MC34063A: Por que estou fazendo overclock deste chip?

Decidi adquirir alguma experiência com conversores DC-DC e obtive um conversor DC-DC Onsemi MC34063A . Na documentação, obtive a folha de dados , a nota de aplicação AN920 e a planilha do Excel . A folha de dados menciona mais uma nota de aplicação, a AN954 / D, mas não consigo encontrá-la em nenhum lugar.

A idéia era reduzir 12 V a 5 V com correntes de até 500 mA e ondulação de 50 mV. Então, li as fórmulas na folha de dados, na nota de aplicação e na planilha e fiz alguns cálculos.

Peguei o , do valor máximo da folha de dados, estou usando 1N5817, então em 1 A, , tensão mínima de entrada, se eu levar a variação para ser de 10% é , a tensão de saída . Usando a fórmula da folha de dados, isso me dá . Eu selecionei a frequência do conversor em 89 kHz, porque ele deve se encaixar perfeitamente em um capacitor de , mas mais sobre isso mais tarde. Em seguida, que me dá e$V_{sat}=1.3 \mbox{ } V$$V_{F}=0.45\mbox{ } V$$V_{in(min)}=10.8 \mbox{ } V$$V_{out}=5 \mbox{ } V$$\frac{t_{on}}{t_{off}}=1.21$$220 \mbox{ } pF$$t_{on}+t_{off}=11.24 \mbox{ } \mu s$$t_{off}= 5.09 \mbox{ } \mu s$$t_{on}=6.15 \mbox{ } \mu s$. Tudo isso me dá , então usarei . Em seguida, eu tenho o . O resistor é , então usarei 3 vezes o resistor 1 e os conectarei em paralelo. Em seguida é o mínimo indutividade . Em seguida, há o capacitor de saída . Finalmente, existem os resistores de saída. A fórmula é . Escolhi 4 vezes resistores. Um para e 3 em série para$C_t=246 \mbox{ } pF$$220 \mbox{ } pF + 22 \mbox{ } pF=242 \mbox{ } pF$$I_{pk(swich)}=1 \mbox{ } A$$R_{sc}=0.3 \mbox{ } \Omega$$\Omega$$L_{(min)}=28 \mbox { } \mu H$$C_o=28.1 \mbox{ } \mu F$$V_{out}=1.25(\frac{R_2}{R_1}+1)$$10 \mbox{ } k \Omega$$R_1$$R_2$.

Agora, vamos dar uma olhada na nota do aplicativo e ver se eles fizeram algo diferente: Bem, a fórmula para o é um pouco diferente e me fornece como o valor mínimo do resistor de detecção.$R_{sc}$$0.263 \mbox{ } \Omega$

Agora vamos ver a planilha do Excel: O novo parâmetro aparece lá e a planilha diz:$\frac { \Delta I_{L} } {I_{l(avg)} }$

Para corrente máxima de saída, sugere-se que ΔIL seja menor que 10% da corrente média do indutor, IL (média). Isso ajudará a impedir que o Ipk (sw) atinja o limite atual definido pelo RSC. Se o objetivo do projeto for usar um valor mínimo de indutância, deixe ΔIL = 2 * IL (média). Isso reduzirá proporcionalmente a capacidade da corrente de saída.

Bem, eu não sou certo o que fazer aqui, mas alta corrente sons de saída agradável assim que eu colocá-lo para 6% e a planilha me dá a indutância mínima de . Acontece que eu tenho um indutor de 1 mH na minha caixa de lixo eletrônico ( DPO-1.0-1000 ), então decido usá-lo.$920 \mbox{ } \mu H$

Finalmente, tenho o esquema:

Agora, se eu entendi a operação deste dispositivo corretamente, o capacitor de temporização é usado para fornecer um relógio alimentado ao indutor, conforme necessário. Se o resistor sensor tiver voltagem muito alta (ou seja, condição de sobrecorrente) ou o consumo for muito baixo, os relógios serão ignorados. Tanto quanto posso ver, não deve haver maneira de o próprio chip alterar a frequência definida pelo capacitor.

Meu problema parece ser a frequência de comutação e a maneira como ela muda com a carga. O regulador está na documentação que diz trabalhar até 100 kHz e estou vendo alguns resultados estranhos no osciloscópio. Estou medindo a forma de onda no diodo e no capacitor de temporização.

Veja como fica sem carga:

Até onde eu sei, esse tipo de onda deve aparecer porque o regulador está pulando os ciclos e deve ser normal.

Em seguida, tenho a carga com alguns LEDs desenhando em torno de 200 mA.

Observe que a frequência é um pouco alta. Eu esperava 89 kHz e menos (já que o circuito está em uma placa de ensaio e espero que haja capacitância parasita de linhas vizinhas), mas é 99,6 kHz, o que está exatamente no limite da operação normal.

Aqui está o que acontece quando conecto uma placa de microcontrolador piscando alguns LEDs. A frequência é mais que o dobro da frequência operacional máxima do regulador.

Usando um resistor e outra fonte de alimentação, determinei que a corrente instantânea mais alta desta placa é 294 mA, portanto está dentro do limite dos 500 mA para os quais projetei isso. A ondulação de saída é de 680 mV pico a pico, então parece ser mais ou menos fina e a tensão é de 4,9 V, então também me parece mais ou menos normal.$1 \mbox{ } \Omega$

Então, alguma idéia do que está acontecendo com a frequência aqui? Eu tentei com vários capacitores de tempo diferentes e todos eles apresentam um comportamento semelhante e nenhum deles me fornece a frequência calculada.

ATUALIZAR

Aqui está o oscilograma da saída usando o conector de aterramento do tipo elástico e a ponta da sonda nua sincronizada com o pico de maior magnitude:

ATUALIZAR

Sobre a frequência, encontrei alguns resistores cerâmicos de 10 and e tentei carregar o suprimento com um deles (o que me daria uma carga de 500 mA), mas ainda assim recebo as altas frequências e parece estar de alguma forma relacionado à limitação de corrente, de o que eu posso ver. Quando conecto o resistor, a corrente máxima que consigo obter é de cerca de 370 mA. Eu experimentei valores diferentes dos resistores sensoriais e, com o aumento da resistência dos resistores sensoriais, a frequência aumenta.

Aqui está um exemplo da forma de onda com resistor de 1:: $C_t$

e aqui está o resistor com sensor de 0,5::

A placa de ensaio pode estar causando problemas, verifique seu layout (especialmente a seção de comentários)

Além disso, é possível que o indutor que você está usando não seja adequado - ele diz que é avaliado apenas até 100kHz, por isso o SRF (frequência auto-ressonante) provavelmente é bem baixo. Pode estar causando instabilidade.
Tente alterá-lo para um com um SRF mais alto (por exemplo, 500kHz), mas ainda com capacidade de corrente adequada.

Eu mencionei o limite de saída abaixo, mas abdullah está certo sobre o limite de entrada ser importante. Depende da carga, mas todo o loop de entrada e saída deve ser o mais pequeno e com baixa impedância possível, idealmente usando um plano de aterramento. Em uma placa de ensaio que é "difícil" ;-)
Se o problema de frequência não estiver presente com uma carga constante, acho que Kit diz que é um problema de filtragem de saída, pois o comutador não será rápido o suficiente para se adaptar a mudanças de di / dt altas na saída e não há "reserva". Aumente a capacitância do filtro de saída e veja se a ondulação diminui; se isso ocorrer, esse é quase certamente o problema.

EDIT - Ah, vejo que você tentou com um resistor na saída.
Nesse caso, parece que não é a filtragem. Neste ponto, acho que usaria um método diferente de prototipagem mais adequado a um regulador de comutação. Também use outro chip por precaução.
Você pode gravar uma prancha ou usar o estilo dead bug, ou stripboard com muita atenção ao layout. Se a frequência ainda estiver muito alta, eu assumiria que faz parte de sua operação e não foi abordada corretamente na folha de dados - se esse for o caso, um e-mail para o OnSemi é para ver o que eles têm a dizer.

EDIT 2 - Ok, após mais leituras, acho que o resistor do sensor (possivelmente combinado com o problema do indutor mencionado acima) pode estar causando o disparo do sensor atual com muita freqüência e aumentar a inclinação de carregamento do capacitor de temporização. Provavelmente, o oscilador está mudando mais rapidamente.
Uma citação relevante da nota do aplicativo:

Quando essa tensão se torna superior a 330 mV, o circuito de limite de corrente fornece um caminho de corrente adicional para carregar o TC do capacitor de temporização. Isso faz com que ele atinja rapidamente o limite superior do oscilador, reduzindo assim o tempo de condução do comutador de saída e reduzindo a quantidade de energia armazenada no indutor. Isso pode ser observado como um aumento na inclinação da parte de carregamento da forma de onda de tensão do TC, como mostrado na Figura 5.

Suas formas de onda do osciloscópio parecem concordar com esta descrição. Além disso, se você não tentou mudar o indutor, faça isso e veja como funciona, além de tentar não usar o sentido da corrente (por exemplo, basta conectar à tensão de entrada)

Meu melhor palpite seria a quantidade de filtragem de saída ou, possivelmente, o dimensionamento no R_sc.

Observe o comparador retornando à porta e que controla a chave no seu esquema. Se a corrente de carga mudar e causar oscilações no loop de realimentação de tensão, você poderá criar um aumento virtual na frequência PWM. Não tenho tempo para desenhar um gráfico completo para você, mas basicamente se a corrente aumentar na carga faz com que o comutador seja ligado (por exemplo, se você ativar um monte de leds simultaneamente), mas então você os voltará rapidamente ativado, ele será sobreposto ao PWM de 99,4kHz e fará com que a frequência de comutação pareça muito maior.

A outra coisa que você pode tentar é tornar o R_sc muito grande e ver como é a forma de onda em uma carga realmente consistente. Como você disse, a frequência pwm não deve mudar e o consumo deve aumentar lentamente o ciclo de serviço, porque a diferença entre a tensão de saída e a tensão de entrada deve se aproximar de 0 quando você atingir o consumo máximo. Dessa forma, toda a energia é dissipada no resistor, nenhuma no conversor de comutação com o consumo máximo. Eu tinha um motivo para achar que isso poderia ser um problema, mas vou ser sincero, acho que é a primeira coisa.

Espero que ajude! Boa sorte!

Ao lidar com conversores de modo comutador, você deve prestar atenção à alta $\dfrac{di}{dt}$caminhos do circuito. Para determinar esses caminhos problemáticos, pode-se usar o diagrama da topologia e desenhar os estados dela. Vamos dar uma olhada no diagrama de circuito do conversor buck, nos diferentes estados do switch:

Linhas vermelhas indicam o alto fluxo de corrente. Você pode ver que algumas partes permanecem VERMELHAS nas duas posições do comutador e algumas mudam de cor. Os que mudam de cor são os caminhos problemáticos, porque a corrente flui através deles quando o interruptor muda de posição. Isso significa que eles são altos$\dfrac{di}{dt}$partes do circuito e requerem cuidado ao projetar o layout. Olhe para o meu este post sobre como indutância afeta quando há alta mudança atual no tempo. Então o que fazer?

• Encurte e amplie o traço, reduzindo assim a indutância. No entanto, não a torne mais larga do que deveria, caso contrário, você criará uma antena maior para o EMI. Faça-o largo o suficiente para transportar a corrente necessária.
• Se esses traços estiverem conectados à rede GROUND, tente impedi-los de rodar no plano de terra ou no barramento de terra de uma tábua de pão o máximo possível. Apenas o caminho adequado para esse cenário é o caminho do ânodo do diodo para o fio terra do capacitor de entrada. Conecte-o diretamente e em breve .

Além disso, algumas das coisas que você vê no escopo não estão realmente no próprio circuito. Elas são causadas pelo fio terra longo da sonda de osciloscópio. Encurte-o, assim:

Recurso: Diretrizes de layout de PCB da National Semiconductor

Estou com 7 anos de atraso, mas tenho que acrescentar minha resposta para outras pessoas que se deparam com esse problema: A alta ondulação de 680mV (se você não a digitou incorretamente) na saída parece-me como seu Co (capacitor de saída). defeituoso ou não é do tipo ESR baixo (resistência equivalente em série). A ESR é basicamente uma "resistência" do capacitor vista em altas frequências. Se o seu capacitor estiver classificado para 85 ° C, é muito provável que seja uma tampa de alta ESR e não seja adequado para a troca de fontes de alimentação. Os limites de baixa ESR são geralmente classificados para pelo menos 105 ° C, embora os de alta tensão (acima de 100V) geralmente permaneçam a 85 ° C e pareçam estar bem, considerando as relações tensão: corrente mais altas em tensões mais altas. Estou surpreso que ninguém aqui tenha sugerido ou sequer mencionado essa possibilidade.