Σχεδιάζοντας έναν DC-DC converter.

Σημείωση: Τα παρακάτω αποτελούν εκπαιδευτικό βοήθημα για αρχάριους και σε καμία περίπτωση δεν απευθύνεται σε επαγγελματίες σχεδιαστές κτλ.

Σε προηγούμενα άρθρα (ΕΔΩ, ΕΔΩ και ΕΔΩ) είδαμε πως περίπου λειτουργούν οι βασικές τοπολογίες μετατροπέων ενέργειας (DC-DC converters). Θα δούμε τώρα πως μπορούμε να σχεδιάσουμε έναν απλό DC-DC μετατροπέα.

DSC01795

Ο πλέον απλός και σίγουρος (να κάνει αυτό που θέλουμε) τρόπος να σχεδιάσουμε έναν DC-DC converter είναι με την χρήση ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος ειδικά σχεδιασμένου για τον σκοπό αυτόν. Τέτοια ολοκληρωμένα κυκλώματα υπάρχουν πάρα πολλά. Αν για παράδειγμα πάμε σε κάποιο site με παραμετρική εύρεση εξαρτημάτων, για παράδειγμα στο DigiKey.com, και επιλέξουμε DC-DC Switching Regualtors, οι επιλογές είναι πάμπολλες.

Ένα από τα ποιο δημοφιλή (ίσως το πιο γνωστό) τέτοια κυκλώματα είναι το MC34063 της ON Semiconductor. Το MC34063 είναι ένας Switching DC-DC μετατροπέας που μπορεί να λειτουργήσει σαν Buck, Boost ή Inverting (αναστροφέας τάσης) μετατροπέας.

Θα σχεδιάσουμε έναν Buck (ή Step-Down) μετατροπέα. Θέλουμε ο μετατροπέας μας να συνδέεται στον “αναπτήρα” ενός οχήματος και να μας βγάζει τάση για την φόρτιση ενός κινητού. Θέλουμε λοιπόν είσοδο 12 volts, έξοδο 5 volts με ρεύμα εξόδου 500 mA.

buck

Στην παραπάνω εικόνα βλέπουμε την συνδεσμολογία (από την σελίδα 7 της τεκμηρίωσης) του MC34063 για Buck (Step-Down) λειτουργία. Στο παραπάνω κύκλωμα λοιπόν, βλέπουμε όλα όσα θα περιμέναμε σε έναν Buck Converter. Ένα πηνίο (L), μία δίοδο Schottky (1N5819), έναν ηλεκτρονικό διακόπτη (Q1, Q2 εσωτερικά στο ολοκληρωμένο κύκλωμα) και έναν τρόπο παραγωγής PWM. Η PWM παράγεται εσωτερικά στο ολοκληρωμένο κύκλωμα με την βοήθεια της πύλης AND, του Flip-Flop, του ταλαντωτή (OSC) και του συγκριτή (Comp) που ελέγχει το εύρος της PWM (“κοιτώντας” την τάση στην έξοδο μέσω του διαιρέτη τάσης που σχηματίζουν οι αντιστάσεις R1 και R2).

Στο παραπάνω σχέδιο πρέπει να υπολογίσουμε τις αντιστάσεις R1,R2 και RSC (αντίσταση περιορισμού ρεύματος), τον πυκνωτή CT (που καθορίζει την συχνότητα της PWM), τον πυκνωτή εξόδου CO και την τιμή της αυτεπαγωγής του πηνίου Lmin (η ελάχιστη τιμή της αυτεπαγωγής του πηνίου για την τάση και το ρεύμα εξόδου που θέλουμε). Οι εξισώσεις για Buck (Step Down) λειτουργία υπάρχουν στην σελίδα 11 της τεκμηρίωσης του MC34063 και τις βλέπουμε στον παρακάτω πίνακα.

table

Μπορεί να μοιάζει δύσκολο, αλλά πιστέψτε με. Δεν είναι. Αρχικά πρέπει να καθορίσουμε μερικές ακόμη παραμέτρους για τον μετατροπέα μας. Πόσο σταθερή θα είναι η τάση εισόδου; Ας υποθέσουμε πως στο αυτοκίνητο θα έχουμε μία αλλαγή της τάξης του 10% για τα 12 volts. Αυτό σημαίνει μία ελάχιστη τάση των 10,8 volts (12-10%=10,8)και μία μέγιστη τάση των 13,2 volts (12+10%=13,2). Η ελάχιστη τάση των 10,8 volts αποτελεί την ποσότητα Vin(min). Θέλουμε να καθορίσουμε και την ελάχιστη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα μας, που είναι η ποσότητα f. Θα διαλέξουμε 50 kHz (που είναι στο μέσο των δυνατοτήτων του MC34063). Τέλος πρέπει να διαλέξουμε πόση είναι η μέγιστη peak-to-peak κυμάτωση που μπορεί να έχει η τάση εξόδου. Διαλέγουμε 50 mVolts (μια χαρά για την εφαρμογή μας). Η ποσότητα αυτή είναι το Vripple(pp).

Οι υπόλοιπες ποσότητες που βλέπουμε στον πίνακα είναι: ton και toff, που είναι ο χρόνος που ο παλμός της PWM είναι on και off αντίστοιχα. Ο κύκλος Εργασίας (Dutty Cycle) δηλαδή. Το Ipk(switch) είναι το μέγιστο που θα περνά από τον ηλεκτρονικό διακόπτη και το πηνίο. Το ρεύμα αυτό δεν πρέπει να ξεπερνά τα 1,5 Amperes. Αν τα ξεπερνά πρέπει να χρησιμοποιήσουμε εξωτερικό τρανζίστορ που θα έχει τον ρόλο του ηλεκτρονικού διακόπτη, και θα αντέχει στο συγκεκριμένο ρεύμα. Επίσης το πηνίο που θα διαλέξουμε πρέπει να αντέχει στο ρεύμα αυτό. Η τάση VF είναι το δυναμικό φραγμού της διόδου ανόρθωσης, που για την 1N5819 είναι τυπικά 0,6 volts. Το VSAT είναι η τάση κορεσμού μεταξύ Συλλέκτη-Εκπομπού (VCE(sat)) του τρανζίστορ εξόδου, που για συνδεσμολογία Buck (τα τρανζίστορ Q1,Q2 σε συνδεσμολογία Darlington) είναι 1 έως 1,3 volts περίπου (σελίδα 3). Θα επιλέξουμε τιμή 1,1 volts για να είμαστε σίγουροι.

Ας ξεκινήσουμε τους υπολογισμούς.

ton-toff

ton+toff

toff

ton

Ct

Ip

Rsc

Lmin

Co

Τέλος θα υπολογίσουμε τις αντιστάσεις R1 και R2. Αν επιλέξουμε R1=10 kOhm η R2 θα είναι:

R2

Στην θέση της R2 μπορούμε να επιλέξουμε κάποιο ποτενσιόμετρο (trimmer) και να ρυθμίσουμε με ακρίβεια την τάση εξόδου.

Οι εμπορικές τιμές των εξαρτημάτων που βρήκαμε και είναι ποιο κοντά στις υπολογισμένες είναι:

values

Με τις τιμές που υπολογίσαμε εκτελούμε και μία εξομοίωση στο LTSpice.

sim

Vout-sim

Η εξομοίωση πραγματοποιήθηκε για τάση εισόδου 10,8 12 και 13,2 volts. Η τάση στην έξοδο για 500 mA είναι όντως 5 volts. Στην πραγματικότητα το παραπάνω κύκλωμα υλοποιήθηκε από τους σπουδαστές μου και λειτούργησε μια χαρά.

DSC01713

Advertisements
This entry was posted in Electronics and tagged , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s