Способы увеличения тока нагрузки понижающего стабилизатора на МС34063А.

Начало было тут:
http://www.pro-radio.ru/misc/719-3/
и тут:
http://www.pro-radio.ru/technology/2151-11/

По даташиту, максимальный ток ключевого транзистора микросхемы МС34063А равен 1,5А.
Там же указан максимальный ток нагрузки этого стабилизатора на уровне 0,5 от максимального, то есть – в 2 раза меньше.
Это значит, что максимальный ток нагрузки микросхемы в режиме понижающего стабилизатора не превышает 1,5А*0,5=0,75А. Если нужен больший ток, то приходится навешивать на микросхему дополнительный транзистор.

Если ток нагрузки, скажем, 2А, то только дополнительным транзистором можно решить проблему.
А если ток нагрузки превышает указанное значение 0,75А но меньше максимального тока внутреннего ключевого транзистора микросхемы (1,5А)? Казалось бы, можно обойтись без дополнительного транзистора, но расчёт стабилизатора покажет, что при токе нагрузки больше 0,75А ток транзистора окажется больше 1,5А.
Интернетовский «Калькулятор», рассчитывающий такой стабилизатор, просто, покажет ошибку – мол, превышен ток…

Тем не менее, это ограничение можно обойти и строить на этой микросхеме понижающие стабилизаторы с током нагрузки, вплоть, до 1,5А. Просто, при расчёте нужно задаваться малым током нагрузки, даже если он большой и не меняется…

В принципе, так и делают – в расчёте фигурирует минимальный ток нагрузки, и по нему находят значение индуктивности дросселя.

Почему это возможно.
Ток ключевого транзистора стабилизатора равен сумме тока нагрузки и тока выходного конденсатора:
Iт = Iн + Ic
Если максимальный ток транзистора микросхемы не должен превышать 1,5А, то при токе конденсатора, стремящемся к нулю, ток нагрузки будет стремиться к величине, равной максимальному току транзистора - 1,5А.
Имеются в виду амплитудные значения токов.

Максимальный ток конденсатора можно вычислить по формуле:
Ic = Uн * (1 - k) / 2 * L * f
где:
Uн – напряжение нагрузки (В),
k – минимальный коэффициент заполнения импульсов,
L – индуктивность дросселя (Гн),
f – частота (Гц).

Коэффициент заполнения k, в свою очередь, зависит от минимально допустимого напряжения нагрузки при максимально возможном напряжении питания при определённом КПД преобразователя, и вычисляется по формуле:
k = Uн / КПД * Uп
где:
Uн – минимальное напряжение нагрузки (В),
Uп – максимальное напряжение питания (В).

Получается, что ток конденсатора зависит от коэффициента заполнения импульсов, напряжения нагрузки, индуктивности дросселя и частоты преобразователя.
Меняя эти параметры, можно уменьшить ток конденсатора. Какие?

Коэффициент заполнения (k) определяет необходимую порцию энергии, накапливаемую в дросселе (L) на частоте преобразователя (f) при заданных значениях напряжений, по этому его трогать нельзя.
Напряжения и частота задаются изначально.
Выходит, что единственным параметром, влияющим на ток конденсатора, является индуктивность дросселя. Причём, чем больше индуктивность, тем меньше ток конденсатора.

В свою очередь, индуктивность дросселя выбирается из условия неразрывности тока через него при минимальном значении тока нагрузки. Чем меньше ток нагрузки, тем больше индуктивность. А максимальный ток нагрузки в этих расчётах, как бы, и не участвует…

Таким образом, минимальный ток конденсатора можно получить, рассчитывая преобразователь на максимальный ток нагрузки, но с дросселем, рассчитанным на минимальный ток нагрузки.

Индуктивность дросселя рассчитывается по формуле:
L = Uн * (1 – k) / 2 * Iн * f
где:
Uн – максимальное напряжение нагрузки (В),
k – минимальный коэффициент заполнения,
Iн – минимальный ток нагрузки (А),
f – частота (Гц).

То есть, если ток нагрузки может меняться в каких то пределах, то в формулу подставляется его минимальное значение.
Формула даёт минимальное значение индуктивности, при котором обеспечивается непрерывный ток дросселя при самом малом значении тока нагрузки.

Пример.
Напряжение питания 30В, напряжение нагрузки 18В, ток нагрузки 1.4А, КПД 0.9.

Минимальный коэффициент заполнения находим по приведенной ранее формуле:
k = Uн / КПД * Uп = 18В / 0.9 * 30В = 0.67

Минимальное значение тока нагрузки неизвестно, по этому берём его максимальное значение 1.4А.
Для данного примера это не критично, так как, по идее, микросхема не может обеспечить такой ток в нагрузке, потому что, согласно даташиту, ток транзистора в этом случае будет в 2 раза больше – 2.8А, и превышает максимальный заявленный ток (1.5А).

Не обращаем на это внимание и находим индуктивность дросселя:
L = Uн * (1 – k) / 2 * Iн * f = 18В * (1 – 0.67) / 2 * 1.4А * 100000Гц = 2.1Е-5Гн = 21мкГн
Это минимально необходимая индуктивность. Округляем её до 22мкГн…
В принципе, нам округлять нечего, но положено делать поправку на ошибки или неточности – проницаемость сердечника может оказаться заниженной, при намотке можно ошибиться и намотать на виток меньше… Всё это уменьшит индуктивность реального дросселя. А так как бояться нужно, именно, уменьшения индуктивности, то смело округляем её в большую сторону на величину, обратную самоуверенности…
У нас же, другой случай, по этому идём дальше.

Теперь найдём ток выходного конденсатора:
Ic = Uн * (1 - k) / 2 * L * f = 18В * (1 – 0.67) / 2 * 2.2Е-5Гн * 100000Гц = 1,35А

В результате, максимальный ток ключевого транзистора микросхемы будет:
Iт = Iн + Ic = 1.4А + 1.35А = 2.75А

Как видим – ток транзистора на много больше допустимых 1.5А.
Значит, на микросхеме нельзя собрать стабилизатор с током нагрузки 1,4А?..

А теперь, используя эти же формулы, но приняв, что ток транзистора не должен превышать допустимое для него значение, найдём ток конденсатора:
Iс = Iт - Iн = 1.5А – 1.4А = 0.1А

Индуктивность дросселя нужно увеличить во столько раз, во сколько раз уменьшился ток конденсатора:
1.35А / 0.1А = 13.5 раз.
Индуктивность равна:
22мкГн * 13,5 = 297мкГн.

Проверим ток конденсатора с новым значением индуктивности:
Ic = Uн * (1 - k) / 2 * L * f = 18В * (1 – 0.67) / 2 * 297Е-6Гн * 100000Гц = 0.1А

Получается, что с такой индуктивностью дросселя максимальный ток ключевого транзистора микросхемы не будет превышать:
Iт = Iн + Ic = 1.4А + 0.1А = 1.5А.
Выходит, что можно собрать на микросхеме стабилизатор с током нагрузки 1,4А …

Минусы такого решения – нужно мотать больше витков на дроссель.
Для данного примера – SQR (297кГн / 22 мкГн) = 3.67, почти в 4 раза.
Ток транзистора из треугольного становится прямоугольным. В результате, при открывании транзистора ток через него мгновенно достигает максимального значения, а не постепенно увеличивается от нуля. Если диод не быстрый, то появляется сквозной ток при включении. Решение проблемы – выбор более скоростного диода.

Наверно, самым большим минусом может стать ограничение по мощности, рассеиваемой микросхемой. В даташите указано 1,25Вт.
Но напряжение насыщения ключевого транзистора слишком велико, у меня – до 2В доходит. А это только статическая мощность больше 2Вт. То есть, уже превышение.

КПД остаётся, практически, прежним. Так как появившиеся динамические потери на включение в транзисторе будут скомпенсированы уменьшением потерь на выключение (уменьшением тока в 2.75А / 1.5А = 1.8раза), и потерь во входных и выходных конденсаторах (уменьшением пульсаций тока в 1.35А / 0.1А = 13.5 раза).

Плюсы – меньше в 13.5 раз требуемая емкость (качество) конденсаторов при сохранении пульсаций напряжения на нагрузке. Меньше размеры.
Сохранение ёмкости не увеличивает ток конденсаторов, но уменьшает пульсации на нагрузке.

DWD: Но напряжение насыщения ключевого транзистора слишком велико, у меня – до 2В доходит. А это только статическая мощность больше 2Вт. То есть, уже превышение.
Потери в статике надо умножить на скважность, получиться меньше двух ватт.

Забыт самый важный параметр, индукция в магнитопроводе,
она тоже увеличится во много раз, что потребует совсем другого сердечника, (в том числе и по цене, за размеры просто промолчу), и КПД уменьшится за счет оммического сопротивления индуктивности. И.Т.Д и Т.П.
ИМХО дешевле и проще подобрать другой контролер и МОСФЕТ.
Дешевле и проще.

vnv, хотел написать то же самое Ампервитки в такой схеме увеличатся как минимум в 4 раза. Вообще, дроссель в таких схемах рассчитывают не по непрерывности тока, а по заданному уровню пульсаций напряжения при максимальной нагрузке.

Арс: Потери в статике надо умножить на скважность...

Для приведенного выше примера - коэффициент заполнения 0,67. При токе 1,4А и напряжении насыщения 2В статические потери 2В*1,4А*0,67=1,87Вт.
Всё равно, больше...

А если напряжение питания упало, мощность нагрузки максимальная и такой режим длится долго?
Коэффициент заполнения станет почти равным 1.

vnv и chav1961, посчитайте мне, пожалуйста, индуктивность дросселя для стабилизатора при следующих данных:
1) напряжение питания - 30В,
2) напряжение нагрузки - 18В,
3) пульсации напряжения на нагрузке - 0,1В,
4) ток нагрузки меняется от 0,1А до 1,4А,
5) частота - 100кГц,
6) КПД - 90%.

С учётом того, что: "Недостатками режима прерывистых токов являются нелинейность регулировочной характеристики, увеличение внутреннего сопротивления и повышенная пульсация напряжения на нагрузке, так как на... (определённом) интервале времени дроссель не участвует в сглаживании переменного напряжения" и потому, что: "...режима прерывистых токов дросселя неоходимо избегать", хочу что бы стабилизатор работал в режиме непрерывного тока дросселя.

DWD: vnv и chav1961, посчитайте мне, пожалуйста, индуктивность дросселя для стабилизатора при следующих данных:
Думаю Вы способны сами посчитать .
Когда у меня вставала подобная задача, ставил последовательно с импульсным стабилизатором (рассчитанным на 1,5-2в выше необходимого, последователтный-интегральный), и не было проблем с разрывным током.
И размеры, и стоимость получались меньше, одного импульсного.
Пробовал и паралельно импульсному, аналоговый на ток в 10% от максимального-результаты были хуже, приходилось бороться в некоторых режимах с самовозбуждением, но тоже решаемо.
Не всегда, режима с разрывными токами надо боятся.
Не так страшен... (С)

Ув DWD, вот две статьи с Платановского сайта : http://www.platan.ru/shem/pdf/trans.pdf и http://www.platan.ru/shem/pdf/batt02.pdf Ничего сверх них для расчета не требуется

vnv и chav1961, суть моей просьбы посчитать индуктивность дросселя была в том, что не смотря на максимальный ток нагрузки 1,4А индуктивность дросселя Вам пришлось бы рассчитывать, исходя из минимального тока нагрузки в 0,1А.
Или, если Вам, chav1961, так удобнее - исходя из пульсаций тока дросселя 0,1А при токе нагрузки 1,4А, что, в принципе, одно и то же, так как пульсации тока транзистора зависят только от дросселя и не меняются при изменении тока нагрузки.

Методика, приведенная в ссылках chav1961, не отличается от той, по которой я считал (да и как иначе?..). Там и пример похожий есть - напряжение питания 40В, ток 2А при пульсации тока дросселя 0,2А. Полученная индуктивность аж 2мГн...
Куда там моему примеру, в котором для меньшего тока нагрузки индуктивность взята на порядок меньше!.. Хотя, в первом приближении, всё должно быть наоборот...

Правда, примеры там "отфонарёвые" и приведены с целью показать что от чего зависит...

Вот и получается, что одним из способов уменьшить амплитуду тока ключевого транзистора является увеличение индуктивности дросселя.
Всё остальное, связанное с этим - решаемо.
Собственно, я и не говорил о "Ноу-Хау", а лишь вспомнил о "тонкостях".

Тот, кто делал стабилизатор на МС34062 не мог не заметить, что выставив ток ограничения на каком то уровне, не мог получить на выходе нужное напряжение (и ток, хотя он был меньше порогового). Но стоило увеличить индуктивность дросселя, как и напряжение появлялось и ток нужный можно было получить в нагрузке...
Или другой пример - поставишь на выход конденсатор бОльшей ёмкости для уменьшения пульсаций, и замечаешь, что нужный ток нагрузки (и напряжение на ней) не выходит, так как защита, вдруг, начинает ограничивать ток...

Если индуктивность дросселя взята на границе режимов, то ток транзистора треугольный. Аплитуда ограничена резистором токовой защиты, и если она равна, например, максимальному току микросхемы 1,5А, то ток нагрузки, просто, не может быть больше половины амплитудного значения, и равен 1,5/2=0,75А.
Кстати, именно по этой методике и считает интернет-калькулятор для этой микросхемы. Если указать ток нагрузки, скажем, 0,8А, то появляется сообщение об ошибке - мол, ток больше максимально возможного: 1,6А вместо 1,5А...

Если же индуктивность много больше, то форма импульса из треугольной начинает переходить в прямоугольную. Как известно, при одинаковых высоте и основании, площадь прямоугольника в 2 раза больше площади треугольника. По этому, изменив форму тока из трегольной в прямоугольную, получим меньшую амплитуду тока при прежнем его среднем значении, то есть, при неизменном токе нагрузки.
В пределе, когда ток полностью прямоугольный, и с учётом того, что ток нагрузки равен току ключевого транзистора (без учёта тока выходного конденсатора, который, в принципе, не является необходимым), получается, что ток нагрузки равен предельному для транзистора значению 1,5А.

DWD: Если же индуктивность много больше, то форма импульса из треугольной начинает переходить в прямоугольную. Как известно, при одинаковых высоте и основании, площадь прямоугольника в 2 раза больше площади треугольника. По этому, изменив форму тока из трегольной в прямоугольную, получим меньшую амплитуду тока при прежнем его среднем значении, то есть, при неизменном токе нагрузки.
В пределе, когда ток полностью прямоугольный, и с учётом того, что ток нагрузки равен току ключевого транзистора (без учёта тока выходного конденсатора, который, в принципе, не является необходимым), получается, что ток нагрузки равен предельному для транзистора значению 1,5А.

Прямоугольного (в таких схемах) не бывает, похожий на трапецию-да.
Притом делиться эта трапеция на, треугольник и прямоугольник.
Дальше сами понимаете.

Ваше предложение, увеличивать индуктивность и уменьшать емкость (одинаковый уровенть пульсаций), приведет к...
При резком изменении тока нагрузки от 1,4а до 0,1а перенапряжение на выходе может достигнуть (в вашем случае) на нагрузке 50-100в или больше.
А мы о пульсациях в 0,1в говорим.
Это не теория, горел и не раз, с таким подходом.