamos a carga ao circuito, estamos medindo a corrente de saída no regulador de reforço, bem como a tensão de saída dele. Um osciloscópio também é conectado ao conversor de reforço, portanto, também podemos verificar a tensão de saída. Uma bateria de lítio 18650 (1S2P - 3,7 V 4400 mAH) está fornecendo a tensão de entrada.

Estamos consumindo 0,48A ou 480-70 = 410mA de corrente da saída. A tensão de saída é 5,06V.

Neste ponto, se verificarmos a ondulação de pico a pico no osciloscópio. Podemos ver a onda de saída, a ondulação é 260mV (pk-pk).

Aqui está o relatório de teste detalhado

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

Mudamos a carga e esperamos cerca de 3 minutos em cada etapa para verificar se os resultados estão estáveis ​​ou não. Após a carga de 530mA (.53A), a tensão caiu significativamente. Em outros casos, de 0 a 500mA, a tensão de saída caiu 0,46 V.

Testando o circuito com fonte de alimentação de bancada

Como não podemos controlar a tensão da bateria, também usamos uma fonte de alimentação de bancada variável para verificar a tensão de saída na tensão de entrada mínima e máxima (3,3-4,7 V) para verificar se ela está funcionando ou não,

Na imagem acima, a fonte de alimentação fornece tensão de entrada de 3,3V. O display de carga está mostrando saída de 5,35 V com consumo de corrente de 350 mA da fonte de alimentação de comutação. Como a carga é alimentada pela fonte de alimentação de bancada, a exibição da carga não é precisa. O resultado do consumo de corrente (347mA) também consiste no consumo de corrente da fonte de alimentação de bancada pela própria carga. A carga é alimentada usando a fonte de alimentação de bancada (12V / 60mA). Portanto, a corrente real consumida na saída do MC34063 é 347-60 = 287mA.

Calculamos a eficiência em 3,3 V 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)
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

Agora mudamos a tensão para a entrada de 4,2 V. Estamos obtendo 5,41 V como saída quando consumimos 357 - 60 = 297 mA de carga.

Também testamos a eficiência. É um pouco melhor do que o resultado anterior.

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
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

O consumo de corrente ociosa do circuito é registrado em 3,47 mA em todas as condições quando a carga é 0 .

Além disso, verificamos o curto-circuito, operação normal observada. Após o limite máximo da corrente de saída, a tensão de saída fica significativamente mais baixa e depois de um certo tempo está chegando perto de zero.

Melhorias podem ser feitas neste circuito; um capacitor de valor alto ESR baixo pode ser usado para reduzir a ondulação de saída. Também é necessário um projeto de PCB adequado.