Convertidor de iones de litio a 12 V CC

En esta era de dispositivos que funcionan con baterías, es necesario un convertidor CC-CC para satisfacer los diferentes requisitos de energía de los circuitos electrónicos. Una batería es un tipo de fuente de CC cuyo voltaje de salida varía con el uso. Esto significa que no puede mantener un voltaje constante en la salida debido a sus características de descarga. Por este motivo, se utilizan reguladores para regular el suministro a tensión constante. Para regular la fuente de alimentación y cambiar la fuente de alimentación a un voltaje constante, se utilizan convertidores elevadores o reductores.

Un convertidor reductor, también conocido como convertidor reductor, se utiliza para disminuir el suministro de voltaje, mientras que un convertidor elevador, también conocido como convertidor elevador, se usa para aumentar el suministro de voltaje.

En este experimento, diseñaremos un convertidor elevador que funcionará con una batería de iones de litio y proporcionará una salida constante de 12 V CC. Para ello utilizaremos el IC MT3608; Probaremos el convertidor para una corriente de salida de hasta 250 m A.

Figura 1. Distribución de pines del IC MT3608

Acerca de MT3608

El MT3608 es un convertidor CC-CC avanzado destinado a aplicaciones pequeñas y de bajo consumo. Está fabricado por Aerosemi y tiene las siguientes características principales:

1. Alta frecuencia de conmutación (1,2 MHz). Esto permite el uso de un inductor y un condensador de bajo costo.
2. Amplio rango de voltaje de entrada (2V a 24V). Esto lo hace adecuado para una batería de iones de litio de 3,7 V como entrada.
3. Tensión de salida ajustable hasta 28 V.
4. Hasta 97% de eficiencia
5. Límite de corriente interna a 4A

Distribución de pines MT3608

Selección de componentes
El IC necesita componentes externos para actuar como un convertidor DC-DC. Se requieren los siguientes componentes de sesgo:

1. Inductor
2. Diodo
3. Condensador
4. Resistor

Figura 2. Conexión del circuito convertidor de Li-on a 12 V CC con MT3608

Inductor (L1)

El inductor es el elemento de almacenamiento de energía en un convertidor CC-CC. Almacena energía cuando el MOSFET está encendido y proporciona la energía almacenada a la salida cuando el MOSFET está apagado. La energía almacenada en el inductor hace que actúe como fuente de energía y aumenta la potencia de entrada, lo que aumenta el voltaje de salida en relación con la entrada.

Según la hoja de datos, un inductor de 4,7uH a 22uH es adecuado para la aplicación. La corriente nominal del inductor debe ser mayor que la corriente máxima de salida. Utilizamos un inductor con un valor de 10uH/2.1A.

Diodo (D1)
El diodo se utiliza para transferir la energía almacenada en el inductor. La energía se transfiere al capacitor de salida cuando el interruptor MOSFET está apagado.

Se prefiere un diodo Schottky porque ofrece una baja caída de tensión directa. La corriente nominal debe ser mayor que la corriente máxima de salida. El diodo debe tener un voltaje de ruptura inverso mayor que el voltaje de salida requerido. Usamos 30BQ100TR porque es más adecuado para la aplicación.

Condensador (C1, C2)
Se utiliza un condensador para filtrar la entrada y salida de CC. También ignora el ruido en la señal de CC.

Según la hoja de datos, se recomiendan condensadores cerámicos de 22uF en la entrada y salida. La clasificación de voltaje debe ser mayor que el voltaje de entrada y salida deseado. Usamos 22uF/50V en entrada y salida.

Resistencias (R1, R2)
Se requiere una red de resistencias para alimentar el voltaje de salida al IC. La retroalimentación ayuda a regular la producción.

Según la hoja de datos, se da la fórmula para calcular el valor de las resistencias de retroalimentación:

V _SALIDA =V _REFERENCIA x (1 + R ₁ /R ₂ )

Donde V _REFERENCIA = 0,6 V. Si consideramos R1 = 200k, entonces R2 = 10,47K. Esta red de resistencias proporciona un V _OFF de 12,06 V.

Observaciones prácticas
Realizamos pruebas con el convertidor a diferentes cargas y voltajes de entrada para entender la eficiencia y regulación del voltaje de salida.

De las observaciones se puede ver que la eficiencia es mejor con cargas ligeras. En cargas más altas, las pérdidas como la conducción MOSFET y la pérdida de conmutación, la pérdida del inductor y la pérdida del diodo disminuyen la eficiencia.

Diseños de PCB
Para realizar los experimentos y probar el CI, diseñamos una placa de circuito impreso usando KiCAD. Las capas de señal superior e inferior se muestran en las Figuras 3 y 4 .

Figura 3. Capa superior de PCB

Figura 4. Capa inferior de PCB

Precauciones y fuentes de error

1. Una señal electromagnética de alta potencia puede alterar el funcionamiento del convertidor. El inductor se comportará mal cuando un campo magnético externo interfiera con él.
2. Se deben utilizar condensadores cerámicos en la entrada y salida para un filtrado adecuado. Los condensadores cerámicos ofrecen una ESR (resistencia en serie equivalente) baja, por lo que se prefieren a los condensadores electrolíticos.
3. La tolerancia en las resistencias utilizadas para la retroalimentación puede resultar en una desviación en el voltaje de salida deseado. Se puede utilizar una resistencia de baja tolerancia para minimizar la deriva.
4. Debe evitarse el cortocircuito de los terminales de salida del convertidor. Esto puede causar daños permanentes al IC.

Figura 5. Imagen en tiempo real de las conexiones de PCB para el convertidor de Li-on a 12 V CC