Микросхема MC34063 схема включения. Схема преобразователя на микросхеме MC34063A - Преобразователи напряжения (инверторы) - Источники питания Mc34063 в автомобильной зарядке доработка

Но в базовой комплектации ему очень не хватало тока для полноценной зарядки смартфона, всего около 500 мА. Устройство пыхтело изо всех сил, но микросхема перегревалась, и это отрицательно сказывалось на КПД и работоспособности в целом.

Напоминаю, чтобы не заморачиваться - можно купить крутой готовый PowerBank на свой вкус:)

Тут одному товарищу на курсовую работу понадобилось сделать Power Bank, поэтому за основу была взята схема с внешним ключевым элементом на полевом транзисторе.

Просто так подключить полевой транзистор на выход открытого эмиттера не получится, применён драйвер, выполненный из диода и pnp транзистора. Схема представлена ниже, все необходимые расчётные формулы указаны на картинке, в дополнение могу предложить калькулятор, по которому можно рассчитать резисторы обратной связи для получения необходимого напряжения (для зарядки смартфона необходимо 5 В). Для 5 Вольт выходного напряжения подойдут резисторы на 1к и 3 к, 1к - тот, который на землю. Как пользоваться калькулятором - написано по первой ссылке в статье.

Развести плату не составило труда, фото ниже, файл в конце статьи.

Использовались smd элементы вперемешку с выводными.

Конечная реализация устройства позволяет заряжать любой смартфон при соответствующем переходнике. Ток вполне может доходить до 2А, при этом ни одна деталь не греется. Конкретно в этой реализации на выходе был USB разъём.

По сути вы видите STEP-UP преобразователь на MCP34063A + MOSFET транзистор для усиления тока.

Если нужно питать от маленького напряжения, как от литий-ионного аккумулятора, на затвор подавать импульсы через диод Шоттки.

Когда перед разработчиком какого либо устройства, встает вопрос «Как получить нужное напряжение?», то обычно ответ прост — линейный стабилизатор. Их несомненный плюс это маленькая стоимость и минимальная обвязка. Но кроме этих достоинств, у них есть недостаток — сильный нагрев. Очень много драгоценной энергии, линейные стабилизаторы превращают в тепло. Поэтому использование таких стабилизаторов, в устройствах с батарейным питанием не желательно. Более экономичными являются DC-DC преобразователи . О них то и пойдёт речь.

Вид сзади:

О принципах работы уже всё сказано до меня, так что я не буду на этом останавливаться. Скажу лишь что такие преобразователи бывают Step-UP (повышающие) и Step-Down (понижающие). Меня конечно же заинтересовали последние. Что получилось вы можете видеть на рисунке выше. Схемы преобразователей были мной заботливо перерисованы из даташита:-) Начнем с Step-Down преобразователя:

Как видите ничего хитрого. Резисторы R3 и R2 образуют делитель с которого снимается напряжение и поступает на ногу обратной связи микросхемы MC34063. Соответственно изменяя номиналы этих резисторов можно менять напряжение на выходе преобразователя. Резистор R1 служит для того чтоб защитить микросхему от выхода из строя в случае короткого замыкания. Если впаять вместо него перемычку то защита будет отключена и схема может испустить волшебный дымок на котором работает вся электроника. :-) Чем больше сопротивление этого резистора, тем меньший ток сможет отдать преобразователь. При его сопротивлении 0.3 ома, ток не превысит пол ампера. Кстати все эти резисторы может рассчитать моя . Дроссель я брал готовый но ни кто не запрещает его намотать самому. Главное чтоб он был на нужный ток. Диод так же любой Шотки и так же на нужный ток. В крайнем случае можно запараллелить два маломощных диода. Напряжения конденсаторов не указаны на схеме, их нужно выбирать исходя из входного и выходного напряжения. Лучше брать с двойным запасом.
Step-UP преобразователь имеет в своей схеме незначительные отличия:

Требования к деталям, те же что и для Step-Down. Что касается качества получаемого напряжения на выходе,то оно достаточно стабильно и пульсации как говорят — небольшие. (сам на счёт пульсаций не могу сказать так как нет у меня осциллографа пока). Вопросы, предложения в комментарии.

Этот опус будет о 3-богатырях. Почему богатырях?))) Издревна, богатыри — защитники Родины, люди которые «тырили» , то есть копили, а не как сейчас -«воровали», богатство.. Наши накопители — это импульсные преобразователи, 3 типа (понижающий, повышающий, инвертор). Причем все три — на одной микросхеме MC34063 и на одном типа катушки DO5022 индуктивностью 150 мкГн. Применяются они в составе коммутатора СВЧ-сигнала на pin-диодах, схема и плата которых приведена в конце этой статьи.

Расчет понижающего преобразователя (step-down, buck) DC-DC на микросхеме MC34063

Расчет ведется по типовой методике “AN920/D” от ON Semiconductor. Cхема электрическая принципиальная преобразователя изображена на рисунке 1. Номера элементов схемы соответствуют последнему варианту cхемы (из файла “Driver of MC34063 3in1 – ver 08.SCH”).

Рис.1 Схема электрическая принципиальная понижающего (step-down) драйвера.

Выводы микросхемы:

Вывод 1 — SWC (switch collector) — коллектор выходного транзистора

Вывод 2 — SWE (switch emitter) — эмиттер выходного транзистора

Вывод 3 — TС (timing capacitor) — вход для подключения времязадающего конденсатора

Вывод 4 — GND – земля (соединяется с общим проводом понижающего DC-DC)

Вывод 5 — CII(FB ) (comparator inverting input) — инвертирующий вход компаратора

Вывод 6 — V CC — питание

Вывод 7 — Ipk — вход схемы ограничения максимального тока

Вывод 8 — DRC (driver collector) — коллектор драйвера выходного транзистора (в качестве драйвера выходного транзистора также используется биполярный транзистор, соединенный по схеме Дарлингтона, стоящий внутри микросхемы).

Элементы:

L 3 — дроссель. Лучше использовать дроссель открытого типа (не полностью закрытый ферритом) — серия DO5022T от Сoilkraft или RLB от Bourns, так как такой дроссель входит в насыщение при большем токе, чем распространённые дроссели закрытого типа CDRH Sumida. Лучше использовать дроссели большей индуктивности, чем полученное расчетное значение.

С 11 — времязадающий конденсатор, он определяет частоту преобразования. Максимальная частота преобразования для микросхем 34063 составляет порядка 100 кГц.

R 24 , R 21 — делитель напряжения для схемы компаратора. На неинвертирующий вход компаратора подается напряжение 1,25В от внутреннего регулятора, а на инвертирующий вход — с делителя напряжения. Когда напряжение с делителя становится равным напряжению от внутреннего регулятора — компаратор переключает выходной транзистор.

C 2 , С 5 , С 8 и С 17 , С 18 — соответственно, выходной и входной фильтры. Емкость выходного фильтра определяет величину пульсаций выходного напряжения. Если в процессе расчетов получается, что для заданной величины пульсаций требуется очень большая емкость, можно расчет сделать для больших пульсаций, а потом использовать дополнительный LC-фильтр. Входную емкость обычно берут 100 … 470 мкФ (рекомендация TI не менее 470 мкФ), выходную – также берут 100 … 470 мкФ (взято 220 мкФ).

R 11-12-13 (R sc) — токочувствительный резистор. Он нужен для схемы ограничения тока. Максимальный ток выходного транзистора для MC34063 = 1.5А, для AP34063 = 1.6А. Если пиковый переключаемый ток будет превышать эти значения, то микросхема может сгореть. Если точно известно, что пиковый ток даже близко не подходит к максимальным значениям, то этот резистор можно не ставить. Расчет ведется именно на пиковый ток (внутреннего транзистора). При использовании внешнего транзистора пиковый ток протекает через него, через внутренний транзистор протекает меньший (управляющий) ток.

VT 4 – внешний биполярный транзистор, ставится в схему, когда расчетный пиковый ток превышает 1.5А (при большом выходном токе). Иначе перегрев микросхемы может привести к выходу ее из строя. Рабочий режим (ток базы транзистора) R 26 , R 28 .

VD 2 – диод Шоттки или ультрабыстрый (ultrafast) диод на напряжение (прямое и обратное) не менее 2U вых

Порядок расчета:

Выбирают номинальные входное и выходное напряжения: V in , V out и максимальный

выходной ток I out .

В нашей схеме V in =24В, V out =5В, I out =500мА (максимально 750 мА)

Выбирают минимальное входное напряжение V in(min) и минимальную рабочую частоту f min при выбранных V in и I out .

В нашей схеме V in(min) =20В (по ТЗ), выбираем f min =50 кГц

3) Рассчитывают значение (t on +t off) max по формуле (t on +t off) max =1/f min , t on(max) — максимальное время, когда выходной транзистор открыт, t off(max) — максимальное время, когда выходной транзистор закрыт.

(t on +t off) max =1/f min =1/50 кГц =0.02 мС =20 мкС

Рассчитывают отношение t on /t off по формуле t on /t off =(V out +V F)/(V in(min) -V sat -V out) , где V F — падение напряжения на диоде (forward –прямое падение напряжения), V sat — падение напряжения на выходном транзисторе, когда он находится в полностью открытом состоянии (saturation – напряжение насыщения) при заданном токе. V sat определяется по графикам или таблицам, приведенным в документации. Из формулы видно, что чем больше V in , V out и чем больше они отличаются друг от друга — тем меньшее влияние на конечный результат оказывают V F и V sat .

(t on /t off) max =(V out +V F)/(V in(min) -V sat -V out)=(5+0.8)/(20-0.8-5)=5.8/14.2=0.408

4) Зная t on /t off и (t on +t off) max решают систему уравнений и находят t on(max) .

t off = (t on +t off) max / ((t on /t off) max +1) =20 мкС /(0.408+1)=14.2 мкС

t on ( max ) =20- t off =20-14.2 мкС=5.8 мкС

5) Находят емкость времязадающего конденсатора С 11 (Ct ) по формуле:

C 11 = 4.5*10 -5 *t on(max) .

C 11 = 4.5*10 -5 * t on ( max ) =4.5*10 — 5*5.8 мкС=261 pF (это min значение) , берем 680pF

Чем меньше емкость, тем больше частота. Емкости 680pF соответствует частота 14КГц

6) Находят пиковый ток через выходной транзистор: I PK(switch) =2*I out . Если он получился больше максимального тока выходного транзистора (1.5 …1.6 А), то преобразователь с такими параметрами невозможен. Нужно либо пересчитать схему на меньший выходной ток (I out ), либо использовать схему с внешним транзистором.

I PK(switch) =2*I out =2*0.5=1 A (для максимального значения выходного тока 750ма I PK(switch) = 1.4А)

7) Рассчитывают R sc по формуле: R sc =0,3/I PK(switch) .

R sc =0,3/I PK(switch) =0.3/1=0.3 Ом, параллельно соединяем 3 резистора (R 11-12-13 ) по 1 Ом

8) Рассчитывают минимальную емкость конденсатора выходного фильтра: С 17 =I PK(switch) *(t on +t off) max /8V ripple(p-p) , где V ripple(p-p) — максимальная величина пульсаций выходного напряжения. Берется максимальная ёмкость из ближайших к расчетному стандартных значений.

С 17 = I PK ( switch ) *(t on + t off ) max /8 V ripple ( p — p ) =1*14.2 мкС/8*50 мВ=50 мкФ, берем 220 мкФ

9) Рассчитывают минимальную индуктивность дросселя:

L 1( min ) = t on ( max ) *(V in ( min ) — V sat — V out )/ I PK ( switch ) . Если получаются слишком большие C 17 и L 1 , можно попробовать повысить частоту преобразования и повторить расчет. Чем выше частота преобразования — тем ниже минимальная емкость выходного конденсатора и минимальная индуктивность дросселя.

L 1(min) =t on(max) *(V in(min) -V sat -V out)/I PK(switch) =5.8 мкС *(20-0.8-5)/1=82.3 мкГн

Это минимальная индуктивность. Для микросхемы MC34063 дроссель следует выбирать с заведомо большим значением индуктивности, чем расчетное значение. Выбираем L=150мкГн фирмы CoilKraft DO5022.

10) Сопротивления делителя рассчитываются из соотношения V out =1,25*(1+R 24 /R 21) . Эти резисторы должны быть не менее 30 Ом.

Для V out =5В берем R 24 =3.6К, тогда R 21 =1.2К

Онлайн расчет http://uiut.org/master/mc34063/ показывает правильность рассчитанных значений (кроме Сt=С11):

Также есть другой онлайн расчет http://radiohlam.ru/teory/stepdown34063.htm , который также показывает правильность рассчитанных значений.

12) По условиям расчета п.7 пиковый ток 1А (Макс 1.4А) находится около максимального тока транзистора (1.5 …1.6 А) Желательно поставить внешний транзистор уже при пиковом токе 1А, во избежании перегрева микросхемы. Это и сделано. Выбираем транзистор VT4 MJD45 (PNP-тип) с коэффициентом передачи тока 40 (h21э желательно взять максимально возможным, так как транзистор работает в режиме насыщения и на нем падает напряжение порядка =0.8В). Некоторые производители транзисторов указывают в заголовке даташита про малое значение напряжения насыщения Usat порядка 1В, на которое и надо ориентироваться.

Рассчитаем сопротивления резисторов R26 и R28 в цепях выбранного транзистора VT4.

Ток базы транзистора VT4: I б= I PK ( switch ) / h 21 э . I б=1/40=25мА

Резистор в цепи БЭ: R 26 =10*h 21э / I PK ( switch ) . R 26 =10*40/1=400 Ом (берем R 26 =160Ом)

Ток через резистор R 26: I RBE =V BE /R 26 =0.8/160=5мА

Резистор в цепи базы: R 28 =(Vin(min)-Vsat(driver)-V RSC -V BEQ 1)/(I B +I RBE)

R 28 =(20-0.8-0.1-0.8)/(25+5)=610 Ом, можно взять меньше 160 Ом (однотипный с R 26 , так как встроенный транзистор Дарлингтона может обеспечить больший ток для меньшего резистора.

13) Рассчитаем элементы снаббера R 32, C 16. (см расчет повышающей схемы и схему ниже).

14) Рассчитаем элементы выходного фильтра L 5 , R 37, C 24 (Г.Oтт “Методы подавления шумов и помех в электронных системах” стр.120-121).

Выбрал — катушку L5=150мкГн (однотипный дроссель с активным резистивным сопротивлением Rдросс=0.25 ом) и С24=47мкФ (в схеме указано большее значение 100 мкФ)

Рассчитаем декремент затухания фильтра кси =((R+Rдросс)/2)* корень(С/L)

R=R37 ставится когда декремент затухания меньше 0.6, чтобы убрать выброс относительной АЧХ фильтра (резонанс фильтра). Иначе фильтр на этой частоте среза будет усиливать колебания, а не ослаблять.

Без R37: Кси=0.25/2*(корень 47/150)=0.07 — будет подъем АЧХ до +20дб, что плохо, поэтому ставим R=R37=2.2 Ом, тогда:

C R37: Кси=(1+2.2)/2*(корень 47/150)=0.646 — при кси 0.5 и более спад АЧХ (те нет резонанса).

Резонансная частота фильтра (частота среза) Fср=1/(2*пи*L*C), должна лежать ниже частот преобразования микросхемы (те фильтровать эти высокие частоты 10-100кГц). Для указанных значений L и С получим Fср=1896 Гц, что меньше частот работы преобразователя 10-100кГц. Сопротивление R37 более нескольких Ом повыщать нельзя, тк на нем упадет напряжение (при токе нагрузки 500мА и R37=2.2 Ом падение напряжения составит Ur37=I*R=0.5*2.2=1.1В).

Все элементы схемы выбраны для поверхностного монтажа

Осциллограммы работы в различных точках схемы понижающего преобразователя:

15) а) Осциллограммы без нагрузки (Uвх=24в, Uвых=+5В):

Напряжение +5В на выходе преобразователя (на конденсаторе С18) без нагрузки

Сигнал на коллекторе транзистора VT4 имеет частоту 30-40Гц, тк без нагрузки,

схема потребляет около 4 мА без нагрузки

Управляющие сигналы на выв.1 микросхемы (нижний) и

на базе транзистора VT4 (верхний) без нагрузки

б) Осциллограммы под нагрузкой (Uвх=24в, Uвых=+5В), при частотозадающей емкости c11=680pF. Меняем нагрузку путем уменьшения сопротивления резистора (3 осциллограммы ниже). Выходной ток стабилизатора при этом увеличивается, как и входной.

Нагрузка — 3 резистора 68 ом параллельно (221 мА )

Входной ток – 70мА

Желтый луч — сигнал на базе транзистора (управляющий)

Синий луч — сигнал на коллекторе транзистора (выходной)

Нагрузка — 5 резисторов 68 ом параллельно (367 мА )

Входной ток – 110мА

Желтый луч — сигнал на базе транзистора (управляющий)

Синий луч — сигнал на коллекторе транзистора (выходной)

Нагрузка — 1 резистор 10 ом (500 мА )

Входной ток – 150мА

Вывод: в зависимости от нагрузки меняется частота следования импульсов, при большей нагрузке – частота увеличивается, далее паузы (+5В) между фазой накопления и отдачи -пропадают, остаются только прямоугольные импульсы – стабилизатор работает “на пределе” своих возможностей. Это также видно по осциллограмме ниже, когда напряжение “пилы” имеет выбросы – стабилизатор входит в режим ограничения тока.

в) Напряжение на частотозадающей емкости c11=680pF при максимальной нагрузке 500мА

Желтый луч — сигнал емкости (управляющая пила)

Синий луч — сигнал на коллекторе транзистора (выходной)

Нагрузка — 1 резистор 10 ом (500 мА )

Входной ток – 150мА

г) Пульсации напряжения на выходе стабилизатора (с18) при максимальной нагрузке 500мА

Желтый луч — сигнал пульсаций на выходе (с18)

Нагрузка — 1 резистор 10 ом (500 мА )

Пульсации напряжения на выходе LC(R)-фильтра (с24) при максимальной нагрузке 500мА

Желтый луч — сигнал пульсаций на выходе LC(R)-фильтра (с24)

Нагрузка — 1 резистор 10 ом (500 мА )

Вывод: размах напряжений пульсаций от пика до пика уменьшился с 300мВ до 150мВ.

д) Осциллограмма затухающих колебаний без снаббера:

Cиний луч — на диоде без снаббера (видна вставка импульса со временем

не равным периоду, так как это не ШИМ, а ЧИМ)

Осциллограмма затухающих колебаний без снаббера (увеличено):

Расчет повышающего преобразователя (step-up, boost) DC-DC на микросхеме MC34063

http://uiut.org/master/mc34063/ . Для повышающего драйвера он в основном аналогичен расчету понижающего драйвера, поэтому ему можно верить. Схема при онлайн-расчете автоматически меняется на типовую схему из “AN920/D” Входные данные, результаты расчета и сама типовая схема представлены ниже.

— полевой N-канальный транзистор VT7 IRFR220N. Повышает нагрузочную способность микросхемы, позволяет быстро переключаться. Подбирают по:Электрическая схема повышающего преобразователя изображена на рисунке 2. Номера элементов схемы соответствуют последнему варианту cхемы (из файла “Driver of MC34063 3in1 – ver 08.SCH”). В схеме есть элементы, которых нет на типовой схеме онлайн расчета. Это следующие элементы:

Максимальному напряжению сток-исток V DSS = 200В , тк высокое напряжение на выходе +94В
Малому падению напряжения канала R DS(on) max =0.6 O м. Чем меньше сопротивление канала, тем меньше потери на нагрев и выше кпд.
Малой емкости (входной), которая определяет заряда затвора Qg (Total Gate Charge) и малый входной ток затвора. Для данного транзистора I =Qg* Fsw =15нКл *50 КГц=750мкА .
Максимальному току стока I d =5А , тк импульсный ток Ipk=812 mA при выходном токе 100мА

— элементы делителя напряжения R30, R31 и R33 (снижает напряжение для затвора VT7, которое должно быть не более V GS =20В)

— элементы разряда входной емкости VT7 – R34, VD3, VT6 при переключении транзистора VT7 в закрытое состояние. Уменьшает время спада на затворе VT7 с 400нС (не показана) до 50 нС (осциллограмма со временем спада 50нС). Лог 0 на выв.2 микросхемы открывает PNP-транзистор VT6 и входная затворная емкость разряжается через переход КЭ VT6 (быстрее, чем просто через резистор R33, R34).

— катушка L при расчете получается очень большой, выбран меньший номинал L=L4(рис.2)=150мкГн

— элементы снаббера С21, R36.

Расчет снаббера:

Отсюда L=1/(4*3.14^2*(1.2*10^6)^2*26*10^-12)=6.772*10^4 Rsn=√(6.772*10^4 /26*10^-12)=5.1КОм

Величина ёмкости снаббера обычно является компромиссным решением, поскольку, с одной стороны, чем больше ёмкость — тем лучше сглаживание (меньше число колебаний), с другой стороны, каждый цикл ёмкость перезаряжается и рассеивает через резистор часть полезной энергии, что сказывается на КПД (обычно, нормально рассчитанный снаббер снижает КПД очень незначительно, в пределах пары процентов).

Путем постановки переменного резистора, определили более точно сопротивление R =1 K

Рис.2 Схема электрическая принципиальная повышающего (step-up, boost) драйвера.

Осциллограммы работы в различных точках схемы повышающего преобразователя:

а) Напряжение в различных точках без нагрузки :

Напряжение на выходе — 94В без нагрузки

Напряжение на затворе без нагрузки

Напряжение на стоке без нагрузки

б) напряжение на затворе (желтый луч) и на стоке (синий луч) транзистора VT7:

на затворе и на стоке под нагрузкой изменяется частота с 11кГц(90мкс) до 20кГц(50мкс) — те это не ШИМ, а ЧИМ

на затворе и на стоке под нагрузкой без снаббера (растянуто — 1 период колебания)

на затворе и на стоке под нагрузкой со снаббером

в) передний и задний фронт напряжение выв.2 (желтый луч) и на затворе (синий луч) VT7, пила выв.3:

синий — время нарастания 450 нс на затворе VT7

Желтый — время нарастания 50 нс на выв 2 микросхемы

синий — время нарастания 50 нс на затворе VT7

пила на Ct (выв.3 ИМС) c выбросом регулирования F=11k

Расчет DC-DC инвертера (step-up/step-down, inverter) на микросхеме MC34063

Расчет также ведется по типовой методике “AN920/D” от ON Semiconductor.

Расчет можно вести сразу “онлайн” http://uiut.org/master/mc34063/ . Для инвертирующего драйвера он в основном аналогичен расчету понижающего драйвера, поэтому ему можно верить. Схема при онлайн-расчете автоматически меняется на типовую схему из “AN920/D” Входные данные, результаты расчета и сама типовая схема представлены ниже.

— биполярный PNP-транзистор VT7 (повышает нагрузочную способность)Электрическая схема инвертиртирующего преобразователя изображена на рисунке 3. Номера элементов схемы соответствуют последнему варианту cхемы (из файла “Driver of MC34063 3in1 – ver 08.SCH”). В схеме есть элементы, которых нет на типовой схеме онлайн расчета. Это следующие элементы:

— элементы делителя напряжения R27, R29 (задает ток базы и режим работы VT7),

— элементы снаббера С15, R35 (подавляет нежелательные колебания от дросселя)

Некоторые компоненты отличаются от расчетных:

катушка L взята меньше расчетного значения L=L2 (рис.3)=150мкГн (однотипность всех катушек)
выходная емкость взята меньше расчетной С0=С19=220мкФ
частотозадающий конденсатор взят С13=680пФ, соответствует частоте 14КГц
резисторы делителя R2=R22=3.6К, R1=R25=1.2К (взяты сначала для выходного напряжения -5В) и окончательные резисторы R2=R22=5.1 К, R1=R25=1.2К (выходного напряжения -6.5В)

ограничительный резистор тока взят Rsc – 3 резистора параллельно по 1 Ом (результирующее сопротивление 0.3Ом)