MC34063A: Warum übertakte ich diesen Chip?

Ich habe beschlossen, einige Erfahrungen mit DC-DC-Wandlern zu sammeln, und ich habe einen Onsemi MC34063A DC-DC-Wandler erhalten. Aus der Dokumentation habe ich das Datenblatt , den AN920- Anwendungshinweis und das Excel-Arbeitsblatt erhalten . Das Datenblatt erwähnt einen weiteren Anwendungshinweis, den AN954 / D, aber ich kann ihn anscheinend nirgendwo finden.

Die Idee war, 12 V auf 5 V mit Strömen von bis zu 500 mA und 50 mV Welligkeit herunterzufahren. Also habe ich die Formeln im Datenblatt, im Anwendungshinweis und im Arbeitsblatt gelesen und einige Berechnungen durchgeführt.

Ich habe die aus dem Datenblatt-Maximalwert genommen, ich verwende 1N5817, also bei 1 A, , minimale Eingangsspannung, wenn ich nehmen die Variation von 10% zu sein , ist , Ausgangsspannung . Unter Verwendung der Formel aus dem Datenblatt ergibt dies . Ich habe die Frequenz für den Konverter auf 89 kHz eingestellt, da sie gut in einen Kondensator passen soll , aber dazu später mehr. Als nächstes ist , was mir undV F = 0,45 V V i n ( m i n ) = 10,8 V V o u t = 5 V t o $V_{sat}=1.3 \mbox{ } V$$V_{F}=0.45\mbox{ } V$$V_{in(min)}=10.8 \mbox{ } V$$V_{out}=5 \mbox{ } V$220pFton+toff=11,24μstoff=5,09μston=6,15μsCt=246pF220pF+22pF=242pFIpk(s$\frac{t_{on}}{t_{off}}=1.21$$220 \mbox{ } pF$$t_{on}+t_{off}=11.24 \mbox{ } \mu s$$t_{off}= 5.09 \mbox{ } \mu s$$t_{on}=6.15 \mbox{ } \mu s$. All dies gibt mir , also verwende ich . Als nächstes habe ich das bekam . Der Erfassungswiderstand ist , daher verwende ich 3 mal 1 Widerstand und schließe sie parallel an. Als nächstes wird der minimale Induktivität ist . Als nächstes gibt es den Ausgangskondensator . Schließlich gibt es die Ausgangswiderstände. Die Formel lautet . Ich habe 4 mal Widerstände ausgewählt. Eine für und 3 in Reihe für$C_t=246 \mbox{ } pF$$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$.

Schauen wir uns nun den Anwendungshinweis an und sehen, ob sie dort etwas anderes gemacht haben: Nun, die Formel für ist etwas anders und gibt mir als minimalen Wert für den .$R_{sc}$$0.263 \mbox{ } \Omega$

Nun sehen wir uns das Excel-Arbeitsblatt an: Der neue Parameter angezeigt und das Arbeitsblatt sagt:$\frac { \Delta I_{L} } {I_{l(avg)} }$

Für den maximalen Ausgangsstrom wird empfohlen, ΔIL so zu wählen, dass es weniger als 10% des durchschnittlichen Induktivitätsstroms IL (Durchschnitt) beträgt. Dies verhindert, dass Ipk (sw) den von RSC festgelegten aktuellen Grenzwert erreicht. Wenn das Entwurfsziel darin besteht, einen minimalen Induktivitätswert zu verwenden, sei ΔIL = 2 * IL (Durchschnitt). Dies verringert proportional die Ausgangsstromfähigkeit.

Nun, ich bin nicht sicher , was hier zu tun, aber hohe Stromausgang klingt nett , damit ich es auf 6% gesetzt und das Arbeitsblatt gibt mir die minimale Induktivität von . Es kommt also vor, dass ich einen 1-mH-Induktor in meiner Junk-Box ( DPO-1.0-1000 ) habe, also entscheide ich mich, ihn zu verwenden.$920 \mbox{ } \mu H$

Zum Schluss habe ich den Schaltplan:

Wenn ich nun die Funktionsweise dieses Geräts richtig verstehe, wird der Zeitkondensator verwendet, um einen Takt bereitzustellen, der dem Induktor nach Bedarf zugeführt wird. Wenn der Messwiderstand eine zu hohe Spannung hat (was einen Überstrom bedeutet) oder der Verbrauch zu niedrig ist, werden die Uhren übersprungen. Soweit ich sehen kann, sollte es für den Chip selbst keine Möglichkeit geben, die vom Kondensator eingestellte Frequenz zu ändern.

Mein Problem scheint die Schaltfrequenz und die Art und Weise zu sein, wie sie sich mit der Last ändert. Der Regler soll in der Dokumentation bis zu 100 kHz arbeiten und ich sehe einige seltsame Ergebnisse auf dem Oszilloskop. Ich messe die Wellenform an der Diode und am Zeitkondensator.

So sieht es ohne Last aus:

Soweit ich weiß, sollte diese Art von Welle auftreten, da der Regler Zyklen überspringt und sie normal sein sollte.

Als nächstes habe ich die Last mit einigen LEDs, die ungefähr 200 mA ziehen.

Beachten Sie, dass die Frequenz etwas hoch ist. Ich habe 89 kHz und weniger erwartet (da sich die Schaltung auf einem Steckbrett befindet und ich eine parasitäre Kapazität von benachbarten Reihen erwarte), aber es sind 99,6 kHz, was genau an der Grenze des normalen Betriebs liegt.

Folgendes passiert, wenn ich eine Mikrocontroller-Karte anschließe, auf der einige LEDs blinken. Die Frequenz ist mehr als doppelt so hoch wie die maximale Betriebsfrequenz des Reglers.

Unter Verwendung eines Widerstands und eines anderen Netzteils habe ich festgestellt, dass der höchste Momentanstrom von dieser Karte 294 mA beträgt, sodass er innerhalb der Grenze der 500 mA liegt, für die ich dies entwickelt habe. Die Ausgangswelligkeit beträgt von Spitze zu Spitze 680 mV, scheint also mehr oder weniger fein zu sein und die Spannung liegt bei 4,9 V, so dass es mir auch mehr oder weniger normal erscheint.$1 \mbox{ } \Omega$

Also irgendwelche Ideen, was mit der Frequenz hier los ist? Ich habe es mit verschiedenen Zeitkondensatoren versucht und sie alle verhalten sich ähnlich und keiner von ihnen gibt mir die berechnete Frequenz.

AKTUALISIEREN

Hier ist das Oszillogramm des Ausgangs unter Verwendung des federnden Erdungsleitungssteckers und der blanken Sondenspitze, die mit dem Peak der größten Größe synchronisiert sind:

AKTUALISIEREN

In Bezug auf die Frequenz habe ich einige 10 Ω-Keramikwiderstände gefunden und versucht, die Versorgung mit einem von ihnen zu laden (was mir eine Last von 500 mA geben sollte), aber ich bekomme immer noch die hohen Frequenzen und es scheint irgendwie mit der Strombegrenzung in Zusammenhang zu stehen was ich sehen kann. Wenn ich den Widerstand anschließe, kann ich maximal 370 mA Strom erhalten. Ich habe mit verschiedenen Werten der Erfassungswiderstände experimentiert und mit erhöhtem Widerstand der Erfassungswiderstände steigt die Frequenz.

Hier ist ein Beispiel für die Wellenform mit 1 Ω Widerstand: $C_t$

und hier ist mit 0,5 Ω Messwiderstand:

Das Steckbrett kann Probleme verursachen. Überprüfen Sie Ihr Layout (insbesondere den Feedback-Bereich).

Es ist auch möglich, dass der von Ihnen verwendete Induktor nicht geeignet ist - er sagt, dass er nur bis zu 100 kHz ausgelegt ist, daher ist seine SRF (Eigenresonanzfrequenz) wahrscheinlich ziemlich niedrig. Dies kann zu Instabilität führen.
Versuchen Sie es mit einem höheren SRF (z. B.> 500 kHz), aber immer noch mit geeigneter Stromstärke.

Ich habe die Ausgabekappe unten erwähnt, aber Abdullah hat Recht damit, dass die Eingabekappe wichtig ist. Es hängt von der Last ab, aber die gesamte Schleife von innen nach außen sollte so klein und niederohmig wie möglich sein, idealerweise unter Verwendung einer Masseebene. Auf einem Steckbrett, das "schwierig" ist ;-)
Wenn das Frequenzproblem bei konstanter Last nicht auftritt, denke ich, wie Kit sagt, handelt es sich um ein Problem bei der Ausgangsfilterung, da der Umschalter nicht schnell genug ist, um sich an hohe di / dt-Änderungen anzupassen am Ausgang und es gibt keine "Reserve". Erhöhen Sie die Ausgangsfilterkapazität und prüfen Sie, ob die Welligkeit abnimmt. Wenn dies der Fall ist, ist dies mit ziemlicher Sicherheit das Problem.

EDIT - Ah, ich sehe, Sie haben es mit einem Widerstand am Ausgang versucht.
In diesem Fall scheint es nicht die Filterung zu sein. An diesem Punkt würde ich wahrscheinlich eine andere Methode des Prototyping verwenden, die besser für einen Schaltregler geeignet ist. Verwenden Sie für alle Fälle auch einen anderen Chip.
Ätzen Sie entweder ein Board oder verwenden Sie den Dead Bug-Stil oder ein Stripboard mit sehr sorgfältiger Beachtung des Layouts. Wenn die Frequenz immer noch zu hoch ist, würde ich annehmen, dass sie Teil des Betriebs ist und nicht korrekt im Datenblatt behandelt wird. Wenn dies der Fall ist, wird eine E-Mail an OnSemi gesendet, um zu sehen, was sie zu sagen haben.

EDIT 2 - Okay, nach mehrem Lesen denke ich, dass der Erfassungswiderstand (möglicherweise in Kombination mit dem oben erwähnten Induktivitätsproblem) dazu führen kann, dass die Stromerfassung zu oft auslöst und die Ladesteigung des Zeitkondensators erhöht. Dies scheint wahrscheinlich so, als würde der Oszillator schneller schalten.
Ein relevantes Zitat aus dem App-Hinweis:

Wenn diese Spannung größer als 330 mV wird, stellt die Strombegrenzungsschaltung einen zusätzlichen Strompfad zum Laden des Zeitkondensators CT bereit. Dies bewirkt, dass es schnell die obere Oszillatorschwelle erreicht, wodurch die Zeit der Ausgangsschalterleitung verkürzt wird und somit die im Induktor gespeicherte Energiemenge verringert wird. Dies kann als eine Zunahme der Steigung des Ladeabschnitts der CT-Spannungswellenform beobachtet werden, wie in 5 gezeigt.

Ihre Oszilloskop-Wellenformen scheinen mit dieser Beschreibung übereinzustimmen. Wenn Sie nicht versucht haben, den Induktor zu wechseln, tun Sie dies und sehen Sie, wie es funktioniert. Außerdem können Sie versuchen, die Stromerfassung nicht zu verwenden (dh nur an die Eingangsspannung anschließen).

Meine beste Vermutung wäre der Umfang der Ausgabefilterung oder möglicherweise die Größe des R_sc.

Beachten Sie, dass der Komparator in das und -Gatter zurückspeist, das den Schalter in Ihrem Schaltplan steuert. Wenn sich der Laststrom ändert und Schwankungen in der Spannungsrückkopplungsschleife verursacht, können Sie die PWM-Frequenz virtuell erhöhen. Ich habe nicht ganz Zeit, ein vollständiges Diagramm für Sie zu erstellen, aber wenn der Strom in der Last zunimmt, schaltet sich der Schalter ein (dh wenn Sie mehrere LEDs gleichzeitig einschalten), aber dann schalten Sie sie schnell wieder zurück Ein, das über die 99,4-kHz-PWM gelegt wird und die Schaltfrequenz viel höher erscheinen lässt.

Das andere, was Sie versuchen könnten, ist, R_sc zu groß zu machen und zu sehen, wie die Wellenform bei einer wirklich konsistenten Last aussieht. Wie Sie sagten, sollte sich die PWM-Frequenz nicht ändern, und der Stromverbrauch sollte dazu führen, dass sich das Tastverhältnis langsam erhöht, da sich die Differenz zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung 0 nähert, wenn Sie den maximalen Stromverbrauch erreichen. Auf diese Weise wird die gesamte Energie im Widerstand abgeführt, bei maximalem Stromverbrauch keine im Schaltwandler. Ich hatte einen Grund, warum ich dachte, dass dies ein Problem sein könnte, aber ich bin ehrlich, ich denke, es ist das Erste.

Ich hoffe, das hilft! Viel Glück!

Beim Umgang mit Schaltwandlern sollten Sie auf die hohen -Pfade der Schaltung achten . Um diese problematischen Pfade zu bestimmen, kann man das Diagramm der Topologie verwenden und die Zustände davon zeichnen. Werfen wir einen Blick auf den Schaltplan für den Tiefsetzsteller, in den verschiedenen Zuständen der Schalter:$\dfrac{di}{dt}$

Rote Linien kennzeichnen den hohen Stromfluss. Sie können sehen, dass einige Teile in beiden Positionen des Schalters ROT bleiben und einige Teile ihre Farbe ändern. Diejenigen, die ihre Farbe ändern, sind die problematischen Pfade, da sich der durch sie fließende Strom ändert, wenn der Schalter seine Position ändert. Das heißt, sie sind hoch Teile der Schaltung und erfordern Sorgfalt beim Entwerfen des Layouts. Schauen Sie sich in diesem Beitrag an, wie sich die Induktivität auswirkt, wenn sich die Zeit stark ändert. Also, was tun?$\dfrac{di}{dt}$

• Kürzen und verbreitern Sie die Spur, um die Induktivität zu verringern. Machen Sie es jedoch nicht breiter als es sein sollte, sonst erstellen Sie eine größere Antenne für das EMI. Stellen Sie es so weit ein, dass es den benötigten Strom führt.
• Wenn diese Leiterbahnen mit dem Erdungsnetz verbunden sind, versuchen Sie zu verhindern, dass sie so weit wie möglich auf der Erdungsebene oder auf dem Erdungsbus eines Steckbretts verlaufen. Der einzige für dieses Szenario geeignete Pfad ist der Pfad von der Anode der Diode zur Erdungsleitung des Eingangskondensators. Schließen Sie es direkt und in Kürze an .

Außerdem befinden sich einige der Dinge, die Sie im Bereich sehen, nicht wirklich in der Schaltung selbst. Sie werden durch die lange Erdungsleitung der Oszilloskopsonde verursacht. Kürzen Sie es wie folgt:

Ressource: PCB Layout Guidelines von National Semiconductor

Ich bin 7 Jahre zu spät, aber ich muss meine Antwort für andere hinzufügen, die auf dieses Problem stoßen: Die sehr hohe Welligkeit von 680 mV (wenn Sie es nicht falsch eingegeben haben) am Ausgang scheint mir wie Ihr Co (Ausgangskondensator) zu sein entweder fehlerhaft oder nicht vom Typ mit niedrigem ESR (äquivalenter Serienwiderstand). ESR ist im Grunde ein "Widerstand" des Kondensators bei hohen Frequenzen. Wenn Ihr Kondensator für 85 ° C ausgelegt ist, handelt es sich höchstwahrscheinlich um eine Kappe mit hohem ESR und nicht zum Schalten von Netzteilen. Niedrige ESR-Kappen sind normalerweise für mindestens 105 ° C ausgelegt, obwohl die Hochspannungskappen (über 100 V) normalerweise bei 85 ° C bleiben und angesichts der höheren Spannungsverhältnisse bei höheren Spannungen in Ordnung zu sein scheinen. Ich bin überrascht, dass hier niemand diese Möglichkeit vorgeschlagen oder sogar erwähnt hat.