現代では、リチウム電池はエレクトロニクスの世界を豊かにしています。それらは非常に速く充電でき、優れたバックアップを提供します。これは、製造コストが低いことに加えて、リチウム電池をポータブルデバイスに最も適した選択肢にします。単セルリチウム電池の電圧範囲は最小3.2電圧から4.2Vであるため、5V以上を必要とする回路に電力を供給することは困難です。このような場合、入力電圧よりも、負荷要件に従って電圧をブーストするブーストコンバータが必要です。
このセグメントでは多くの選択肢があります。MC34063は、このようなセグメントで最も人気のあるスイッチングレギュレータです。MCP34063は、バック、ブースト、反転の3つの操作で構成できます。スイッチングブーストレギュレータとしてMC34063を使用し、500mAの出力電流機能で3.7Vのリチウム電池電圧を5.5Vにブーストします。以前、電圧を下げるためにバックコンバータ回路を構築しました。ここでは、多くの興味深いパワーエレクトロニクスプロジェクトを確認することもできます。
IC MC34063
MC34063のピン配置図を下の画像に示します。左側にはMC34063の内部回路が示され、反対側にはピン配置図が示されています。
MC34063は1です。5A DC電圧変換特性により、レギュレータをステップ アップまたはステップ ダウンまたは反転し ます。MC34063はDC-DCコンバータICです。
このICは、8ピンパッケージで次の機能を提供します-
- 温度補償リファレンス
- 電流制限回路
- アクティブな大電流ドライバ出力スイッチを備えた制御デューティサイクル発振器。
- 3.0V〜40VDCを受け入れます。
- 2％の許容誤差で100KHzのスイッチング周波数で動作できます。
- 非常に低いスタンバイ電流
- 調整可能な出力電圧
また、これらの機能にもかかわらず、広く利用可能であり、そのようなセグメントで利用可能な他のICよりもはるかにコスト効率が高いです。
MC34063を使用して、3.7Vのリチウム電池電圧を5.5Vにブーストするステップアップ回路を設計しましょう。
ブーストコンバーターのコンポーネントの値の計算
データシートを確認すると、要件に従って必要な値を計算するための完全な数式チャートが存在することがわかります。これはデータシート内で利用可能な式シートであり、ステップアップ回路も示されています。
ここでこれらのコンポーネントの値、無し概略でさらに使用されるMC34063は。
次に、設計に必要な値を計算します。データシートに記載されている計算式から計算することも、オン・セミコンダクターのウェブサイトに記載されているエクセルシートを使用することもできます。こちらがエクセルシートのリンクです。
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063%20DWS.XLS
これらのコンポーネント値を計算する手順
ステップ1：-最初にダイオードを選択する必要があります。広く入手可能なダイオード1N5819を選択します。データシートによると、1Aの順方向電流では、ダイオードの順方向電圧は0.60Vになります。
ステップ2：-式を使用して計算します
このため、Voutは5.5V、ダイオードの順方向電圧（Vf）は0.60Vです。最小電圧Vin（min）は3.2Vです。これは、シングルセルバッテリーからの最低許容電圧です。また、出力スイッチの飽和電圧（Vsat）は、1V（データシートでは1V）です。これをすべてまとめると、
（5.5 + 0.60-3.2 / 3.2-1）= 0.9したがって、t ON / t OFF = 1.31
ステップ3：-いいえ、式Ton + Toff = 1 / fに従って、Ton + Toff時間を計算します。
より低いスイッチング周波数、50Khzを選択します。
つまり、Ton + Toff = 1 / 50Khz = 20usですから、Ton + Toffは20uSです。
ステップ4：-次に、Tオフ時間を計算します。
Tオフ=（Tオン+ Tオフ/（Tオン/ Tオフ）+1）
以前にTon + ToffとTon / Toffを計算したので、計算が簡単になります。
Toff = 20us / 1.31 + 1 = 8.65us
ステップ5：-次のステップはトンを計算することです、
Tオン=（Tオン+ Tオフ）-Tオフ= 20us – 8.65us = 11.35us
ステップ6：-タイミングコンデンサCtを選択する必要があります。これは、目的の周波数を生成するために必要です。CT = 4.0×10 -5 Xトン= 4.0×10 -5 X 11.35uS = 454pF
ステップ7：-次に、平均インダクタ電流を計算する必要があります。
IL（平均）。IL（avg）= Iout（max）x（（T on / T off）+1）
最大出力電流は500mAになります。したがって、平均インダクタ電流は.5A x（1.31 + 1）= 1.15Aになります。
ステップ8：- インダクタのリップル電流の時間です。一般的なインダクタは、平均出力電流の20〜40％を使用します。したがって、インダクタのリップル電流を30％にすると、1.15 * 30％= 0.34Aになります。
ステップ9：-スイッチングピーク電流はIL（avg）+ Iripple / 2 = 1.15 +.34 / 2 = 1.32Aになります
ステップ10：-これらの値に応じて、インダクタ値を計算します
ステップ11： -500mA電流の場合、Rsc値は0.3 / Ipkになります。したがって、私たちの要件では、Rsc =.3 / 1.32 =.22オームになります
ステップ12：-出力コンデンサの値を計算してみましょう
ブースト出力から250mV（ピークツーピーク）のリップル値を選択できます。
したがって、Cout = 9 *（0.5 * 11.35us / 0.25）= 204.3uF
220uF、12Vを選択します。使用するコンデンサが多いほど、リップルが減少します。
ステップ13：-最後に、電圧フィードバック抵抗値を計算する必要があります。Vout = 1.25（1 + R2 / R1）
R1値2kを選択するため、R2値は5.5 = 1.25（1 + R2 / 2k）= 6.8kになります。
すべての値を計算しました。したがって、以下が最終的な回路図です。
ブーストコンバータ回路図
必要なコンポーネント
- 入力および出力用のリリメートコネクタ-2つの番号
- 2k抵抗-1個
- 6.8k抵抗-1個
- 1N5819-1nos
- 100uF、12Vおよび194.94uF、12Vコンデンサ（220uF、12Vが使用され、近い値が選択されています）各1個。
- 18.91uHインダクタ、1.5A-1個 （33uH 2.5Aが使用されており、私たちの場所ですぐに入手できました）
- 454pF（470pF使用）セラミックディスクコンデンサ1個
- 1リチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリー必要なプロジェクトのバックアップ関連の問題のバッテリー容量に応じて、シングルセルまたはパラレルセル。
- MC34063スイッチングレギュレータIC
- .24オームの抵抗（.3R、2Wを使用）
- 1つのベロボード（点線または接続されたベロを使用できます）。
- はんだごて
- はんだ付けフラックスとはんだ付けワイヤー。
- 必要に応じて追加のワイヤー。
注：定格電流2.5Aのローカルベンダーで簡単に入手できる33uhインダクタを使用しました。 また、 .22Rの代わりに.3R抵抗を使用しました。
コンポーネントを配置した後、パフォーマンスボードにコンポーネントをはんだ付けします
はんだ付けが完了しました。
ブーストコンバータ回路のテスト
回路をテストする前に、DC電源から電流を引き出すための可変DC負荷が必要です。回路をテストしている小さな電子機器ラボでは、テストの許容誤差がはるかに高く、そのため、測定精度が基準に達していないものはほとんどありません。
オシロスコープは適切に校正されていますが、人工ノイズ、EMI、RFもテスト結果の精度を変える可能性があります。また、マルチメータの許容誤差は+/- 1％です。
ここでは、以下のことを測定します
- 最大500mAのさまざまな負荷での出力リップルと電圧。
- 回路の効率。
- 回路のアイドル消費電流。
- 回路の短絡状態。
- また、出力をオーバーロードするとどうなりますか？
回路をテストしたときの室温は摂氏25度です。
上の画像では、DC負荷を確認できます。これは抵抗性負荷であり、ご覧のとおり、並列接続された10個の1オーム抵抗器がMOSFETの両端に接続された実際の負荷です。MOSFETゲートを制御し、抵抗器に電流を流します。これらの抵抗器は、電力を熱に変換します。結果は5％の許容誤差で構成されます。また、これらの負荷結果には、負荷自体の消費電力が含まれているため、負荷が発生していない場合は、デフォルトの70mAの負荷電流が表示されます。他の電源から負荷に電力を供給し、回路をテストします。最終出力は（結果– 70mA ）になります。電流検出モードのマルチメータを使用して、電流を測定します。メーターはDC負荷と直列に接続されているため、マルチメーター内のシャント抵抗の電圧降下により、負荷表示は正確な結果を提供しません。メーターの結果を記録します。
以下はテストのセットアップです。回路の両端に負荷を接続し、ブーストレギュレータの両端の出力電流とその出力電圧を測定しています。ブーストコンバータの両端にもオシロスコープが接続されているので、出力電圧も確認できます。18650リチウム電池（1S2P - 3.7V 4400mAH）は、入力電圧を提供しています。
出力から.48Aまたは480-70 = 410mAの電流を引き出しています。出力電圧は5.06Vです。
この時点で、オシロスコープでピークツーピークリップルを確認するとします。出力波を見ることができ、リップルは260mV（pk-pk）です。
これが詳細なテストレポートです
|
時間 （秒） |
負荷（mA） |
電圧（V） |
リップル（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 |
負荷を変更し、各ステップで約3分間待って、結果が安定しているかどうかを確認しました。530mA（.53A）の負荷の後、電圧は大幅に低下しました。その他の場合、0負荷から500mAまで、出力電圧は.46V低下しました。
ベンチ電源を使用した回路のテスト
バッテリー電圧を制御できないため、可変ベンチ電源ユニットを使用して、最小および最大入力電圧（3.3〜4.7V）での出力電圧をチェックし、動作しているかどうかをチェックしました。
上の画像では、ベンチ電源が3.3Vの入力電圧を供給します。負荷表示は、スイッチング電源からの350mAの電流引き込みで5.35Vの出力を示しています。負荷はベンチ電源から電力が供給されるため、負荷の表示は正確ではありません。電流引き込みの結果（347mA）は、負荷自体によるベンチ電源からの電流引き込みも含みます。負荷はベンチ電源（12V / 60mA）を使用して電力が供給されます。したがって、MC34063出力から引き出される実際の電流は347-60 = 287mAです。
負荷を変えて3.3Vでの効率を計算しました。結果は次のとおりです。
|
入力電圧（V） |
入力電流（A） |
入力 電力（W） |
出力 電圧（V） |
出力 電流（A） |
出力電力（W） |
効率（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 |
これで、電圧を4.2V入力に変更しました。357 – 60 = 297mAの負荷を引き出すと、出力として5.41Vが得られます。
また、効率をテストしました。前の結果より少し良くなっています。
|
入力電圧（V） |
入力電流（A） |
入力 電力（W） |
出力 電圧（V） |
出力 電流（A） |
出力電力（W） |
効率 |
|
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 |
回路のアイドル消費電流は、負荷が0のときのすべての条件で3.47mAと記録されます。
また、短絡をチェックし、正常な動作が観察されました。最大出力電流しきい値の後、出力電圧は大幅に低下し、一定時間後にゼロに近づきます。
この回路を改善することができます。低ESRの高い値のコンデンサを使用して、出力リップルを減らすことができます。また、適切なPCB設計が必要です。