Преобразователь питания на MC34063
Автор: Поляников Игорь aka OldPol
Опубликовано 01.01.1970
Предлагаю вашему вниманию простой, но довольно мощный понижающий ИП.
Целью разработки было создать ИП для питания компьютера в автомобиле. Малогабаритный и с хорошими характеристиками. Простой в изготовлении, используя подручные средства, т.е. элементы от старых РС БП или мамок, от ненужной телефонной зарядки и т.д., и т.п. и возможностью вырезать плату за 20 минут бормашиной, В результате родилась такая схема.
Управляющей микросхемой выбрана МС34063, за дешевизну доступность, удобный тип корпуса и главное наличие некоторого количества их у меня. Но можно было при должном подходе умощнить таким образом, любую микросхему с аналогичными функциями. Работу схемы рассказывать нет смысла, думаю, она очевидна, Остановлюсь только на важных, на мой взгляд, моментах.
Микросхему выпускают множество производителей, в моем распоряжении было три типа, выяснилось, что образец под гордым названием КА34063 склонен возбуждаться, визуально это выражалось в свисте дросселя, хотя свои параметры с незначительным ухудшением конструкция при этом сохраняла. Эффект был устранен установкой по питанию микросхемы дроссель. Это решение не принципиально, можно было обойтись и резистором или еще лучше кренкой вольт на 6-7-8-9.
Цепочка R3-VD1-R4 в базе КТ315, это попытка сэкономить несколько миллиампер, не открывая выходной транзистор микросхемы, используем только предвыходной. Для правильного понимания ситуации смотрите описание на микросхему.
Резистор R5 компромиссный вариант между хорошим фронтом на затворе полевого транзистора и потребляемым током в этой цепи, оптимально 1К. Резистор несколько греется, необходимая мощность 0,5Вт.
Для получения наилучшего КПД, необходимо максимально открыть полевой транзистор, для этого, в этом его включении, требуется подать на затвор импульс амплитудой выше, чем Uпит вольт на 10. Необходимое для этого напряжение снимается с дросселя дополнительной обмоткой. Такой вариант показал несколько лучшие результаты, чем традиционный способ, через емкость с истока полевого транзистора.
Отдельно остановлюсь на том, что с этой схемы, в дополнение к основному Uвых можно получить любые необходимые стабилизированные напряжения любой полярности. Идея заключается в том, что в дросселе DR3 присутствует импульс со стабилизированным действующим значением равным Uвых. Используя это, снимаем необходимые нам напряжения с дросселя вторичными обмотками. Направление намотки важно. Количество витков дополнительной обмотки рассчитывается довольно просто. Например, Uвых 5в, а намотано в основной обмотке, например 10 витков, следовательно, что бы получить 10в, на дополнительной обмотке нужно намотать 20витков.
Преобразователь предназначался, как я ранее говорил для питания компьютера в автомобиле. В одном из зксперементальных вариантов я с него получали 5В и дополнительно 12В 800ма для питания монитора по способу как на схеме >Uвых. Идея себя отлично оправдала. при Uвх от 6 до 29 вольт выходные напряжения оставались неизменными. Но решено было отказаться от такого питания монитора из соображений лишнего тепловыделения преобразователем. Стоит оговориться, что без нагрузки на Uвых идея не работает, в силу того, что микросхема выдает очень короткий импульс, годный только для зарядки выходного электролита до Uвых. Но при нагрузке уже в 0,1А все встает на свои места.
Фильтр по питанию в данный преобразователь сознательно не ставился. Для питания магнитолы монитора и компьютера у меня стоят дополнительный маленький аккумулятор выполняющий роль UPS и развязка с фильтрами на каждое из устройств, ставить еще один фильтр не было смысла.
Параметры схемы:
КПД 89%.
Uвх 6-40В (40в теоретически, реально пробовал до 29В, но не вижу причин схеме не работать и при напряжении до Vcc max микросхемы)
Uвых выбираем исходя из ваших потребностей. Задается делителем на резисторах R1 R2, они должны при вашем Uвых обеспечить на 5й ножке микросхемы 1.25В. И соответственно необходимо подобать число витков на дополнительной обмотке дросселя. Выходной ток, определятся только элементами VT2 VD3 DR3, и подходящим радиатором, для диода и транзистора. Конструкция рассчитывалась на ток нагрузки до 10А., но при экспериментах, в данном варианте преобразователь нагружался и до 20А, прекрасно выдерживал этот ток десятки минут. Правда, с падением КПД на пару процентов. Для долговременной работы с такой нагрузкой как минимум необходимо увеличить размер радиатора для силовых элементов.
Потребляемый ток без нагрузки менее 25мА
Конструкция:
Плата в зеркальном виде под ЛУТ. размер 34Х84 мм.
MC34063 datasheet по-русски.
Рынок электроники сегодня предоставляет много вариантов микросхем для стабилизации и преобразования напряжения. Я остановлюсь на самом пожалуй распространенном контроллере серии 34063. Эта микросхема хороша тем что она доступна, на её базе легко изучить устройство и работу шим контроллеров. Сама микросхема копеечная так что если в ходе работы вы спалите пару штук, то будет не жалко. Для MC34063 есть в сети много удобных калькуляторов где легко рассчитать нужные параметры вашего устройства.
У MC34063 масса аналогов, и даже есть отечественный – КР1156ЕУ5.
Диапазон рабочих напряжений MC34063 от 3 до 40 вольт.
Коммутируемый ток ключа MC34063 до 1.5 А.
Данный контроллер почти так же популярен как таймер 555 серии.
Собирая данное устройство вы получите массу опыта в налаживании подобных устройств и в дальнейшем перейдёте к более сложным схемам.
Для запуска контроллера в работу потребуется сама микросхема MC34063, индуктивность, диод, пару конденсаторов на 100 – 500 мкф, и 3 – 4 резистора.
Теперь о том как это всё работает:
Смотрим на 1 схему step-down, это работает почти как обычный шим стабилизатор.
Данное включение MC34063 реализует только понижение входного напряжения !
При уравнивании или снижении входного напряжения ниже заданного выходного, ключевой транзистор открывается и мы имеем прямой переток напряжения через ключ и индуктивность к выходу устройства.
Индуктивность и емкость в выходной цепи образуют фильтр.
При открытии ключа дроссель набирает энергию. При закрытии ключа микросхемы, обратная ЭДС дросселя фильтра разряжается через диод и конденсатор Co. Данный цикл постоянно повторяется с заданной частотой. Такая схема хорошо подходит для того что бы снизить напряжение например с 12- 9 вольт на 5 или 3.3 вольта. Есть вариант поставить для этих целей обычный стабилизатор типа 7805. Но это не очень практично.
Допустим вы снижайте напряжение батареи крона через линейный стабилизатор до 5 вольт, тут вы теряйте на нагреве стабилизатора почти 50% энергии, а если вам нужно 3.3 вольта то на нагрев уйдёт уже 70%, это уже не лезет ни в какие ворота .
А если то же самое проделать с шим контроллером то потери упадут до 13%,
плюс радиатор вам не понадобится. КПД данного вида преобразователя 87%.
В реалии при замере у меня MC34063 в работе кушает 2-3 мА. По паспорту 4 мА, что возможно так же зависит от производителя микросхемы.
Едем дальше. Стабилизирует схема выходное напряжение, с помощью делителя на двух резисторах R1;R2 подключенных к 5 выводу микросхемы. Как только напряжение на 5 выводе превысит 1.25 вольта, компаратор переключит тригер и ключ микросхемы закроется. Так ограничивается рост напряжения на выходе устройства.
Меняя номиналы этих резисторов можно задавать напряжение выхода.
На практике часто ставится переменный резистор, средняя точка которого идёт к 5 выводу MC34063, а крайние выводы подключаются один к земле другой к выходному напряжению.
Резистор Rsc между 7 и 6 выводами задаёт максимальный ток ключа микросхемы. Защита срабатывает когда между выводами 7 и 6 напряжение подымается более 0.3 вольта.
На 3 выводе MC34063 стоит конденсатор задающий частоту внутреннего генератора.
Максимальная частота по паспорту 100 кГц. Чем меньше индуктивность тем больше нужно частоту и наоборот.
Теперь рассмотрим схему 2 включения MC34063, Step-Up.По нашему, это преобразователь на обратной ЭДС .
Импульсный регулятор напряжения MC34063A (полный российский аналог КР1156ЕУ5) – специально разработанная микросхема для DC-DC преобразователей с минимальным количеством внешних элементов. Микросхема MC34063A применяется в импульсных источниках питания со входным напряжением от 3 до 40В и выходным током до 1,5А:
повышающих (Step-up converter)
понижающих (Step-down converter)
инвертирующих (Voltage inverting converter).
На практике приходилось встречаться только с вариантами источников питания
повышающих – Феликс 02К, цепь формирования 24В из 12В
понижающих – практически все фискальные регистраторы работающие от 24В, принтеры этикеток и прочее оборудование, где входное напряжение питания больше 5 вольт. Поэтому будем рассматривать только первые два варианта использования микросхемы MC34063A.
Рекомендуемая литература.
- Datasheet MC34063A на английском (скачать).
- Описание работы КР1156ЕУ5 (аналог MC34063A) на русском (cкачать).
- И.Л. Кольцов «33 схемы на КР1156ЕУ5» (скачать).
- Документ AN920/D. В данном документе приведены формулы для расчета преобразователей DC-DC на базе микросхемы MC34063. Рассмотрен принцип работы. (скачать).
Общее описание.
Мощный электронный ключ на составном транзисторе (VT1 и VT2), который соединен со схемой управления. На нее поступают импульсы синхронизации от генератора, скважность которых зависит от сигнала схемы ограничения по току. Также на схему управления подается сигнал обратной связи с компаратора. Он производит сравнение напряжения обратной связи с напряжением внутреннего источника опорного напряжения. Стабильность параметров выходного напряжения микросхемы полностью обеспечивает источник опорного напряжения, т.к. его напряжение не зависит от изменений температуры окружающей среды и колебания входного напряжения.
Рис. Расположение выводов (pinout) MC34063A
Switch Collector (VT1) Коллектор выходного транзистора.
Switch Emitter (OUT) Эмиттер выходного транзистора.
Timing Capacitor (OSC) Вывод для подключения времязадающего конденсатора.
Ground (Gnd) Общий вывод.
Comparator Inverting Input (CMP) Вход компаратора – инвертирующий .
Vcc (Uin) Напряжение питания (3. 40В).
Ipk Sense (Rt) Вход схемы ограничения тока, сюда подключается токоограничивающий резистор. Ipk пиковый ток через индуктивность, где Ipk Схема подключения.
Микросхема МС34063A имеет два входа, которые можно использовать для стабилизации тока.
Один вход имеет пороговое напряжение 1.25В (5 нога), что для мощной нагрузки не выгодно из-за потерь мощности. Например, при токе 1000 мА имеем потери на резисторе-датчике тока величиной 1.25*1А=1.25Вт, что сопоставимо с потерями мощности на линейном стабилизаторе.
Второй вход микросхемы имеет пороговое напряжение 0.3В (7 нога), и предназначен для защиты встроенного транзистора от перегрузки по току.
Рис. Схема понижения (Step-down converter)
Рис. Схема повышения (Step-up converter)
С2– конденсатор задающий частоту преобразования.
VD1 – быстродействующий диод, практически вся схема зависит от быстродействия этого диода. При использовании диодов Шотки, диод должен выдерживать обратное напряжение вдвое превышающее выходное напряжение.
R1 – Токовый датчик, задает максимальный ток на выходе стабилизатора. При превышении максимального тока – микросхема отключится, фактически является защитой от короткого замыкания (перегрузки) на выходе. Обладает довольно большой рассеиваемой мощностью, от 0,5 Вт до 2Вт, на практике иногда выглядит в виде нескольких параллельно включенных резисторов.
 |
Важное замечание! Опорное напряжение токового входа микросхемы 34063 различается у разных корпусов, с разбросами от 0,25В до 0,45В. . Стандартные расчеты принимаются для опорного напряжения 0,3В. Таким образом если напряжение на шунте станет выше чем 0.3 вольта, микросхема 34063 отключится. (Например резистор R1=1 Ом, тогда при достижении U=1 Ом*0,3А=0,3В сработает защита по току и микросхема отключится. На практике это означает, что при значении резистора R1=1 Ом выходной ток источника питания будет 0,3А).
R2, R3 — делитель напряжения, с помощью которого задается выходное напряжение.
Рис. Выходное напряжение, формула расчета.
Фильтр рассмотрим отдельно, так как именно фильтр является слабым звеном при эксплуатации.
L1 – накопительная и фильтрующая индуктивность. Данную индуктивность настоятельно не рекомендуется уменьшать, так же именно эта индуктивность задает выходной ток, поэтому толщина провода довольно критичный параметр. На практике такая схема фильтра довольно редкое явление, как правило ставится второй LC фильтр, индуктивности включаются встречно.
С3 – принцип такой же как у катушки индуктивности. Несмотря на расчеты, если нет ограничения по размерам, конденсатор на 470 мкФ увидеть здесь довольно редкое явление. А вот конденсатор на 1000 мкФ здесь общепринятый стандарт (рассматриваем схемы Uвх=24В, Uвых=5В). Конденсатор должен быть LOW ESR, однако на практике это довольно редкое явление, ставится обычный конденсатор. Хотя если поднять оборудование 2000-2002 г.в. то там можно встретить LOW ESR конденсаторы в фильтре. Некоторые производители ставят в параллель ВЧ конденсатор, однако это довольно спорное решение.
|
Конденсатор фильтра для понижающих (Step-down converter) источников питания не является обязательным элементом, при достаточно большой индуктивности фильтра.