在现代,锂电池正在丰富电子世界。它们可以非常快速地充电并提供良好的备份,再加上它们的低制造成本,使锂电池成为便携式设备最可取的选择。由于单节锂电池的电压范围从最低3.2电压到4.2V,因此很难为那些需要5V或更高的电路供电。在这种情况下,我们需要一个升压转换器,它将根据负载要求提升电压,超过其输入电压。
该细分市场有很多选择;MC34063是该细分市场中最受欢迎的开关稳压器。MCP34063可配置为三种操作:降压、升压和反相。我们使用MC34063作为开关升压稳压器,将3.7V锂电池电压升压至5.5V,具有500mA输出电流能力。
集成电路 MC34063
MC34063引脚排列图如下图所示。左侧显示MC34063的内部电路,另一侧显示引脚排列图。
MC34063是1.5A升压或降压或反相稳压器,由于直流电压转换特性,MC34063是一款DC-DC转换器IC。
该 IC 在其 8 引脚封装中提供以下特性-
温度补偿基准
限流电路
受控占空比振荡器,带有源高电流驱动器输出开关。
接受 3.0V 至 40V DC。
可在 100 KHz 开关频率下工作,容差为 2%。
极低的待机电流
可调输出电压
此外,尽管具有这些特性,但它是广泛使用的,并且比此类细分市场中可用的其他IC更具成本效益。
我们设计升压电路,使用MC34063将3.7V锂电池电压提升至5.5V。
计算升压转换器的元件值
如果我们检查数据表,我们可以看到完整的公式图表存在,以根据我们的要求计算所需的所需值。这是数据表中提供的公式表,还显示了升压电路。
以下是不含这些元件值的原理图,将与MC34063一起使用。
现在我们将计算设计所需的值。我们可以根据数据表中提供的公式进行计算,也可以使用安森美半导体网站提供的Excel表进行计算。
计算这些分量值的步骤
第 1 步:-首先,我们需要选择二极管。我们将选择广泛使用的二极管1N5819。根据数据表,在1A正向电流下,二极管的正向电压为0.60 V。
第 2 步:-我们将使用公式计算
为此,我们的Vout为5.5V,二极管的正向电压(Vf)为0.60V。我们的最小电压Vin(最小值)为3.2V,因为这是单节电池可接受的最低电压。对于输出开关(Vsat)的饱和电压,为1V(数据手册中的1V)。通过,把这一切放在一起,我们得到
(5.5+0.60-3.2 / 3.2-1) = 0.9
So,
tON / tOFF
=
1.31
第 3 步:-不,我们将根据公式计算 Ton + Toff 时间 Ton + Toff = 1 / f
我们将选择较低的开关频率,50Khz。
So, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us So our Ton + Toff is 20uS
第 4 步:-现在我们将计算 T关闭时间。
Toff = (Ton + Toff / (Ton/Toff )+1)
正如我们之前计算的 Ton + Toff 和 Ton / Toff 一样,现在计算会更容易,
Toff = 20us / 1.31+1 = 8.65us
第 5 步:-现在下一步是计算吨,
Ton = (Ton + Toff) - Toff = 20us – 8.65us = 11.35us
第 6 步:-我们需要选择定时电容器 Ct,该时钟需要产生所需的频率。克拉 = 4.0 x 10-5x 吨 = 4.0 x 10-5x 11.35uS = 454pF
第 7 步:-现在我们需要计算平均电感电流或
IL(avg). IL(avg) = Iout(max) x ((Ton/Toff )+1)
我们的最大输出电流为500mA。因此,平均电感电流将为.5A x (1.31 + 1) = 1.15A。
第 8 步:-现在是电感的纹波电流的时候了。典型电感器使用平均输出电流的20-40%。因此,如果我们选择电感纹波电流的30%,它将是1.15 * 30% = 0.34A
第 9 步:-开关峰值电流将为 IL(平均值) + Iripple/2 = 1.15 + .34/2 = 1.32A
步骤10:-根据这些值,我们将计算电感值
步骤11:-对于500mA电流,Rsc值将为0.3/Ipk。因此,对于我们的要求,它将是 rsc = .3/1.32 = .22 欧姆
步骤12:-让我们计算输出电容值
我们可以从升压输出中选择250mV(峰峰值)的纹波值。
So, Cout = 9* (0.5*11.35us / 0.25) = 204.3uF
我们将选择220uF,12V。使用的电容器越多,纹波就越少。
第 13 步:-最后,我们需要计算电压反馈电阻值。输出电压 = 1.25 (1 + R2 / R1)
我们将选择 R1 值 2k,因此,R2 值将为 5.5 = 1.25 (1 + R2 / 2k) = 6.8k
我们计算了所有值。所以下面是最终的原理图:
升压转换器电路图
必需组件
用于输入和输出的可靠连接器 - 2 个常开
2k 电阻 - 1 常开
6.8k 电阻 - 1 常开
1N5819- 1 否
100uF,12V和194.94uF,12V电容器(使用220uF,12V,选择接近值)各1个。
18.91uH 电感器,1.5A - 1 个 (使用 33uH 2.5A,在我们的地方很容易买到)
454pF(470pF二手)陶瓷盘式电容器 1 否
1 锂离子或锂聚合物电池 单节或并联电池取决于电池容量,用于所需项目中的备用相关问题。
MC34063 开关稳压器 IC
.24欧姆电阻(.3R,2W使用)
1 nos Veroboard(可以使用虚线或连接的Vero)。
烙铁
助焊剂和焊丝。
如果需要,还可以使用其他电线。
注意:我们使用33uh电感器,因为它很容易在额定电流为2.5A的本地供应商处获得。 此外,我们还使用.3R电阻代替.22R。
排列组件后,将组件焊接在 Perf 板上
焊接完成。
测试升压转换器电路
在测试电路之前,我们需要可变直流负载来从直流电源吸收电流。在我们测试电路的小型电子实验室中,测试公差要高得多,因此,很少有测量精度达不到标准。
示波器经过正确校准,但人工噪声、EMI、RF 也会改变测试结果的准确性。此外,万用表具有 +/-1% 的容差。
在这里,我们将测量以下内容
在高达 500mA 的各种负载下输出纹波和电压。
电路的效率。
电路的空闲电流消耗。
电路的短路情况。
另外,如果我们使输出过载会发生什么?
我们的室温是25摄氏度,我们测试了电路。
在上图中,我们可以看到直流负载。这是一个阻性负载,正如我们所看到的,并联的 10 个 1 欧姆电阻是连接在 MOSFET 上的实际负载,我们将控制 MOSFET 栅极并允许电流流过电阻器。这些电阻器将电能转化为热量。结果包括 5% 的容差。此外,这些负载结果还包括负载本身的功耗,因此当它没有负载时,它将显示默认的70mA负载电流。我们将从其他电源为负载供电并测试电路。最终输出为(结果 – 70mA)。我们将使用具有电流检测模式的万用表并测量电流。由于仪表与直流负载串联,由于万用表内的分流电阻器压降,负载显示将无法提供准确的结果。我们将记录仪表的结果。
以下是我们的测试设置;我们已经连接了电路上的负载,我们正在测量升压稳压器两端的输出电流以及它的输出电压。升压转换器上还连接了一个示波器,因此我们还可以检查输出电压。18650锂电池(1S2P – 3.7V 4400mAH)提供输入电压。
我们从输出端汲取.48A或480-70 = 410mA的电流。输出电压为5.06V。
此时,如果我们检查示波器中的峰到峰纹波。我们可以看到输出波,纹波为260mV(pk-pk)。
这是详细的测试报告
时间 (秒) |
负载(毫安) | 电压 (V) | 纹波(峰峰值) (毫伏) |
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 |
我们更改了负载,并在每个步骤上等待大约 3 分钟,以检查结果是否稳定。在530mA (.53A)负载后,电压显著下降。在其他情况下,从0负载到500mA,输出电压下降.46V。
使用台式电源测试电路
由于我们无法控制电池电压,我们还使用可变台式电源单元来检查最小和最大输入电压(3.3-4.7V)的输出电压,以检查它是否正常工作,
在上图中,工作台电源提供3.3V输入电压。负载显示5.35V输出,350mA电流从开关电源汲取。由于负载由台式电源供电,因此负载显示不准确。电流消耗结果(347mA)还包括负载本身从台式电源消耗的电流。负载使用台式电源(12V / 60mA)供电。因此,从MC34063输出汲取的实际电流为347-60 = 287mA。
我们通过改变负载来计算3.3V的效率,这是结果
输入电压 (V) | 输入电流 (A) | 输入 功率(W) |
输出电压 (V) |
输出 电流 (A) |
输出功率(W) | 效率 (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 |
现在我们已将电压更改为4.2V输入。当我们消耗 357 – 60 = 297mA 的负载时,我们得到 5.41V 作为输出。
我们还测试了效率。它比之前的结果略好。
输入电压 (V) | 输入电流 (A) | 输入 功率(W) |
输出电压 (V) |
输出 电流 (A) |
输出功率(W) | 效率 |
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 |
当负载为0时,电路的空闲电流消耗在所有条件下记录为3.47mA。
此外,我们检查了短路,观察到正常运行。在最大输出电流阈值之后,输出电压明显降低,一段时间后接近零。
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