MC34063A: Почему я разгоняю этот чип?

Я решил получить некоторый опыт работы с преобразователями постоянного тока и приобрел преобразователь постоянного тока Onsemi MC34063A . Из документации я получил технический паспорт , то AN920 приложение к сведению и электронную таблицу Excel . В техническом описании упоминается еще одно замечание по применению, AN954 / D, но я не могу найти его где-либо.

Идея состояла в том, чтобы понизить напряжение от 12 В до 5 В с токами до 500 мА и пульсациями 50 мВ. Поэтому я прочитал формулы в техническом описании, примечании к приложению и рабочем листе и провел некоторые вычисления.

Я взял $V_{sat}=1.3 \mbox{ } V$ из максимального значения таблицы, я использую 1N5817, поэтому на 1 A, $V_{F}=0.45\mbox{ } V$минимальное входное напряжение, если я возьму изменение в 10%, $V_{in(min)}=10.8 \mbox{ } V$, выходное напряжение $V_{out}=5 \mbox{ } V$, Используя формулу из таблицы, это дает мне$\frac{t_{on}}{t_{off}}=1.21$, Я выбрал частоту для преобразователя 89 кГц, потому что она должна$220 \mbox{ } pF$конденсатор, но об этом позже. Следующий,$t_{on}+t_{off}=11.24 \mbox{ } \mu s$ что дает мне $t_{off}= 5.09 \mbox{ } \mu s$ а также $t_{on}=6.15 \mbox{ } \mu s$, Все это дает мне$C_t=246 \mbox{ } pF$так что я буду использовать $220 \mbox{ } pF + 22 \mbox{ } pF=242 \mbox{ } pF$, Далее у меня есть$I_{pk(swich)}=1 \mbox{ } A$, Смысл резистор$R_{sc}=0.3 \mbox{ } \Omega$так что буду использовать 3 раза 1 $\Omega$резистор и подключите их параллельно. Далее идет минимальная индуктивность$L_{(min)}=28 \mbox { } \mu H$, Далее есть выходной конденсатор$C_o=28.1 \mbox{ } \mu F$, Наконец есть выходные резисторы. Формула$V_{out}=1.25(\frac{R_2}{R_1}+1)$, Я выбрал 4 раза$10 \mbox{ } k \Omega$резисторы. Один для$R_1$ и 3 в серии для $R_2$,

Теперь давайте посмотрим на примечание к приложению и посмотрим, сделали ли они что-то другое: ну, формула для $R_{sc}$ немного отличается и дает мне $0.263 \mbox{ } \Omega$ как минимальное значение чувствительного резистора.

Теперь давайте посмотрим на лист Excel: новый параметр $\frac { \Delta I_{L} } {I_{l(avg)} }$ появляется там и рабочий лист говорит:

Для максимального выходного тока предлагается, чтобы значение ΔIL было выбрано так, чтобы оно составляло менее 10% от среднего тока индуктивности, IL (avg). Это поможет предотвратить достижение Ipk (sw) порога ограничения тока, установленного RSC. Если целью проектирования является использование минимального значения индуктивности, пусть ΔIL = 2 * IL (avg). Это пропорционально уменьшит выходной ток.

Ну, я не уверен, что здесь делать, но высокий выходной ток звучит неплохо, поэтому я установил его на 6%, а рабочий лист дает мне минимальную индуктивность $920 \mbox{ } \mu H$, Случилось так, что у меня есть индуктор 1 мГн в моем мусорном ящике ( DPO-1.0-1000 ), поэтому я решил использовать его.

Наконец, у меня есть схема:

Теперь, если я правильно понимаю работу этого устройства, синхронизирующий конденсатор используется для обеспечения синхронизации, которая подается на индуктор по мере необходимости. Если на сенсорном резисторе слишком высокое напряжение (то есть условие перегрузки по току) или потребление слишком низкое, часы пропускаются. Насколько я вижу, у самого чипа не должно быть возможности изменять частоту, установленную конденсатором.

Кажется, у меня проблема с частотой переключения и тем, как она меняется с нагрузкой. В документации сказано, что регулятор работает до 100 кГц, и я вижу некоторые странные результаты на осциллографе. Я измеряю форму волны на диоде и конденсаторе синхронизации.

Вот как это выглядит без нагрузки:

Насколько я знаю, этот тип волны должен появляться, потому что регулятор пропускает циклы, и он должен быть нормальным.

Затем у меня есть нагрузка с некоторыми светодиодами, тянущими около 200 мА.

Обратите внимание, что частота немного высока. Я ожидал 89 кГц и ниже (так как схема находится на макете, и я ожидаю, что там будет паразитная емкость от соседних рядов), но это 99,6 кГц, что прямо на пределе нормальной работы.

Вот что происходит, когда я подключаю плату микроконтроллера с мигающими светодиодами. Частота более чем в два раза превышает максимальную рабочую частоту регулятора.

Используя $1 \mbox{ } \Omega$резистор и другой источник питания, я определил, что максимальный мгновенный ток от этой платы составляет 294 мА, поэтому он находится в пределах предела 500 мА, для которого я разработал это. Пульсация на выходе составляет от пика до пика 680 мВ, поэтому кажется, что он более или менее в порядке, а напряжение около 4,9 В, так что мне это кажется более или менее нормальным.

Так что есть идеи, что здесь происходит с частотой? Я пробовал использовать разные конденсаторы синхронизации, и все они работают одинаково, и ни один из них не дает мне расчетную частоту.

ОБНОВИТЬ

Вот осциллограмма выхода с использованием заземляющего разъема пружинного типа и оголенного наконечника зонда, синхронизированного с пиком наибольшей величины:

ОБНОВИТЬ

Что касается частоты, я нашел около 10 Ω керамических резисторов и попытался зарядить источник питания одним из них (что должно дать мне нагрузку 500 мА), но я все еще получаю высокие частоты, и, похоже, это как-то связано с ограничением тока от что я могу видеть Когда я подключаю резистор, максимальный ток, который я могу получить, составляет около 370 мА. Я экспериментировал с различными значениями сенсорных резисторов, и с увеличением сопротивления сенсорных резисторов частота увеличивается.

Вот пример $C_t$ Форма волны с резистором 1 Ом:

а вот с чувствительным резистором 0,5 Ом:

Макет может вызывать проблемы, проверьте ваш макет (особенно раздел обратной связи)

Кроме того, возможно, что индуктор, который вы используете, не подходит - он говорит, что он рассчитан только на 100 кГц, поэтому его SRF (собственная частота), вероятно, довольно низка. Это может быть причиной нестабильности.
Попробуйте изменить его на один с более высоким значением SRF (например,> 500 кГц), но с подходящей токовой нагрузкой.

Я упомянул ограничитель вывода ниже, но Абдулла прав насчет важности ограничения ввода. Это зависит от нагрузки, но вся петля от входа к выходу должна быть как можно меньше и с низким импедансом, в идеале, с использованием заземляющей плоскости. На макете это "сложно" ;-)
Если проблема с частотой отсутствует при постоянной нагрузке, я думаю, что, как сказал Кит, это проблема с фильтрацией выходного сигнала, поскольку коммутатор не будет достаточно быстрым, чтобы адаптироваться к высоким изменениям di / dt на выходе и нет «резерва». Увеличьте емкость выходного фильтра и посмотрите, падает ли пульсация, если это так, то это почти наверняка проблема.

РЕДАКТИРОВАТЬ - Ах, я вижу, вы попробовали это с резистором на выходе.
В таком случае может показаться, что это не фильтрация. На данный момент, я думаю, я бы использовал другой метод прототипирования, который больше подходит для переключающего регулятора. Также используйте другой чип на всякий случай.
Либо вытравите доску, либо используйте стиль «мертвая ошибка», либо доску с очень осторожным вниманием к макету. Если частота все еще слишком высока, я бы предположил, что она является частью его работы и неправильно описана в таблице данных - если это так, то электронное письмо в OnSemi предназначено для того, чтобы увидеть, что они говорят.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2 - Хорошо, после прочтения, я думаю, что сенсорный резистор (возможно, в сочетании с упомянутой выше проблемой индуктивности) может вызывать слишком частое срабатывание датчика тока и увеличивать наклон зарядки конденсатора синхронизации. Вероятно, это будет выглядеть так, как будто генератор переключается быстрее.
Соответствующая цитата из заметки приложения:

Когда это напряжение становится больше 330 мВ, схема ограничения тока обеспечивает дополнительный путь тока для зарядки синхронизирующего конденсатора CT. Это заставляет его быстро достигать верхнего порога генератора, тем самым сокращая время проводимости выходного переключателя и, таким образом, уменьшая количество энергии, запасаемой в индуктивности. Это можно наблюдать как увеличение наклона зарядной части формы волны напряжения ТТ, как показано на рисунке 5.

Похоже, что ваши осциллографические сигналы согласуются с этим описанием. Кроме того, если вы не пытались заменить индуктор, сделайте это и посмотрите, как он работает, плюс вы можете попытаться не использовать текущее значение (т.е. просто подключиться к входному напряжению)

Моим лучшим предположением будет количество выходной фильтрации или, возможно, размер R_sc.

Обратите внимание, что компаратор возвращается обратно в ворота и, которые управляют переключателем в вашей схеме. Если ток нагрузки изменяется и это вызывает колебания в контуре обратной связи по напряжению, вы можете создать виртуальное увеличение частоты ШИМ. Я не совсем успеваю нарисовать для вас полный график, но в основном, если из-за увеличения тока в нагрузке включается переключатель (то есть, если вы одновременно включаете несколько светодиодов), но затем вы быстро включаете их обратно. на, это будет накладываться поверх ШИМ на 99,4 кГц и заставлять частоту переключения выглядеть намного выше.

Другая вещь, которую вы можете попробовать, - сделать R_sc слишком большим и посмотреть, как выглядит форма волны при действительно последовательной нагрузке. Как вы сказали, частота ШИМ не должна изменяться, и при вытягивании нагрузочный цикл должен медленно увеличиваться, поскольку разница между выходным напряжением и входным напряжением должна приближаться к 0 при достижении максимального напряжения. Таким образом, вся энергия рассеивается в резисторе, а не в переключающем преобразователе при максимальном потреблении. У меня была причина, я думал, что это может быть проблемой, но я буду честен, я думаю, что это первое.

Надеюсь, это поможет! Удачи!

При работе с переключателями режима переключения следует обратить внимание на высокий $\dfrac{di}{dt}$дорожки цепи. Чтобы определить эти проблемные пути, можно использовать диаграмму топологии и нарисовать ее состояния. Давайте посмотрим на принципиальную схему для понижающего преобразователя, в различных состояниях коммутатора:

Красные линии обозначают высокий ток. Вы можете видеть, что некоторые детали остаются КРАСНЫМИ в обоих положениях переключателя, а некоторые детали меняют цвет. Те, которые изменяют цвет, являются проблемными путями, потому что ток, протекающий через них, изменяется, когда переключатель меняет положение. Это означает, что они высоки$\dfrac{di}{dt}$части схемы, и требуют осторожности при разработке макета. Посмотрите на этот пост о том, как влияет индуктивность при сильном изменении тока во времени. Так что делать?

• Укоротить и расширить след, следовательно уменьшить индуктивность. Однако не делайте его шире, чем должно быть, иначе вы создадите большую антенну для EMI. Сделайте его достаточно широким, чтобы он мог нести необходимый ток.
• Если эти следы подключены к ЗАЗЕМЛЕННОЙ сети, постарайтесь не допустить, чтобы они работали на плоскости заземления или на заземляющей шине макета в максимально возможной степени. Единственный подходящий путь для этого сценария - это путь от анода диода к заземляющему выводу входного конденсатора. Подключите его напрямую и в ближайшее время .

Кроме того, некоторые вещи, которые вы видите в области действия, на самом деле не находятся в самой схеме. Они вызваны длинным заземлением провода зонда. Сократите это так:

Ресурс: Руководство по компоновке печатных плат от National Semiconductor

Я опоздал на 7 лет, но я должен добавить свой ответ для других, кто сталкивался с этой проблемой: очень высокая пульсация 680 мВ (если вы не опечатали ее) на выходе мне кажется, что ваш Co (выходной конденсатор) либо неисправен, либо не относится к типу с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением). ESR - это «сопротивление» конденсатора, наблюдаемое на высоких частотах. Если ваш конденсатор рассчитан на 85 ° C, он, скорее всего, является крышкой с высоким ESR и не подходит для переключения источников питания. Колпачки с низким ESR обычно рассчитаны как минимум на 105 ° C, хотя высоковольтные (выше 100 В) обычно остаются при 85 ° C и, кажется, хороши, учитывая более высокое соотношение напряжения и тока при более высоких напряжениях. Я удивлен, что никто здесь не предложил или даже упомянул такую ​​возможность.