Circuito convertidor boost de 3.7V a 5v usando mc34063

En la actualidad, las baterías de litio están enriqueciendo el mundo de la electrónica. Se pueden cargar muy rápido y proporcionan un buen respaldo, lo que junto con su bajo costo de fabricación hace que las baterías de litio sean la opción más preferible para dispositivos portátiles. Como el voltaje de una batería de litio de celda única varía desde un voltaje mínimo de 3,2 a 4,2 V, es difícil alimentar los circuitos que requieren 5 V o más. En tal caso, necesitamos un convertidor de refuerzo que aumentará el voltaje según el requisito de carga, más que su voltaje de entrada.

Muchas opciones disponibles en este segmento; MC34063 es el regulador de conmutación más popular en dicho segmento. MCP34063 se puede configurar en tres operaciones, Reducción, Impulso e Inversión. Usamos MC34063 como regulador de impulso de conmutación y aumentaremos el voltaje de la batería de litio de 3.7V a 5.5V con capacidades de corriente de salida de 500mA. Hemos construido previamente un circuito convertidor Buck para reducir el voltaje; También puede consultar muchos proyectos interesantes de electrónica de potencia aquí.

IC MC34063

El diagrama de distribución de pines del MC34063 se muestra en la siguiente imagen. En el lado izquierdo se muestra el circuito interno del MC34063 y en el otro lado se muestra el diagrama de distribución de pines.

MC34063 es un 1. 5A Step up o step down o regulador inversor, debido a la propiedad de conversión de voltaje DC, MC34063 es un convertidor DC-DC IC.

Este IC proporciona las siguientes características en su paquete de 8 pines:

1. Referencia compensada por temperatura
2. Circuito de límite de corriente
3. Oscilador de ciclo de trabajo controlado con un interruptor activo de salida del controlador de alta corriente.
4. Acepta 3,0 V a 40 V CC.
5. Puede funcionar a una frecuencia de conmutación de 100 KHz con una tolerancia del 2%.
6. Corriente de espera muy baja
7. Voltaje de salida ajustable

Además, a pesar de estas características, está ampliamente disponible y es mucho más rentable que otros circuitos integrados disponibles en dicho segmento.

Diseñemos nuestro circuito elevador usando MC34063 para aumentar el voltaje de la batería de litio de 3.7V a 5.5V.

Cálculo de los valores de los componentes para Boost Converter

Si revisamos la hoja de datos, podemos ver que la tabla de fórmulas completa está presente para calcular los valores deseados requeridos según nuestro requisito. Aquí está la hoja de fórmulas disponible dentro de la hoja de datos, y también se muestra el circuito de aumento.

Aquí está el esquema sin el valor de esos componentes, que se utilizará adicionalmente con el MC34063.

Ahora calcularemos los valores necesarios para nuestro diseño. Podemos hacer los cálculos a partir de las fórmulas proporcionadas en la hoja de datos o podemos utilizar la hoja de Excel proporcionada por el sitio web de ON Semiconductor. Aquí está el enlace de la hoja de Excel.

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

Pasos para calcular los valores de esos componentes

Paso 1: - Primero debemos seleccionar el diodo. Elegiremos el diodo 1N5819 ampliamente disponible. Según la hoja de datos, a 1A de corriente directa, el voltaje directo del diodo será 0.60 V.

Paso 2: - Calcularemos el usando la fórmula

Para esto, nuestro Vout es 5.5V, el voltaje directo del diodo (Vf) es 0.60V. Nuestro voltaje mínimo Vin (min) es de 3,2 V, ya que es el voltaje más bajo aceptable de una batería de una sola celda. Y para el voltaje de saturación del interruptor de salida (Vsat), es 1V (1V en la hoja de datos). Al poner todo esto junto obtenemos

(5.5 + 0.60-3.2 / 3.2-1) = 0.9 Entonces, t _ON / t _OFF = 1.31

Paso 3: - No, calcularemos el tiempo Ton + Toff, según la fórmula Ton + Toff = 1 / f

Seleccionaremos una frecuencia de conmutación más baja, 50Khz.

Entonces, Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us Entonces, nuestro Ton + Toff es 20uS

Paso 4: - Ahora calcularemos el tiempo T _off.

T _apagado = (T _encendido + T _apagado / (T _encendido / T _apagado) +1)

Como calculamos Ton + Toff y Ton / Toff anteriormente, el cálculo será más fácil ahora, Toff = 20us / 1.31 + 1 = 8.65us

Paso 5: - Ahora el siguiente paso es calcular Ton, T _encendido = (T _encendido + T _apagado) - T _apagado = 20us - 8.65us = 11.35us

Paso 6: - Tendremos que elegir el condensador de temporización Ct, que será necesario para producir la frecuencia deseada. Ct = 4.0 x ^10-5 x Tonelada = 4.0 x ^10-5 x 11.35uS = 454pF

Paso 7: - Ahora necesitamos calcular la corriente promedio del inductor o

IL (promedio). IL (promedio) = Iout (máx.) X ((T _encendido / T _apagado) +1)

Nuestra corriente de salida máxima será de 500 mA. Entonces, la corriente promedio del inductor será.5A x (1.31 + 1) = 1.15A.

Paso 8: - Ahora es el momento de la corriente de ondulación del inductor. Un inductor típico usa del 20 al 40% de la corriente de salida promedio. Entonces, si elegimos la corriente de ondulación del inductor 30%, será 1.15 * 30% = 0.34A

Paso 9: - La corriente pico de conmutación será IL (promedio) + Iripple / 2 = 1.15 +.34 / 2 = 1.32A

Paso 10: - Dependiendo de esos valores calcularemos el valor del inductor

Paso 11: - Para la corriente de 500mA, el valor de Rsc será 0.3 / Ipk. Entonces, para nuestro requisito será Rsc =.3 / 1.32 =.22 Ohms

Paso 12: - Calculemos los valores del condensador de salida.

Podemos elegir un valor de ondulación de 250 mV (pico a pico) de la salida de refuerzo.

Entonces, Cout = 9 * (0.5 * 11.35us / 0.25) = 204.3uF

Elegiremos 220uF, 12V . Cuanto más condensador se utilice, más ondulación reducirá.

Paso 13: - Por último, necesitamos calcular el valor de las resistencias de retroalimentación de voltaje. Vout = 1,25 (1 + R2 / R1)

Elegiremos el valor de R1 2k, por lo tanto, el valor de R2 será 5.5 = 1.25 (1 + R2 / 2k) = 6.8k

Calculamos todos los valores. Entonces, a continuación se muestra el esquema final:

Diagrama de circuito del convertidor de refuerzo

Componentes requeridos

1. Relimate conector para entrada y salida - 2 nos
2. Resistencia 2k - 1 nos
3. Resistencia de 6,8 k - 1 nos
4. 1N5819- 1nos
5. Condensador de 100uF, 12V y 194.94uF, 12V (se usa 220uF, 12V, valor de cierre seleccionado) 1 nos cada uno.
6. Inductor 18.91uH, 1.5A - 1 nos. (Se usa 33uH 2.5A, estaba disponible en nuestro lugar)
7. Condensador de disco cerámico de 454pF (470pF usado) 1 nos
8. 1 Batería de iones de litio o polímero de litio de celda única o celda paralela según la capacidad de la batería para problemas relacionados con el respaldo en los proyectos requeridos
9. Regulador de conmutación MC34063 IC
10. Resistencia de.24ohms (.3R, 2W usados)
11. 1 nos Veroboard (se puede utilizar vero punteado o conectado).
12. Soldador
13. Fundente para soldar y alambres para soldar.
14. Cables adicionales si es necesario.

Nota: Hemos utilizado un inductor de 33uh, ya que está disponible fácilmente con proveedores locales con una clasificación de corriente de 2.5A. También hemos utilizado una resistencia de.3R en lugar de.22R.

Después de organizar los componentes, suelde los componentes en la placa Perf

Se completa la soldadura.

Prueba del circuito del convertidor de refuerzo

Antes de probar el circuito, necesitamos cargas de CC variables para extraer la corriente de la fuente de alimentación de CC. En el pequeño laboratorio de electrónica donde estamos probando el circuito, las tolerancias de prueba son mucho más altas y debido a eso, pocas precisiones de medición no están a la altura.

El osciloscopio está calibrado correctamente, pero los ruidos artificiales, EMI y RF también pueden cambiar la precisión del resultado de la prueba. Además, el multímetro tiene tolerancias de +/- 1%.

Aquí mediremos las siguientes cosas

1. Ondulación de salida y voltaje a varias cargas de hasta 500 mA.
2. Eficiencia del circuito.
3. Consumo de corriente inactivo del circuito.
4. Condición de cortocircuito del circuito.
5. Además, ¿qué pasará si sobrecargamos la salida?

Nuestra temperatura ambiente es de 25 grados Celsius donde probamos el circuito.

En la imagen de arriba podemos ver la carga de CC. Esta es una carga resistiva y, como podemos ver, 10 resistencias de 1 ohmios en conexión en paralelo son la carga real conectada a través de un MOSFET. Controlaremos la puerta del MOSFET y permitiremos que la corriente fluya a través de las resistencias. Esas resistencias convierten la energía eléctrica en calor. El resultado consiste en un 5% de tolerancia. Además, estos resultados de carga incluyen el consumo de energía de la carga en sí, por lo que cuando no se extrae ninguna carga, mostrará 70 mA predeterminados de corriente de carga. Alimentaremos la carga desde otra fuente de alimentación y probaremos el circuito. La salida final será (Resultado - 70 mA ). Usaremos multímetros con modo de detección de corriente y mediremos la corriente. Como el medidor está en serie con la carga de CC, la pantalla de carga no proporcionará el resultado exacto debido a la caída de voltaje de las resistencias de derivación dentro de los multímetros. Registraremos el resultado del medidor.

A continuación se muestra nuestra configuración de prueba; hemos conectado la carga a través del circuito, estamos midiendo la corriente de salida a través del regulador de refuerzo, así como el voltaje de salida del mismo. Un osciloscopio también está conectado a través del convertidor elevador, por lo que también podemos verificar el voltaje de salida. Una batería de litio 18650 (1S2P - 3.7V 4400mAH) proporciona el voltaje de entrada.

Estamos extrayendo.48A o 480-70 = 410mA de corriente de la salida. El voltaje de salida es 5.06V.

En este punto, si comprobamos la ondulación pico a pico en el osciloscopio. Podemos ver la onda de salida, la ondulación es de 260 mV (pk-pk).

Aquí está el informe de prueba detallado

Tiempo (segundos)	Carga (mA)	Voltaje (v)	Ondulación (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

Cambiamos la carga y esperamos aproximadamente 3 minutos en cada paso para verificar si los resultados son estables o no. Después de una carga de 530 mA (.53 A), el voltaje se redujo significativamente. En otros casos, de 0 cargas a 500 mA, el voltaje de salida bajó.46V.

Prueba del circuito con fuente de alimentación de banco

Como no podemos controlar el voltaje de la batería, también usamos una unidad de fuente de alimentación de banco variable para verificar el voltaje de salida al voltaje de entrada mínimo y máximo (3.3-4.7V) para verificar si está funcionando o no,

En la imagen anterior, la fuente de alimentación del banco proporciona un voltaje de entrada de 3.3V. La pantalla de carga muestra una salida de 5,35 V a 350 mA de consumo de corriente de la fuente de alimentación conmutada. Como la carga es alimentada por la fuente de alimentación del banco, la visualización de la carga no es precisa. El resultado del consumo de corriente (347 mA) también consiste en el consumo de corriente de la fuente de alimentación del banco por la propia carga. La carga se alimenta mediante la fuente de alimentación del banco (12V / 60mA). Entonces, la corriente real que se extrae de la salida del MC34063 es 347-60 = 287mA.

Calculamos la eficiencia a 3.3V cambiando la carga, aquí está el resultado

Voltaje de entrada (V)	Corriente de entrada (A)	Potencia de entrada (W)	Voltaje de salida (V)	Corriente de salida (A)	Potencia de salida (W)	Eficiencia (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

Ahora hemos cambiado el voltaje a la entrada de 4.2V. Obtenemos 5.41V como salida cuando extraemos 357 - 60 = 297mA de carga.

También probamos la eficiencia. Es un poco mejor que el resultado anterior.

Voltaje de entrada (V)	Corriente de entrada (A)	Potencia de entrada (W)	Voltaje de salida (V)	Corriente de salida (A)	Potencia de salida (W)	Eficiencia
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

El consumo de corriente inactivo del circuito se registra 3.47mA en todas las condiciones cuando la carga es 0 .

Además, verificamos el cortocircuito, se observó operación normal. Después del umbral de corriente de salida máxima, el voltaje de salida se vuelve significativamente más bajo y después de cierto tiempo se acerca a cero.

Se pueden realizar mejoras en este circuito; Se puede utilizar un condensador de bajo valor ESR más alto para reducir la ondulación de salida. También es necesario un diseño de PCB adecuado.