Расчет понижающих DC-DC преобразователей на микросхемах 34063 (топология Buck) + online-калькулятор

Рассмотрим типовую схему понижающего DC/DC конвертера на микросхемах 34063:

Выводы микросхемы:

1. SWC (switch collector) — коллектор выходного транзистора
2. SWE (switch emitter) — эмиттер выходного транзистора
3. Tc (timing capacitor) — вход для подключения времязадающего конденсатора
4. GND — земля (общий провод)
5. CII (comparator inverting input) — инвертирующий вход компаратора
6. Vcc — питание
7. Ipk — вход схемы ограничения максимального тока
8. DRC (driver collector) — коллектор драйвера выходного транзистора (в качестве драйвера выходного транзистора также используется биполярный транзистор)

Элементы:

L₁ — дроссель.

С₁ — времязадающий конденсатор, он определяет частоту преобразования. Максимальная частота преобразования для микросхем 34063 составляет порядка 100-150 кГц.

R₂, R₁ — делитель напряжения для схемы компаратора. На неинвертирующий вход компаратора подается напряжение 1,25 В от внутреннего регулятора, а на инвертирующий вход — с делителя напряжения. Когда напряжение с делителя становится равным напряжению от внутреннего регулятора — компаратор переключает выходной транзистор.

C₂, С₃ — соответственно, выходной и входной фильтры. Емкость выходного фильтра определяет величину пульсаций выходного напряжения. Если в процессе расчетов получается, что для заданной величины пульсаций требуется очень большая емкость, можно расчет сделать для бо’льших пульсаций, а потом использовать дополнительный LC-фильтр. Емкость С₃ обычно берут 100 … 470 мкФ.

R_sc — токочувствительный резистор. Он нужен для схемы ограничения тока. Максимальный ток выходного транзистора для MC34063 = 1.5А, для AP34063 = 1.6А. Если пиковый переключаемый ток будет превышать эти значения, то микросхема может сгореть. Если точно известно, что пиковый ток даже близко не подходит к максимальным значениям, то этот резистор можно не ставить.

Порядок расчёта:

1. Выбирают номинальные входное и выходное напряжения: V_in, V_out и максимальный выходной ток I_out.
2. Выбирают минимальное входное напряжение V_in(min) и минимальную рабочую частоту f_min при выбранных V_in и I_out.
3. Рассчитывают значение (t_on+t_off)_max по формуле (t_on+t_off)_max=1/f_min, t_on(max) — максимальное время, когда выходной транзистор открыт, t_off(max) — максимальное время, когда выходной транзистор закрыт.
4. Рассчитывают отношение t_on/t_off по формуле t_on/t_off=(V_out+V_F)/(V_in(min)-V_sat-V_out), где V_F — падение напряжения на выходном фильтре, V_sat — падение напряжения на выходном транзисторе (когда он находится в полностью открытом состоянии) при заданном токе. V_sat определяется по графикам, приведенным в документации на микросхему (или на транзистор, если схема с внешним транзистором).
   Из формулы видно, что чем больше V_in, V_out и чем больше они отличаются друг от друга — тем меньшее влияние на конечный результат оказывают V_F и V_sat, так что если вам не нужен суперточный расчет, то я бы посоветовал, уже при V_out=5 В, смело брать V_F=0, V_sat=1,2 В (обычный, средненький биполярный танзистор) и не заморачиваться.
5. Зная t_on/t_off и (t_on+t_off)_max решают систему уравнений и находят t_on(max).

6. Находят емкость времязадающего конденсатора С₁ по формуле: C₁ = 4.5*10^-5*t_on(max).
7. Находят пиковый ток через выходной транзистор: I_PK(switch)=2*I_out. Если он получился больше максимального тока выходного транзистора (1,5 …1,6 А), то преобразователь с такими параметрами невозможен. Нужно либо пересчитать схему на меньший выходной ток (I_out), либо использовать схему с внешним транзистором.
8. Рассчитывают R_sc по формуле: R_sc=0,3/I_PK(switch).
9. Рассчитывают минимальную емкость конденсатора выходного фильтра:
10. С₂=I_PK(switch)*(t_on+t_off)_max/8V_ripple(p-p), где V_ripple(p-p) — максимальная величина пульсаций выходного напряжения. Берется максимальная ёмкость из ближайших к расчётному стандартных значений.
11. Рассчитывают минимальную индуктивность дросселя:
    
    L_1(min)=t_on(max)*(V_in(min)-V_sat-V_out)/I_PK(switch). Если получаются слишком большие C₂ и L₁, можно попробовать повысить частоту преобразования и повторить расчет. Чем выше частота преобразования — тем ниже минимальная емкость выходного конденсатора и минимальная индуктивность дросселя.
12. Сопротивления делителя рассчитываются из соотношения V_out=1,25*(1+R₂/R₁).

Online-калькулятор для расчёта понижающего преобразователя:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

(если вы не знаете значения V_sat , V_f , V_ripple(p-p) , то расчёт будет сделан для V_sat=1.2 В, V_f=0 В, V_ripple(p-p)=50 мВ)

V_in(min)=В;  V_out=В;  I_out=А;  f=кГц;

V_sat=В;  V_f=В    V_ripple(p-p)=мВ;  

2) Расчётные данные:

(t_on+t_off)_max=мкс;   t_on/t_off=;   t_on(max)=мкс;   I_PK=А;

R_sc=Ом;   C₁=нФ;   С_2(min)=мкФ;   L_min=мкГн;

Готовые схемы для самостоятельного изготовления преобразователей

Описание принципов функционирования микросхем импульсных регуляторов серии 34063