오늘날 리튬 배터리는 전자 세계를 풍요롭게하고 있습니다. 그들은 매우 빠르게 충전 될 수 있고 좋은 백업을 제공하므로 낮은 제조 비용과 함께 리튬 배터리가 휴대용 장치에 가장 선호되는 선택입니다. 단일 셀 리튬 배터리 전압 범위는 최소 3.2V ~ 4.2V 이므로 5V 이상 이 필요한 회로에 전원을 공급하기가 어렵습니다. 이 경우 입력 전압보다 더 많은 부하 요구 사항에 따라 전압을 높이는 부스트 컨버터 가 필요합니다.
이 세그먼트에서는 많은 선택이 가능합니다. MC34063 은 이러한 부문에서 가장 널리 사용되는 스위칭 조정기입니다. MCP34063은 Buck, Boost, Inverting의 세 가지 작동으로 구성 할 수 있습니다. MC34063을 스위칭 부스트 레귤레이터로 사용 하고 500mA 출력 전류 기능으로 3.7V 리튬 배터리 전압을 5.5V로 부스트 합니다. 우리는 이전에 전압을 낮추기 위해 벅 컨버터 회로를 구축했습니다. 여기에서 많은 흥미로운 전력 전자 프로젝트를 확인할 수도 있습니다.
IC MC34063
MC34063 핀아웃 다이어그램은 아래 이미지에 나와 있습니다. 왼쪽에는 MC34063의 내부 회로가 표시되고 다른쪽에는 핀아웃 다이어그램이 표시됩니다.
MC34063 은 1 입니다. 5A 스텝 업 또는 스텝 다운 또는 반전 조정기, DC 전압 변환 속성으로 인해 MC34063은 DC-DC 컨버터 IC입니다.
이 IC는 8 핀 패키지에서 다음과 같은 기능을 제공합니다.
- 온도 보상 기준
- 전류 제한 회로
- 활성 고전류 드라이버 출력 스위치가있는 제어 된 듀티 사이클 발진기.
- 3.0V ~ 40V DC를 수용합니다.
- 2 % 허용 오차로 100KHz 스위칭 주파수에서 작동 할 수 있습니다.
- 매우 낮은 대기 전류
- 조정 가능한 출력 전압
또한 이러한 기능에도 불구하고 널리 사용 가능하며 해당 부문에서 사용 가능한 다른 IC보다 훨씬 비용 효율적입니다.
3.7V 리튬 배터리 전압을 5.5V로 높이기 위해 MC34063 을 사용 하여 승압 회로를 설계 해 보겠습니다.
부스트 컨버터의 구성 요소 값 계산
데이터 시트를 확인하면 요구 사항에 따라 필요한 값을 계산하기 위해 완전한 공식 차트가 있음을 알 수 있습니다. 다음은 데이터 시트에서 사용할 수있는 공식 시트이며 스텝 업 회로도 표시됩니다.
다음은 MC34063 과 함께 추가로 사용되는 구성 요소 값이없는 회로도 입니다.
이제 우리는 디자인에 필요한 값을 계산할 것입니다. 데이터 시트에 제공된 공식으로 계산하거나 ON Semiconductor 웹 사이트에서 제공하는 엑셀 시트를 사용할 수 있습니다. 다음은 엑셀 시트의 링크입니다.
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063%20DWS.XLS
해당 성분 값을 계산하는 단계
1 단계: 먼저 다이오드를 선택해야합니다. 널리 사용 가능한 다이오드 1N5819를 선택합니다. 데이터 시트에 따르면 1A 순방향 전류에서 다이오드의 순방향 전압은 0.60V입니다.
2 단계: 공식을 사용하여 계산합니다.
이를 위해 Vout은 5.5V이고 다이오드의 순방향 전압 (Vf)은 0.60V입니다. 최소 전압 Vin (최소)은 단일 셀 배터리에서 허용되는 최저 전압이므로 3.2V입니다. 출력 스위치 (Vsat)의 포화 전압은 1V (데이터 시트에서 1V)입니다. 이 모든 것을 합치면
(5.5 + 0.60-3.2 / 3.2-1) = 0.9 그래서, t ON / t OFF = 1.31
3 단계:- 아니요, Ton + Toff = 1 / f 공식에 따라 Ton + Toff 시간을 계산합니다.
더 낮은 스위칭 주파수 인 50Khz를 선택하겠습니다.
그래서 Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20us 그래서 우리의 Ton + Toff는 20uS입니다.
4 단계: 이제 T off 시간을 계산합니다.
T 꺼짐 = (T 켜짐 + T 꺼짐 / (T 켜짐 / T 꺼짐) +1)
이전에 Ton + Toff 및 Ton / Toff를 계산 했으므로 이제 계산이 더 쉬워 질 것입니다.
Toff = 20us / 1.31 + 1 = 8.65us
5 단계: 이제 다음 단계는 Ton을 계산하는 것입니다.
T on = (T on + T off)-T off = 20us – 8.65us = 11.35us
6 단계: 원하는 주파수를 생성하는 데 필요한 타이밍 커패시터 Ct를 선택해야합니다. Ct = 4.0 x 10 -5 x 톤 = 4.0 x 10 -5 x 11.35uS = 454pF
7 단계: 이제 평균 인덕터 전류를 계산하거나
IL (평균). IL (avg) = Iout (최대) x ((T on / T off) +1)
최대 출력 전류는 500mA입니다. 따라서 평균 인덕터 전류는.5A x (1.31 + 1) = 1.15A가됩니다.
8 단계: 이제 인덕터의 리플 전류에 대한 시간입니다. 일반적인 인덕터는 평균 출력 전류의 20-40 %를 사용합니다. 따라서 인덕터 리플 전류 30 %를 선택하면 1.15 * 30 % = 0.34A가됩니다.
9 단계: 스위칭 피크 전류는 IL (avg) + Iripple / 2 = 1.15 +.34 / 2 = 1.32A가됩니다.
10 단계:- 해당 값에 따라 인덕터 값을 계산합니다.
11 단계: 500mA 전류의 경우 Rsc 값은 0.3 / Ipk입니다. 따라서 우리의 요구 사항은 Rsc =.3 / 1.32 =.22 Ohms입니다.
12 단계:- 출력 커패시터 값을 계산해 보겠습니다 .
부스트 출력에서 250mV (피크 투 피크)의 리플 값을 선택할 수 있습니다.
따라서 Cout = 9 * (0.5 * 11.35us / 0.25) = 204.3uF
220uF, 12V를 선택합니다 . 더 많은 커패시터를 사용할수록 더 많은 리플이 감소합니다.
13 단계: 마지막으로 전압 피드백 저항 값을 계산해야합니다. Vout = 1.25 (1 + R2 / R1)
R1 값 2k를 선택하므로 R2 값은 5.5 = 1.25 (1 + R2 / 2k) = 6.8k가됩니다.
우리는 모든 값을 계산했습니다. 그래서 아래는 최종 회로도입니다.
부스트 컨버터 회로도
필수 구성 요소
- 입력 및 출력용 Relimate 커넥터-2 개
- 2k 저항-1 nos
- 6.8k 저항-1 nos
- 1N5819-1nos
- 100uF, 12V 및 194.94uF, 12V 커패시터 (220uF, 12V 사용, 종가 선택) 각각 1 개
- 18.91uH 인덕터, 1.5A-1 nos. (33uH 2.5A 사용, 우리 집에서 쉽게 구할 수있었습니다)
- 454pF (470pF 사용) 세라믹 디스크 커패시터 1 nos
- 1 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리 필요한 프로젝트의 백업 관련 문제에 대한 배터리 용량에 따라 단일 셀 또는 병렬 셀.
- MC34063 스위칭 레귤레이터 IC
- .24ohms 저항 (.3R, 2W 사용)
- 1 개의 nos Veroboard (점선 또는 연결된 vero 사용 가능).
- 납땜 인두
- 납땜 플럭스 및 납땜 와이어.
- 필요한 경우 추가 전선.
참고: 전류 정격이 2.5A 인 현지 공급 업체에서 쉽게 구할 수있는 33uh 인덕터를 사용했습니다. 또한 .22R 대신.3R 저항을 사용했습니다.
구성 요소를 정렬 한 후 Perf 보드에 구성 요소를 납땜
납땜이 완료되었습니다.
부스트 컨버터 회로 테스트
회로를 테스트하기 전에 DC 전원 공급 장치에서 전류를 끌어 오기 위해 가변 DC 부하가 필요합니다. 회로를 테스트하는 작은 전자 실험실에서는 테스트 허용 오차가 훨씬 더 높기 때문에 측정 정확도가 기준에 미치지 못합니다.
오실로스코프는 적절하게 보정되어 있지만 인공 노이즈, EMI, RF도 테스트 결과 정확도를 변경할 수 있습니다. 또한 멀티 미터의 허용 오차는 +/- 1 %입니다.
여기서 우리는 다음을 측정합니다
- 최대 500mA의 다양한 부하에서 출력 리플 및 전압.
- 회로의 효율성.
- 회로의 유휴 전류 소비.
- 회로의 단락 상태.
- 또한 출력에 과부하가 걸리면 어떻게됩니까?
우리의 실내 온도는 회로를 테스트 한 섭씨 25 도입니다.
위의 이미지에서 우리는 DC 부하를 볼 수 있습니다. 이것은 저항성 부하이며 보시다시피 병렬 연결의 10pcs 1ohm 저항은 MOSFET에 연결된 실제 부하입니다. MOSFET 게이트를 제어하고 저항을 통해 전류가 흐르도록합니다. 이러한 저항은 전력을 열로 변환합니다. 결과는 5 % 허용 오차로 구성됩니다. 또한 이러한 부하 결과에는 부하 자체의 전력 소모가 포함되므로 부하가 발생하지 않을 때 기본 70mA의 부하 전류가 표시됩니다. 다른 전원 공급 장치에서 부하에 전원을 공급하고 회로를 테스트합니다. 최종 출력은 (결과 – 70mA )입니다.. 전류 감지 모드가있는 멀티 미터를 사용하여 전류를 측정합니다. 미터가 DC 부하와 직렬로 연결되어 있으므로 멀티 미터 내부의 션트 저항기 전압 강하로 인해 부하 디스플레이가 정확한 결과를 제공하지 않습니다. 미터의 결과를 기록합니다.
아래는 테스트 설정입니다. 회로에 부하를 연결하고 부스트 레귤레이터의 출력 전류와 출력 전압을 측정합니다. 또한 오실로스코프는 부스트 컨버터를 통해 연결되므로 출력 전압도 확인할 수 있습니다. 18650 리튬 전지 (1S2P - 3.7V 4400mAH)는 입력 전압을 제공한다.
출력에서.48A 또는 480-70 = 410mA의 전류를 끌어옵니다. 출력 전압은 5.06V입니다.
이 시점에서 오실로스코프에서 피크 대 피크 리플을 확인하면됩니다. 출력 파를 볼 수 있는데 리플은 260mV (pk-pk)입니다.
자세한 테스트 보고서는 다음과 같습니다.
시간 (초) |
부하 (mA) |
전압 (V) |
리플 (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 |
부하를 변경하고 각 단계에서 약 3 분 동안 결과가 안정적인지 확인했습니다. 530mA (.53A) 부하 후 전압이 크게 떨어졌습니다. 0 부하에서 500mA까지 다른 경우에는 출력 전압이.46V로 떨어졌습니다.
벤치 전원 공급 장치로 회로 테스트
배터리 전압을 제어 할 수 없기 때문에 가변 벤치 전원 공급 장치를 사용하여 최소 및 최대 입력 전압 (3.3-4.7V)에서 출력 전압을 확인하여 작동 여부를 확인했습니다.
위의 이미지 벤치 전원 공급 장치에서 3.3V 입력 전압을 제공합니다. 부하 디스플레이는 스위칭 전원 공급 장치의 350mA 전류 소비에서 5.35V 출력을 보여줍니다. 부하가 벤치 전원 공급 장치에 의해 전원이 공급되기 때문에 부하 표시가 정확하지 않습니다. 전류 소모 결과 (347mA)는 부하 자체에 의한 벤치 전원 공급 장치의 전류 소모량으로도 구성됩니다. 부하는 벤치 전원 공급 장치 (12V / 60mA)를 사용하여 전원이 공급됩니다. 따라서 MC34063 출력에서 나오는 실제 전류는 347-60 = 287mA입니다.
부하를 변경하여 3.3V에서 효율을 계산했습니다. 결과는 다음과 같습니다.
입력 전압 (V) |
입력 전류 (A) |
입력 전력 (W) |
출력 전압 (V) |
출력 전류 (A) |
출력 전력 (W) |
효율성 (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 |
이제 전압을 4.2V 입력으로 변경했습니다. 357 – 60 = 297mA의 부하를 사용할 때 5.41V를 출력으로 얻습니다.
효율성도 테스트했습니다. 이전 결과보다 약간 낫습니다.
입력 전압 (V) |
입력 전류 (A) |
입력 전력 (W) |
출력 전압 (V) |
출력 전류 (A) |
출력 전력 (W) |
능률 |
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 |
회로의 유휴 전류 소비는 부하가 0 일 때 모든 조건에서 3.47mA로 기록됩니다 .
또한 단락을 확인하고 정상 작동이 관찰되었습니다. 최대 출력 전류 임계 값 이후에는 출력 전압이 상당히 낮아지고 일정 시간이 지나면 0에 가까워집니다.
이 회로를 개선 할 수 있습니다. 낮은 ESR 높은 값의 커패시터를 사용하여 출력 리플을 줄일 수 있습니다. 또한 적절한 PCB 설계가 필요합니다.