MC34063A: ¿Por qué estoy overclocking este chip?

Decidí adquirir algo de experiencia con los convertidores DC-DC y obtuve un convertidor DC-DC Onsemi MC34063A . De la documentación obtuve la hoja de datos , la nota de aplicación AN920 y la hoja de cálculo de Excel . La hoja de datos menciona una nota de aplicación más, la AN954 / D, pero parece que no puedo encontrarla en ningún lado.

La idea era reducir 12 V a 5 V con corrientes de hasta 500 mA y 50 mV de ondulación. Entonces leí las fórmulas en la hoja de datos, la nota de aplicación y la hoja de trabajo e hice algunos cálculos.

Tomé el , del valor máximo de la hoja de datos, estoy usando 1N5817, así que a 1 A, , voltaje de entrada mínimo, si yo tomar la variación a ser del 10% es V_ {in (min)} = 10,8 \ mbox {} V , tensión de salida V_ {a cabo} = 5 \ mbox {} V . Usando la fórmula de la hoja de datos, esto me da \ frac {t_ {on}} {t_ {off}} = 1.21 . He seleccionado la frecuencia para que el convertidor sea de 89 kHz, porque se supone que se adapta muy bien a un condensador de 220 \ mbox {} pF , pero más sobre eso más adelante. A continuación, t_ {on} + t_ {off} = 11.24 \ mbox {} \ mu s que me da t_ {off} = 5.09 \ mbox {} \ mu s y t_ {on} = 6.15 \ mbox {} \ mu s$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$. Todo esto me da $C_t=246 \mbox{ } pF$ , así que usaré $220 \mbox{ } pF + 22 \mbox{ } pF=242 \mbox{ } pF$ . A continuación, tengo el $I_{pk(swich)}=1 \mbox{ } A$ . La resistencia de detección es R_ {sc} = 0.3 \ mbox {} \ Omega$R_{sc}=0.3 \mbox{ } \Omega$ , así que usaré 3 veces la resistencia 1 $\Omega$ y las conectaré en paralelo. El siguiente es el mínimo inductividad $L_{(min)}=28 \mbox { } \mu H$ . A continuación, está el condensador de salida $C_o=28.1 \mbox{ } \mu F$ . Finalmente están las resistencias de salida. La fórmula es $V_{out}=1.25(\frac{R_2}{R_1}+1)$ . Elegí 4 veces $10 \mbox{ } k \Omega$ resistencias. Uno para $R_1$ y 3 en serie para $R_2$.

Ahora echemos un vistazo a la nota de aplicación y veamos si hicieron algo diferente allí: Bueno, la fórmula para es un poco diferente y me da como el valor mínimo de resistencia de detección.$R_{sc}$$0.263 \mbox{ } \Omega$

Ahora veamos la hoja de trabajo de Excel: el nuevo parámetro aparece allí y la hoja de trabajo dice:$\frac { \Delta I_{L} } {I_{l(avg)} }$

Para la corriente de salida máxima, se sugiere que ΔIL se elija para que sea inferior al 10% de la corriente promedio del inductor, IL (promedio). Esto ayudará a evitar que Ipk (sw) alcance el umbral de límite actual establecido por RSC. Si el objetivo del diseño es utilizar un valor de inductancia mínimo, deje ΔIL = 2 * IL (promedio). Esto reducirá proporcionalmente la capacidad de corriente de salida.

Bueno, no estoy seguro de qué hacer aquí, pero de alta sonidos de salida de corriente agradable así que lo puse al 6% y la hoja de trabajo me da la inductancia mínima de . Sucede que tengo un inductor de 1 mH en mi caja de basura ( DPO-1.0-1000 ), así que decido usarlo.$920 \mbox{ } \mu H$

Finalmente, tengo el esquema:

Ahora, si entiendo correctamente el funcionamiento de este dispositivo, el condensador de sincronización se utiliza para proporcionar un reloj que se alimenta al inductor según sea necesario. Si la resistencia de detección tiene un voltaje demasiado alto (es decir, una condición de sobrecorriente) o el consumo es demasiado bajo, se omiten los relojes. Hasta donde puedo ver, no debería haber forma de que el chip cambie la frecuencia establecida por el condensador.

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

Así es como se ve sin carga:

Hasta donde yo sé, este tipo de onda debería aparecer porque el regulador está omitiendo ciclos y debería ser normal.

A continuación, tengo la carga con algunos LED que dibujan alrededor de 200 mA.

Tenga en cuenta que la frecuencia es un poco alta. Esperaba 89 kHz y menos (ya que el circuito está en una placa de pruebas y espero que haya capacitancia parásita de las filas vecinas), pero es de 99.6 kHz, que está justo en el límite de la operación normal.

Esto es lo que sucede cuando conecto una placa de microcontrolador que parpadea con algunos LED. La frecuencia es más del doble de la frecuencia máxima de funcionamiento del regulador.

Utilizando una resistencia y otra fuente de alimentación, he determinado que la corriente instantánea más alta de esta placa es de 294 mA, por lo que está dentro del límite de los 500 mA para los que diseñé esto. La ondulación de salida es de 680 mV pico a pico, por lo que parece ser más o menos fina y el voltaje es de alrededor de 4.9 V, por lo que también me parece más o menos normal.$1 \mbox{ } \Omega$

Entonces, ¿alguna idea de lo que está pasando con la frecuencia aquí? He intentado con varios condensadores de temporización diferentes y todos tienen un comportamiento similar y ninguno de ellos me da la frecuencia calculada.

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Aquí está el oscilograma de la salida utilizando el conector de conexión a tierra de tipo elástico y la punta de la sonda desnuda sincronizada con el pico de mayor magnitud:

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Acerca de la frecuencia, encontré algunas resistencias cerámicas de 10 Ω e intenté cargar el suministro con una de ellas (lo que debería darme una carga de 500 mA), pero todavía obtengo las frecuencias altas y parece estar relacionado de alguna manera con la limitación de corriente, desde lo que puedo ver Cuando conecto la resistencia, la corriente máxima que puedo obtener es de alrededor de 370 mA. He experimentado con diferentes valores de las resistencias de detección y con una mayor resistencia de las resistencias de detección, la frecuencia aumenta.

Aquí hay un ejemplo de la onda con resistencia de 1 Ω: $C_t$

y aquí con una resistencia de detección de 0.5 Ω:

El tablero puede estar causando problemas, verifique su diseño (especialmente la sección de comentarios)

Además, es posible que el inductor que está utilizando no sea adecuado: dice que solo tiene una clasificación de hasta 100 kHz, por lo que su SRF (frecuencia de auto resonancia) es probablemente bastante baja. Puede estar causando inestabilidad.
Intente cambiarlo a uno con un SRF más alto (por ejemplo,> 500kHz), pero aún con la capacidad de corriente adecuada.

Mencioné el límite de salida a continuación, pero Abdullah tiene razón acerca de que el límite de entrada es importante. Depende de la carga, pero todo el circuito de adentro hacia afuera debe ser tan pequeño y de baja impedancia como sea posible, idealmente usando un plano de tierra. En un tablero que es "difícil" ;-)
Si el problema de frecuencia no está ahí con una carga constante, creo que Kit dice que es un problema de filtrado de salida, ya que el conmutador no será lo suficientemente rápido como para adaptarse a cambios altos de di / dt en la salida y no hay "reserva". Aumente la capacitancia del filtro de salida y vea si la ondulación cae, si es así, es casi seguro el problema.

EDITAR - 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 diferente de creación de prototipos más adecuado para un regulador de conmutación. También use otro chip por si acaso.
Grabe un tablero o use un estilo de error muerto, o un tablero con mucha atención al diseño. Si la frecuencia sigue siendo demasiado alta, supongo que es parte de su operación y no está cubierta correctamente en la hoja de datos; si este es el caso, entonces debe enviar un correo electrónico a OnSemi para ver qué tienen que decir.

EDIT 2 - Bien, después de leer más, creo que la resistencia de detección (posiblemente combinada con el problema del inductor mencionado anteriormente) puede estar causando que la detección de corriente se dispare con demasiada frecuencia y aumente la pendiente de carga del capacitor de temporización. Esto probablemente parecerá que el oscilador está cambiando más rápido.
Una cita relevante de la nota de la aplicación:

Cuando este voltaje llega a ser superior a 330 mV, el circuito de límite de corriente proporciona una ruta 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 así 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 del voltaje del TC como se muestra en la Figura 5.

Las formas de onda de su osciloscopio parecen estar de acuerdo con esta descripción. Además, si no ha intentado cambiar el inductor, haga esto y vea cómo funciona, además podría intentar no usar el sentido de corriente (es decir, simplemente conectarse al voltaje de entrada)

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

Tenga en cuenta que el comparador se retroalimenta en la puerta y que controla el interruptor en su esquema. Si la corriente de carga cambia y causa oscilaciones en el circuito de retroalimentación de voltaje, entonces podría crear un aumento virtual en la frecuencia PWM. No tengo tiempo para dibujar un gráfico completo para usted, pero básicamente si el aumento de la corriente en la carga hace que el interruptor se encienda (es decir, si enciende un montón de leds simultáneamente), pero luego los vuelve rápidamente encendido, eso se superpondrá en la parte superior del PWM de 99.4kHz y hará que la frecuencia de conmutación se vea mucho más alta.

La otra cosa que podría 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 el sorteo debería hacer que el ciclo de trabajo aumente lentamente porque la diferencia entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada debería acercarse a 0 cuando alcances el máximo sorteo. De esa manera, toda la energía se disipa en la resistencia, ninguna en el convertidor de conmutación en el máximo consumo. Tenía una razón por la que pensé que esto podría ser un problema, pero seré sincero, creo que es lo primero.

¡Espero que ayude! ¡Buena suerte!

Cuando se trata de convertidores de modo de conmutación, debe prestar atención a las rutas altas 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 de circuito para el convertidor buck, en los diferentes estados el interruptor:$\dfrac{di}{dt}$

Las líneas rojas denotan el alto flujo de corriente. Puede ver que algunas partes permanecen ROJAS en ambas posiciones del interruptor y algunas partes cambian de color. Los que cambian de color son los caminos problemáticos, porque la corriente que fluye a través de ellos cambia cuando el interruptor cambia de posición. Eso significa que son partes altas del circuito y requieren cuidado al diseñar el diseño. Mira mi este post sobre cómo afecta la inductancia cuando hay un fuerte cambio de corriente en el tiempo. ¿Entonces lo que hay que hacer?$\dfrac{di}{dt}$

• Acortar y ampliar la traza, por lo tanto, reducir la inductancia. Sin embargo, no lo haga más ancho de lo que debería ser, de lo contrario creará una antena más grande para el EMI. Hazlo lo suficientemente ancho como para transportar la corriente necesaria.
• Si estas huellas están conectadas a la red de TIERRA, trate de evitar que corran tanto en el plano de tierra como en el bus de tierra de una placa de pruebas. El único camino adecuado para este escenario es el camino desde el ánodo del diodo hasta el cable de tierra del condensador de entrada. Conéctelo directamente y en breve .

Además, algunas de las cosas que ves en el alcance no están realmente en el circuito en sí. Son causados ​​por el largo cable a tierra de la sonda de alcance. Acortarlo, así:

Recurso: Pautas de diseño de PCB de National Semiconductor

Llego 7 años tarde, pero tengo que agregar mi respuesta para otros que se encuentran con este problema: la ondulación muy alta de 680mV (si no la escribiste mal) en la salida me parece que tu Co (condensador de salida) es defectuoso o no es del tipo de baja ESR (resistencia de serie equivalente). La ESR es básicamente una "resistencia" del condensador visto a altas frecuencias. Si su condensador tiene una capacidad nominal de 85 ° C, es muy probable que sea una tapa de alta ESR y no sea adecuado para cambiar las fuentes de alimentación. Las tapas de baja ESR generalmente están clasificadas para al menos 105 ° C, aunque las de alto voltaje (por encima de 100 V) generalmente permanecen a 85 ° C y parecen estar bien teniendo en cuenta el voltaje más alto: relaciones de corriente a voltajes más altos. Me sorprende que nadie aquí haya sugerido o incluso mencionado esa posibilidad.