MC34063A: Pourquoi suis-je en train d'overclocker cette puce?

J'ai décidé d'acquérir une certaine expérience avec les convertisseurs DC-DC et j'ai obtenu un convertisseur DC-DC Onsemi MC34063A . De la documentation, j'ai la fiche technique , la note d' application AN920 et la feuille de calcul Excel . La fiche technique mentionne une autre note d'application, l'AN954 / D, mais je n'arrive pas à la trouver nulle part.

L'idée était de réduire de 12 V à 5 V avec des courants allant jusqu'à 500 mA et une ondulation de 50 mV. J'ai donc lu les formules dans la fiche technique, la note d'application et la feuille de calcul et j'ai fait quelques calculs.

j'ai pris le $V_{sat}=1.3 \mbox{ } V$, d'après la valeur maximale de la fiche technique, j'utilise 1N5817, donc à 1 A, , tension d'entrée minimale, si je considère que la variation est de 10%, , la tension de sortie . En utilisant la formule de la fiche technique, cela me donne . J'ai sélectionné la fréquence du convertisseur à 89 kHz, car il est censé convenir parfaitement à un condensateur , mais plus à ce sujet plus tard. Ensuite, qui me donne et . Tout cela me donne$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$$t_{on}=6.15 \mbox{ } \mu s$$C_t=246 \mbox{ } pF$, je vais donc utiliser . Ensuite, je l'ai . La résistance de détection est , je vais donc utiliser 3 fois 1 résistance et les connecter en parallèle. Suivant est le inductivité minimum . Ensuite, il y a le condensateur de sortie . Enfin, il y a les résistances de sortie. La formule est . J'ai choisi 4 fois résistances . Un pour et 3 en série pour .$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$

Jetons maintenant un coup d'œil à la note d'application et voyons s'ils ont fait quelque chose de différent là-bas: Eh bien, la formule pour le est un peu différente et me donne comme valeur minimale de résistance de détection.$R_{sc}$$0.263 \mbox{ } \Omega$

Voyons maintenant la feuille de calcul Excel: le nouveau paramètre apparaît ici et la feuille de calcul indique:$\frac { \Delta I_{L} } {I_{l(avg)} }$

Pour le courant de sortie maximal, il est suggéré que ΔIL soit choisi comme étant inférieur à 10% du courant d'inductance moyen, IL (moy). Cela aidera à empêcher Ipk (sw) d'atteindre le seuil limite actuel défini par RSC. Si l'objectif de conception est d'utiliser une valeur d'inductance minimale, soit ΔIL = 2 * IL (moy). Cela réduira proportionnellement la capacité de courant de sortie.

Eh bien, je ne suis pas sûr de ce qu'il faut faire, mais des sons aigus de sortie courant bien , donc je l' ai mis à 6% et la feuille de calcul me donne l'inductance minimale de . Il se trouve que j'ai une inductance de 1 mH dans ma junk-box ( DPO-1.0-1000 ) donc je décide de l'utiliser.$920 \mbox{ } \mu H$

Enfin, j'ai le schéma:

Maintenant, si je comprends bien le fonctionnement de cet appareil, le condensateur de synchronisation est utilisé pour fournir une horloge qui est envoyée à l'inductance selon les besoins. Si la résistance de détection a une tension trop élevée (ce qui signifie une condition de surintensité) ou si la consommation est trop faible, les horloges sont ignorées. Pour autant que je puisse voir, il ne devrait y avoir aucun moyen pour la puce elle-même de changer la fréquence définie par le condensateur.

Mon problème semble être la fréquence de commutation et la façon dont elle change avec la charge. Le régulateur est dans la documentation censée fonctionner jusqu'à 100 kHz et je vois des résultats étranges sur l'oscilloscope. Je mesure la forme d'onde sur la diode et sur le condensateur de synchronisation.

Voici à quoi cela ressemble sans charge:

Pour autant que je sache, ce type d'onde devrait apparaître car le régulateur saute des cycles et cela devrait être normal.

Ensuite, j'ai la charge avec quelques LED dessinant environ 200 mA.

Notez que la fréquence est un peu élevée. Je m'attendais à 89 kHz et moins (car le circuit est sur une maquette et je m'attends à ce qu'il y ait une capacité parasite des rangées voisines), mais c'est 99,6 kHz, ce qui est à la limite du fonctionnement normal.

Voici ce qui se passe lorsque je connecte une carte microcontrôleur qui clignote quelques LED. La fréquence est plus de deux fois la fréquence de fonctionnement maximale du régulateur.

En utilisant une résistance et une autre alimentation, j'ai déterminé que le courant instantané le plus élevé de cette carte est de 294 mA, il est donc bien dans la limite des 500 mA pour lesquels j'ai conçu cela. L'ondulation de sortie est de 680 mV crête à crête, elle semble donc plus ou moins fine et la tension est d'environ 4,9 V, donc elle me semble plus ou moins normale.$1 \mbox{ } \Omega$

Donc, des idées sur ce qui se passe avec la fréquence ici? J'ai essayé avec différents condensateurs de synchronisation et ils donnent tous un comportement similaire et aucun d'eux ne me donne la fréquence calculée.

MISE À JOUR

Voici l'oscillogramme de la sortie utilisant le connecteur de fil de masse de type élastique et la pointe de sonde nue synchronisée avec le pic de plus grande amplitude:

MISE À JOUR

À propos de la fréquence, j'ai trouvé des résistances en céramique de 10 Ω et j'ai essayé de charger l'alimentation avec l'une d'entre elles (ce qui devrait me donner une charge de 500 mA), mais j'obtiens toujours les hautes fréquences et cela semble être lié d'une manière ou d'une autre à la limitation de courant, de ce que je peux voir. Lorsque je connecte la résistance, le courant maximum que je peux obtenir est d'environ 370 mA. J'ai expérimenté différentes valeurs des résistances de détection et avec une résistance accrue des résistances de détection, la fréquence augmente.

Voici un exemple de la forme d'onde avec une résistance de 1 Ω: $C_t$

et voici avec une résistance de détection de 0,5 Ω:

La planche à pain peut être à l'origine de problèmes, vérifiez votre mise en page (en particulier la section des commentaires)

De plus, il est possible que l'inductance que vous utilisez ne soit pas adaptée - il est dit qu'elle n'est évaluée qu'à 100 kHz, donc sa SRF (fréquence de résonance auto) est probablement assez faible. Cela peut provoquer une instabilité.
Essayez de le changer en un avec un SRF plus élevé (par exemple> 500 kHz), mais toujours avec une capacité de courant appropriée.

J'ai mentionné le plafond de sortie ci-dessous, mais abdullah a raison de dire que le plafond d'entrée est important. Cela dépend de la charge, mais la boucle entière de l'intérieur vers l'extérieur doit être aussi petite et faible impédance que possible, idéalement en utilisant un plan de masse. Sur une planche à pain qui est "difficile" ;-)
Si le problème de fréquence n'est pas là avec une charge régulière, je pense que Kit dit que c'est un problème de filtrage de sortie, car le sélecteur ne sera pas assez rapide pour s'adapter aux changements di / dt élevés sur la sortie et il n'y a pas de "réserve". Augmentez la capacité du filtre de sortie et voyez si l'ondulation baisse, si c'est le cas, c'est presque certainement le problème.

EDIT - Ah, je vois que vous l'avez essayé avec une résistance sur la sortie.
Dans ce cas, il semblerait que ce ne soit pas le filtrage. À ce stade, je pense que j'utiliserais une méthode de prototypage différente, plus adaptée à un régulateur à découpage. Utilisez également une autre puce au cas où.
Soit graver une planche ou utiliser un style de bogue mort, ou un stripboard avec une attention particulière à la disposition. Si la fréquence est encore trop élevée, je suppose que cela fait partie de son fonctionnement et n'est pas couvert correctement dans la fiche technique - si c'est le cas, un e-mail à OnSemi est pour voir ce qu'ils ont à dire.

EDIT 2 - D'accord, après plus de lecture, je pense que la résistance de détection (éventuellement combinée avec le problème d'inductance mentionné ci-dessus) peut provoquer un déclenchement trop fréquent du capteur actuel et augmenter la pente de charge du condensateur de synchronisation. Cela apparaîtra probablement comme si l'oscillateur commutait plus rapidement.
Une citation pertinente de la note de l'application:

Lorsque cette tension devient supérieure à 330 mV, le circuit de limitation de courant fournit un chemin de courant supplémentaire pour charger le condensateur de synchronisation CT. Cela l'amène à atteindre rapidement le seuil supérieur de l'oscillateur, raccourcissant ainsi le temps de conduction du commutateur de sortie et réduisant ainsi la quantité d'énergie stockée dans l'inductance. Cela peut être observé comme une augmentation de la pente de la partie de charge de la forme d'onde de tension CT, comme le montre la figure 5.

Vos formes d'onde oscilloscopes semblent d'accord avec cette description. De plus, si vous n'avez pas essayé de changer l'inductance, faites-le et voyez comment cela se passe, en plus vous pouvez essayer de ne pas utiliser le sens du courant (c'est-à-dire simplement vous connecter à la tension d'entrée)

Ma meilleure supposition serait la quantité de filtrage de sortie ou éventuellement le dimensionnement sur le R_sc.

Notez le comparateur qui retourne dans la porte et qui contrôle le commutateur dans votre schéma. Si le courant de charge change et provoque des oscillations dans la boucle de rétroaction de tension, vous pouvez créer une augmentation virtuelle de la fréquence PWM. Je n'ai pas tout à fait le temps de dessiner un graphique complet pour vous, mais fondamentalement, si l'augmentation du courant dans la charge provoque l'activation du commutateur (c'est-à-dire si vous allumez un groupe de LED simultanément), mais vous les rallumez rapidement activé, qui sera superposé au-dessus du PWM 99,4 kHz et rendra la fréquence de commutation beaucoup plus élevée.

L'autre chose que vous pourriez essayer est de rendre R_sc trop grand et de voir à quoi ressemble la forme d'onde sur une charge vraiment cohérente. Comme vous l'avez dit, la fréquence pwm ne devrait pas changer et le tirage devrait faire augmenter lentement le rapport cyclique car la différence entre la tension de sortie et la tension d'entrée devrait approcher de 0 lorsque vous atteignez le tirage maximum. De cette façon, toute l'énergie est dissipée dans la résistance, aucune dans le convertisseur de commutation au tirage maximum. J'avais une raison pour laquelle je pensais que cela pourrait être un problème, mais je vais être honnête, je pense que c'est la première chose.

J'espère que cela pourra aider! Bonne chance!

Lorsque vous traitez avec des convertisseurs à découpage, vous devez faire attention au $\dfrac{di}{dt}$chemins du circuit. Pour déterminer ces chemins problématiques, on peut utiliser le diagramme de la topologie et en dessiner les états. Jetons un coup d'œil au schéma de circuit du convertisseur abaisseur, dans les différents états du commutateur:

Les lignes rouges indiquent le flux de courant élevé. Vous pouvez voir que certaines parties restent ROUGES dans les deux positions du commutateur et que certaines parties changent de couleur. Ceux qui changent de couleur sont les chemins problématiques, car le courant qui les traverse change lorsque le commutateur change de position. Cela signifie qu'ils sont élevés$\dfrac{di}{dt}$parties du circuit, et nécessitent des précautions lors de la conception de la disposition. Regardez mon ce poste sur la façon dont l' inductance affecte quand il est élevé le changement en cours dans le temps. Alors que faire?

• Raccourcissez et élargissez la trace, donc réduisez l'inductance. Cependant, ne la rendez pas plus large qu'elle ne devrait l'être, sinon vous créerez une antenne plus grande pour l'EMI. Rendez-le suffisamment large pour qu'il transporte le courant nécessaire.
• Si ces traces sont connectées au réseau GROUND, essayez de les empêcher autant que possible de fonctionner sur le plan de masse ou sur le bus de masse d'une maquette. Le chemin qui convient uniquement à ce scénario est le chemin entre l'anode de la diode et le fil de terre du condensateur d'entrée. Connectez-le directement et rapidement .

De plus, certaines des choses que vous voyez dans la portée ne sont pas vraiment dans le circuit lui-même. Ils sont causés par le long fil de terre de la sonde de portée. Raccourcissez-le comme ceci:

Ressource: Lignes directrices sur la disposition des PCB de National Semiconductor

J'ai 7 ans de retard, mais je dois ajouter ma réponse à ceux qui rencontrent ce problème: l'ondulation très élevée de 680mV (si vous ne l'avez pas mal tapé) à la sortie me semble que votre Co (condensateur de sortie) est soit défectueux ou n'est pas du type à faible ESR (résistance série équivalente). ESR est fondamentalement une "résistance" de condensateur vue aux hautes fréquences. Si votre condensateur est évalué à 85 ° C, il s'agit très probablement d'un capuchon à haute ESR et ne convient pas pour la commutation d'alimentations. Les bouchons à faible ESR sont généralement évalués à au moins 105 ° C, bien que ceux à haute tension (au-dessus de 100 V) restent généralement à 85 ° C et semblent être bons compte tenu des rapports tension / courant plus élevés à des tensions plus élevées. Je suis surpris que personne ici n'ait suggéré ou même mentionné cette possibilité.