Расчет повышающего преобразователя напряжения ⚡ STM32 и тест (DC/DC Boost Step-Up Converter)
Явление самоиндукции (опыт)
Подключим параллельно лампу накаливания (не обязательно), индуктивность (катушка) и светодиод (в обратной полярности). При возможности лучше брать дроссель с большой индуктивностью, но у меня нашелся только такой, ну тут уж куда деваться
Замыкая кнопку SA1 на короткое время СИД вспыхивает, хотя напряжения одной банки явно не хватает для трех кристаллов, а они ещё и включены в обратной полярности.
Теперь лучше подключить осциллограф для наблюдения переходных процессов. Причем в обратной полярности и настроить триггер на величину выше напряжения питания (импульс будет очень коротким, а его бы рассмотреть надо).
Всё! Подаю питание от банки 18650 на короткое время (чтобы ниче не сгорело), и на осциллографе вот такое чудо. Главное здесь то, что получается получить напряжение больше входного (из 4В прыгает до 18В, а то и больше), невероятно
Зная это можно предположить, что можно как-то построить схему, позволяющую преобразовывать напряжение в величину выше входной и не только.
Купить на Aliexpress
?️ Плата STM32F030F4P6 Board (1.47?):
https://ali.ski/Q24dl
?️ Плата STM32F030F4P6 48 MHz (1.29?):
https://ali.ski/3IBQVp
?️ Аккумулятор 18650 3000mAh 20A 1pcs (2.71?):
https://ali.ski/uF2xZj
?️ Энкодер KY-040 360 Degrees (0.71?): https://ali.ski/YafpfT
?️ Логический анализатор USB Logic Analyze 24M 8CH (4.69?): https://ali.ski/NREjkF
? Мой мультиметр T21D RM113D (13.81?): https://ali.ski/I12g1
Повышающий преобразователь напряжения схема электрическая принципиальная
Расчет преобразователя (Continuous Current Mode)
С помощью данного файла можно просто подставить нужные номиналы напряжения и тока и получить все нужные расчетные параметры для повышающего преобразователя в режиме непрерывного тока (Continuous Current Mode), причем выражения доступны для просмотра/редактирования, что хорошо для понимания последовательности и содержания.
Скачать файл для программы SMath Studio (2.3MB, аналог MathCAD):
boost_converter_calculation.sm
Скачать пример расчета в виде документа:
step_up_calculation_example.pdf
Основано на поваренной книги силовой электроники от TI: Power Stage Topologies Topology Reference Handbook Guide (Markus Zehendner, Matthias Ulmann)
И также презентации по построении ШИМ повышающего преобразователя от Bee Technologies: Concept KIT: PWM Boost Converter Average Model
Для примера произведен расчет повышающего преобразователя напряжения из 3.7В в 24В при выходном токе 0.5А.
Моделирование работы повышающего преобразователя (Microcap 12)
Управляем транзистором генератор прямоугольного сигнала 40 кГц:
Вот так возрастает напряжение на выходе при Rнагр = 1000 Ом:
Ток катушки после включения достигает 9 А:
Подбор электронных компонентов
На основе расчетных данных нужно взять детальки, которые не только соответствовали рассчитанным параметрам, но и имели разумный запас.
Транзистор
Первое на что нужно обратить внимание - это на управляющее напряжение, ведь если оно будет высоким, то транзистор просто не сможет коммутировать высокие токи. Если напряжение питание мало, например, литий-ионный аккумулятор 3.7В, то нужно взять транзистор с низким управляющим напряжением Vgs. Это нужно, чтобы достаточно открыть транзистор, чтобы через него мог течь большой ток. Просто посмотрите на графики сравнения для транзисторов IRFZ44N и IRL640:
Купил десяток
IRL640 (у него низкое управляющее напряжение и довольное высокое напряжение сток-исток 200В) на алиэкспрессе за 2,5$, естественно это не они, а говно какое-то перемаркированное с Vgs = 3.4-3.7В и царапанными корпусами 
:
Взамен нему выпаял с материнской платы неизвестный полевой транзистор в TO-263 с маркировкой
L2/L3. При проверке тестером показывает Vgs = 2.1В, то что нужно 
:
Катушка индуктивности
Нужен номинал LCCM = 189 мкГн, I.max = 3.14 A. Найти дроссель с такими параметрами довольно сложно, для примера массивные катушки с ферритовым сердечником CD127R от Sumida:
То есть такая катушечка с индуктивностью 180 мкГн имеет номинальный ток всего 1.5А, нужно повышать частоту (при возможности) и увеличивать минимальный выходной ток (например, при fswitch = 100 кгЦ и Io.min = 0.1 A получается LCCM = 30 мкГн).
Для проверки найти можно поискать на старых платах или намотать самостоятельно, я нашел такой:
Диод
Нужен диод с низким падением напряжения ( Forward Voltage Drop), здесь до 0,79В при наибольшем токе, что нормально для такого образца:
Обратное напряжение VRRM (repetitive peak reverse voltage) также должно быть больше выходного с запасом, ну и по току Io также:
У меня это высоковольтный диод Шоттки B1100-13-F:
Конденсатор
Входной на входе можно не ставить.
Но выходной обязательно. При пульсациях Vripple = 0.05 В рекомендуемый номинал 220 мкФ, и эквивалентное последовательное сопротивление не более CESR = 0.24 Ом.
Питание
Источник питание должен тащить, обычно нужно преобразовать малое напряжение аккумулятора ( Li-Ion/LiPo), поэтому, как правило, лучше использовать высокотоковые банки, ну хотя бы те же шоколадки, для чего есть удобные держатели:
Программирование
Нужно подать ШИМ-сигнал с частотой, которая была выбрана при расчете. Сначала коэффициент заполнения пусть будет нулевой, а изменятся он будет энкодером, что очень удобно для проверки.
- SYS -> Debug Serial Wire
- RCC -> High Speed Clock (HSE): Crystal/Ceramic Resonator
- Таймер 1, генерация ШИМ-сигнала 40 кГц.
- Таймер 3, режим энкодера (счет от 0 до 100)
Ну и код, где в главном цикле ограничен коэффициент заполнения до 98% (это можно было сделать проще, установив наибольшее значение 98, а не 100 у Таймера 3):
/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t Enc_Counter = 0;
/* USER CODE END PV */
/* encoder (count 0-100) */
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);
/* pwm 40khz */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
TIM1->PSC = 12-1;
TIM1->ARR = 100-1;
TIM1->CCR3 = 0;
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
Enc_Counter = TIM3->CNT;
if(Enc_Counter > 98){
TIM3->CNT = 0;
Enc_Counter = 0;
}
TIM1->CCR3 = Enc_Counter;
HAL_Delay(50);
/* USER CODE END WHILE */
Проверка
На макетной плате собрана схема, все надежно соединено электрически.
Прошивка залита в МК. На выходе пока что нагрузка 1 кОм.
Это напряжение выставлено вращением ручки ДУПа (максимально получалось получить около 35В).
Также с нагрузкой в виде ЛН 12В, которая красиво сияет при двукратном превышении напряжения:
Выходные пульсации
Uout = 5 В; Uripple = 80 мВ
Uout = 12 В; Uripple = 200 мВ
Uout = 24 В; Uripple = 300 мВ
Расчет КПД
При преобразовании в 12 В КПД = 80%, если же выходное напряжение 24 В при токе 0.5 А, то КПД = 56%.
Видео
Итого
Конечно отдельно делать преобразователь на МК на напряжения и мощности, доступные у специализированных микросхем идея так себе, тем более что нужно поднимать частоты до 100-300 кГц для использования катушек с маленькой индуктивностью и делать обратную связь. Этот же преобразователь будет частью схемы одного прибора, где необходимо получать высокое напряжение до 150В при питании от Li-Ion 18650.
Для испытаний использован осциллограф-приставка HS101, но теперь с полной версией приложения (обновленный обзор на него выйдет позже).