MC34063A: ¿Por qué estoy forzado este chip?

Question

Me he decidido a conseguir un poco de experiencia con convertidores DC-DC y he obtenido un Onsemi MC34063A convertidor DC-DC. A partir de la documentación tengo la hoja de datos, el AN920 nota de aplicación y de la hoja de cálculo de Excel. La hoja de datos menciona uno más de la nota de aplicación, la AN954/D, pero me parece que no puede encontrar en cualquier lugar.

La idea era dar un paso hacia abajo de 12 V a 5 V con corrientes de hasta 500 mA y 50 mV ondulación. Por lo que he leído las fórmulas en la hoja de datos, la nota de la aplicación y de la hoja de cálculo e hizo algunos cálculos.

Tomé el \$V_{sat}=1.3 \mbox{ } V\$ , de la hoja de datos valor máximo, estoy usando 1N5817, por lo que en 1, \$V_{F}=0.45\mbox{ } V\$, voltaje de entrada mínimo, si tomo la variación del 10%\$V_{in(min)}=10.8 \mbox{ } V\$, voltaje de salida \$V_{out}=5 \mbox{ } V\$. Utilizando la fórmula de la hoja de datos, esto me da \$\frac{t_{on}}{t_{off}}=1.21\$. He seleccionado la frecuencia del convertidor de ser un 89 kHz, debido a que se supone que encajan muy bien a \$220 \mbox{ } pF \$ condensador, pero más sobre esto más adelante. Siguiente, \$t_{on}+t_{off}=11.24 \mbox{ } \mu s\$ que me da \$t_{off}= 5.09 \mbox{ } \mu s\$\$t_{on}=6.15 \mbox{ } \mu s\$. Todo esto me da \$C_t=246 \mbox{ } pF\$, así que voy a usar \$220 \mbox{ } pF + 22 \mbox{ } pF=242 \mbox{ } pF\$. Siguiente, tengo el \$I_{pk(swich)}=1 \mbox{ } A\$. La resistencia de sensado es \$R_{sc}=0.3 \mbox{ } \Omega\$, así que voy a usar 3 veces 1 \$\Omega\$ resistencia y conectarlos en paralelo. El siguiente es el mínimo inductivity \$L_{(min)}=28 \mbox { } \mu H\$. Luego, hay el condensador de salida \$C_o=28.1 \mbox{ } \mu F\$. Existen, finalmente, la salida de resistencias. La fórmula es \$V_{out}=1.25(\frac{R_2}{R_1}+1)\$. He elegido 4 veces \$10 \mbox{ } k \Omega\$ resistencias. Uno de \$R_1\$ y el 3 en la serie de \$R_2\$.

Ahora echemos un vistazo a la nota de la aplicación y ver si se hizo algo diferente: Bien, la fórmula para el \$R_{sc}\$ es un poco diferente y me da \$0.263 \mbox{ } \Omega\$ como mínimo sentido de valor de la resistencia.

Ahora vamos a ver la hoja de cálculo de Excel: Nuevo parámetro \$ \frac { \Delta I_{L} } {I_{l(avg)} } \$ aparece allí y la hoja de trabajo dice:

Para la Máxima Corriente de Salida se sugiere que ΔIL debe ser elegido a menos de 10% de la media de la corriente del inductor, IL(avg). Este ayudará a prevenir el Ipk (sw) de alcanzar el límite de corriente umbral establecido por la RSC. Si el objetivo del diseño es el uso de un mínimo valor de inductancia, vamos a ΔIL = 2*IL(avg). Esta será una reducción proporcional de la corriente de salida capacidad.

Bueno, yo no estoy seguro de qué hacer aquí, pero la alta corriente de salida de los sonidos agradables, así que me puse a 6% y la hoja de cálculo me da la inductancia mínima de \$ 920 \mbox{ } \mu H\$. Lo que ocurre es que tengo un 1 mH inductor en mi chatarra-box (DPO-1.0-1000), por lo que decide utilizar.

Por último, tengo el esquema:

Ahora si entiendo el funcionamiento de este dispositivo correctamente, el condensador de temporización se utiliza para proporcionar reloj que se alimenta a la bobina como sea necesario. Si el sentido de resistencia tiene un muy alto voltaje (significado condición de sobrecorriente) o el consumo es muy bajo, los relojes se omiten. Tan lejos como puedo ver, no debe ser de ninguna manera por el propio chip para cambiar la frecuencia establecida por el condensador.

Mi problema parece ser la frecuencia de conmutación y la forma en que cambia la carga. El regulador está en la documentación de dicho trabajo de hasta 100 kHz y estoy viendo algunos resultados extraños en el osciloscopio. Estoy de medición de la forma de onda en el diodo y el condensador de temporización.

Aquí se ve sin carga:

Hasta donde yo sé, este tipo de onda se debe a aparecer debido a que el regulador es la omisión de los ciclos y lo que debería ser normal.

Siguiente, tengo la carga con algunos LEDs de dibujo alrededor de 200 mA.

Tenga en cuenta que la frecuencia es un poco alto. Yo esperaba 89 kHz e inferiores (desde el circuito en una protoboard y espero que haya capacidad parásita de los vecinos de filas), pero es el 99,6 kHz, que está justo en el límite de operación normal.

Aquí es lo que sucede cuando se conecta una placa con microcontrolador intermitente algunos LEDs. La frecuencia es de más del doble de la máxima frecuencia de funcionamiento del regulador.

El uso de un \$ 1 \mbox{ } \Omega\$ de la resistencia y otra fuente de alimentación, he llegado a la conclusión de que la máxima corriente instantánea a partir de esta tabla es de 294 mA, así que está bien dentro del límite de las 500 mA he diseñado este. La salida de la ondulación es de 680 mV de pico a pico, por lo que parece ser más o menos fina y el voltaje es de alrededor de 4.9 V, por lo tanto, también a mí me parece más o menos normal.

Así que cualquier idea de lo que está pasando con la frecuencia aquí? He probado con diferentes temporización de los condensadores y todos ellos le dan un comportamiento similar y ninguno de ellos me dan la frecuencia calculada.

ACTUALIZACIÓN

Aquí está el oscilograma de la salida utilizando el elástico tipo de cable de tierra del conector y parió la punta de la sonda sincronizado con el pico de mayor magnitud :

ACTUALIZACIÓN

Acerca de la frecuencia, me encontré a unos 10 Ω cerámica resistencias y trató de carga de la oferta con la de uno de ellos (que debe darme un 500 mA de carga), pero todavía me pongo las frecuencias altas y parece estar relacionado de alguna manera a la limitación de la corriente, por lo que puedo ver. Cuando me conecte el resistor, la corriente máxima que puedo obtener es de alrededor de 370 mA. He experimentado con diferentes valores de los resistores y con el aumento de la resistencia de sentido resistencias, la frecuencia aumenta.

He aquí un ejemplo de la \$C_t\$ forma de onda con 1 Ohm resistor:

y aquí es con 0.5 Ohm resistencia de sensado:

Answer 1

La breadboard puede estar causando problemas, verifica tu diseño (especialmente la sección de retroalimentación)

También, es posible que el inductor que estás usando no sea adecuado: dice que está valorado solo hasta 100 kHz, por lo que su FSR (frecuencia de autoresonancia) probablemente sea bastante baja. Puede estar causando inestabilidad.
Intenta cambiarlo por uno con una FSR más alta (por ejemplo, >500 kHz), pero aún con capacidad de corriente adecuada.

Mencioné el condensador de salida abajo, pero Abdullah tiene razón sobre la importancia del condensador de entrada. Depende de la carga, pero todo el bucle de entrada a salida debería ser lo más pequeño y de baja impedancia posible, idealmente utilizando un plano de tierra. En una breadboard eso es "difícil" ;-)
Si el problema de frecuencia no está presente con una carga estable, creo que como dice Kit, es un problema de filtrado de salida, ya que el interruptor no será lo suficientemente rápido para adaptarse a cambios de alta di/dt en la salida y no hay "reserva". Aumenta la capacitancia del filtro de salida y verifica si la ondulación disminuye, si lo hace, eso casi con seguridad es el problema.

EDICIÓN - Ah, veo que lo intentaste con una resistencia en la salida.
En ese caso, parece que no es el filtrado. En este punto, creo que usaría un método de prototipado diferente más adecuado para un regulador de conmutación. También usaría otro chip solo por si acaso.
Ya sea marcar una placa o usar el estilo "dead bug", o una placa de prueba con mucha atención al diseño. Si la frecuencia sigue siendo demasiado alta, asumiría que es parte de su operación y no está cubierta correctamente en la hoja de datos - si este es el caso, entonces un correo electrónico a OnSemi es necesario para ver qué tienen que decir al respecto.

EDICIÓN 2 - Bueno, después de leer más, creo que la resistencia de detección (posiblemente combinada con el problema del inductor mencionado anteriormente) puede estar haciendo que la detección de corriente se active demasiado a menudo y aumente la pendiente de carga del condensador de temporización. Esto probablemente parecerá que el oscilador está cambiando más rápido.
Una cita relevante de la nota de aplicación:

Cuando este voltaje se vuelve mayor que 330 mV, el circuito de límite de corriente proporciona un camino de corriente adicional para cargar el condensador de temporización CT. Esto hace que alcance rápidamente el umbral superior del oscilador, acortando así el tiempo de conducción del interruptor de salida y reduciendo la cantidad de energía almacenada en el inductor. Esto se puede observar como un aumento en la pendiente de la porción de carga de la forma de onda de voltaje de CT como se muestra en la Figura 5.

Tus formas de onda del osciloscopio parecen estar de acuerdo con esta descripción. Además, si no has intentado cambiar el inductor, hazlo y ve cómo va, además podrías intentar no usar la detección de corriente (es decir, simplemente conectarte al voltaje de entrada)

Answer 2

Mi mejor suposición sería la cantidad de filtrado de salida o posiblemente el tamaño en el R_sc.

Nota el comparador que retroalimenta a la compuerta y que controla el interruptor en tu esquemático. Si la corriente de carga cambia y causa oscilaciones en el bucle de retroalimentación de voltaje, entonces podrías crear un aumento virtual en la frecuencia de PWM. No tengo tiempo para dibujarte un gráfico completo, pero básicamente si la corriente aumenta en la carga y hace que el interruptor se encienda (es decir, si enciendes simultáneamente un montón de LEDs), pero luego los apagas rápidamente, eso se superpondrá a los 99.4kHz de PWM y hará que la frecuencia de conmutación parezca mucho más alta.

Otra cosa que podrías intentar es hacer que R_sc sea demasiado grande y ver cómo se ve la forma de onda en una carga realmente consistente. Como dijiste, la frecuencia de PWM no debería cambiar, y la carga debería hacer que el ciclo de trabajo aumente lentamente porque la diferencia entre la tensión de salida y la tensión de entrada debería aproximarse a 0 a medida que alcanzas la máxima carga. De esa manera, toda la energía se disipa en la resistencia, ninguna en el convertidor de conmutación en la máxima carga. Tenía una razón por la que pensé que esto podría ser un problema, pero siendo honesto creo que es lo primero.

¡Espero que eso ayude! ¡Buena suerte!

Answer 3

Cuando se trata de convertidores de modo de conmutación, se debe prestar atención a las rutas de alto \$\dfrac{di}{dt}\$ del circuito. Para determinar estas rutas problemáticas, se puede usar el diagrama de la topología y dibujar los estados de la misma. Echemos un vistazo al diagrama del circuito para el convertidor buck, en los diferentes estados del interruptor:

Las líneas rojas denotan el flujo de corriente alto. Puede ver que algunas partes permanecen ROJAS en ambas posiciones del interruptor y algunas partes cambian de color. Las que cambian de color son las rutas problemáticas, porque el flujo de corriente a través de ellas cambia, cuando el interruptor cambia de posición. Eso significa que son partes de alto \$\dfrac{di}{dt}\$ del circuito, y requieren cuidado al diseñar el diseño. Mira mi esta publicación sobre cómo afecta la inductancia cuando hay un cambio de corriente alto en el tiempo. Entonces, ¿qué hacer?

• Acorte y ensanche la traza, de esta manera reduce la inductancia. Sin embargo, no la haga más ancha de lo que debería ser, de lo contrario creará una antena más grande para la EMI. Hágala lo suficientemente ancha como para llevar la corriente necesaria.
• Si estas trazas están conectadas a la red de TIERRA, entonces intente evitar que corran en el plano de tierra o en el bus de tierra de una protoboard tanto como sea posible. La única ruta adecuada para este escenario es la ruta desde el ánodo del diodo hasta el terminal de tierra del capacitor de entrada. Conéctelo directa y brevemente.

Además, algunas de las cosas que se ven en el osciloscopio en realidad no están en el circuito en sí. Son causadas por el largo cable de tierra de la sonda del osciloscopio. Acórtele, como se muestra a continuación:

Recurso: Directrices de diseño de PCB de National Semiconductor

Answer 4

Estoy 7 años tarde, pero tengo que agregar mi respuesta para otros que se encuentren con este problema: La alta ondulación de 680mV (si no has cometido un error al escribirlo) en la salida me parece que tu Co (capacitor de salida) está defectuoso o no es del tipo de baja ESR (resistencia en serie equivalente). ESR es básicamente una "resistencia" del capacitor que se ve a altas frecuencias. Si tu capacitor está calificado para 85°C, es muy probable que sea un capacitor de alto ESR y no adecuado para fuentes de alimentación conmutadas. Los capacitores de baja ESR suelen estar calificados para al menos 105°C, aunque los de alto voltaje (por encima de 100V) suelen mantenerse en 85°C y parecen estar bien considerando las relaciones de voltaje:corriente más altas a voltajes más altos. Me sorprende que nadie aquí haya sugerido o siquiera mencionado esa posibilidad.