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).

90
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...