Zrób to sam wysokowydajny konwerter wyjściowy 5 V!: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Chciałem wydajnie obniżyć wyższe napięcia z pakietów LiPo (i innych źródeł) do 5V dla projektów elektronicznych. W przeszłości używałem generycznych modułów buck z eBaya, ale wątpliwa kontrola jakości i nienazwane kondensatory elektrolityczne nie napawały mnie zaufaniem.

Postanowiłem więc, że zrobię własny konwerter obniżający poziom, aby nie tylko rzucić sobie wyzwanie, ale także stworzyć coś użytecznego!

Skończyło się na konwerterze buck, który ma bardzo szeroki zakres napięcia wejściowego (wejście 6 V do 50 V) i wyprowadza 5 V przy prądzie obciążenia do 1 A, wszystko w małej obudowie. Szczytowa wydajność, którą zmierzyłem, wyniosła 94%, więc ten obwód jest nie tylko mały, ale także pozostaje chłodny.

Krok 1: Wybór IC Buck

Chociaż z pewnością możesz zrobić konwerter buck z kilkoma wzmacniaczami operacyjnymi i innymi komponentami pomocniczymi, uzyskasz lepszą wydajność i na pewno zaoszczędzisz dużo miejsca na PCB, jeśli zamiast tego wybierzesz dedykowany układ scalony konwertera buck.

Możesz użyć funkcji wyszukiwania i filtrowania w witrynach takich jak DigiKey, Mouser i Farnell, aby znaleźć odpowiedni układ scalony do swoich potrzeb. Na powyższym obrazku widać, że zniechęcające 16 453 części zostały zawężone do 12 opcji za pomocą zaledwie kilku kliknięć!

Poszedłem z MAX17502F w malutkim opakowaniu 3mm x 2mm, ale nieco większy pakiet byłby prawdopodobnie lepszy, jeśli planujesz ręczne lutowanie komponentów. Ten układ scalony ma wiele funkcji, z których najbardziej godne uwagi jest duży zakres wejściowy do 60 V* i wewnętrzne tranzystory mocy FET, co oznacza, że nie jest potrzebny żaden zewnętrzny tranzystor MOSFET ani dioda.

*Zauważ, że we wstępie stwierdziłem, że było to wejście 50V, ale część może obsłużyć 60V? Wynika to z kondensatorów wejściowych i jeśli potrzebujesz wejścia 60 V, obwód można dostosować do własnych potrzeb.

Krok 2: Sprawdź arkusz danych wybranego układu scalonego

Częściej niż nie, w arkuszu danych pojawi się tak zwany „Typowy obwód aplikacji”, który będzie bardzo podobny do tego, co próbujesz osiągnąć. Tak było w moim przypadku i chociaż można było po prostu skopiować wartości komponentów i nazwać to zrobionym, zalecałbym postępowanie zgodnie z procedurą projektowania (jeśli została podana).

Oto arkusz danych MAX17502F:

Począwszy od strony 12 znajduje się około tuzina bardzo prostych równań, które mogą pomóc w wyborze bardziej odpowiednich wartości komponentów, a także pomagają podać szczegóły dotyczące niektórych wartości progowych, takich jak minimalna wartość indukcyjności.

Krok 3: Wybierz komponenty do swojego obwodu

Zaczekaj, myślałem, że już zrobiliśmy tę część? Cóż, poprzednia część polegała na znalezieniu idealnych wartości komponentów, ale w prawdziwym świecie musimy zadowolić się nieidealnymi komponentami i ograniczeniami, które się z nimi wiążą.

Na przykład wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) są używane do kondensatorów wejściowych i wyjściowych. Kondensatory MLCC mają wiele zalet w porównaniu z kondensatorami elektrolitycznymi – zwłaszcza w przetwornikach DC/DC – ale podlegają tzw.

Po przyłożeniu napięcia stałego do MLCC pojemność może spaść nawet o 60%! Oznacza to, że twój kondensator 10µF ma teraz tylko 4µF przy określonym napięciu DC. Nie wierzysz mi? Zajrzyj na stronę TDK i przewiń w dół, aby znaleźć dane charakterystyczne dla tego kondensatora 10µF.

Łatwe rozwiązanie tego typu problemu jest proste, wystarczy równolegle użyć większej liczby MLCC. Pomaga to również zmniejszyć tętnienie napięcia, ponieważ ESR jest zmniejszony i jest bardzo często spotykane w produktach komercyjnych, które muszą spełniać rygorystyczne specyfikacje dotyczące regulacji napięcia.

Na powyższych zdjęciach znajduje się schemat i odpowiedni wykaz materiałów (BOM) z zestawu ewaluacyjnego MAX17502F, więc jeśli nie możesz znaleźć dobrego wyboru komponentów, skorzystaj z wypróbowanego i przetestowanego przykładu:)

Krok 4: Wypełnianie schematu i układu PCB

Po wybraniu rzeczywistych komponentów nadszedł czas, aby stworzyć schemat, który przechwytuje te komponenty, do tego wybrałem EasyEDA, ponieważ używałem go wcześniej z pozytywnymi wynikami. Po prostu dodaj swoje komponenty, upewniając się, że mają odpowiedni rozmiar i połącz je razem, tak jak poprzednio typowy obwód aplikacji.

Po zakończeniu kliknij przycisk „Konwertuj na PCB”, a zostaniesz przeniesiony do sekcji PCB Layout narzędzia. Nie martw się, jeśli nie jesteś czegoś pewien, ponieważ istnieje wiele samouczków online na temat EasyEDA.

Układ PCB jest bardzo ważny i może mieć wpływ na to, czy obwód działa, czy nie. Zdecydowanie radzę postępować zgodnie ze wszystkimi wskazówkami dotyczącymi układu w arkuszu danych układu scalonego, jeśli są dostępne. Analog Devices ma świetną notatkę aplikacyjną na temat PCB Layout, jeśli ktoś jest zainteresowany:

Krok 5: Zamów swoje płytki drukowane

Jestem pewien, że większość z was widziała już wiadomości promocyjne w filmach na youtube dla JLCPCB i PCBway, więc nie powinno dziwić, że również skorzystałem z jednej z tych ofert promocyjnych. Zamówiłem moje PCB w JLCPCB i dotarły one nieco ponad 2 tygodnie później, więc z finansowego punktu widzenia są całkiem dobre.

Co do jakości płytek nie mam absolutnie żadnych zastrzeżeń, ale możesz być tego sędzią:)

Krok 6: Montaż i testowanie

Ręcznie przylutowałem wszystkie komponenty do pustej płytki PCB, co było dość kłopotliwe, nawet z dodatkowym miejscem, które pozostawiłem między komponentami, ale są usługi montażowe od JLCPCB i innych dostawców płytek PCB, które wyeliminują potrzebę tego kroku.

Podłączając zasilanie do zacisków wejściowych i mierząc wyjście, powitał mnie 5,02 V, jak widać na DMM. Po zweryfikowaniu wyjścia 5 V w całym zakresie napięć, podłączyłem obciążenie elektroniczne na wyjściu, które zostało ustawione na pobór prądu 1 A.

Buck zaczął od razu z tym prądem obciążenia 1A, a kiedy mierzyłem napięcie wyjściowe (na płycie), było to 5,01 V, więc regulacja obciążenia była bardzo dobra. Ustawiłem napięcie wejściowe na 12V, ponieważ był to jeden z przypadków użycia, jakie miałem na myśli dla tej płyty i zmierzyłem prąd wejściowy jako 0,476A. Daje to wydajność około 87,7%, ale idealnie byłoby, gdyby do pomiarów wydajności potrzebne było podejście do testowania czterech multimetrów cyfrowych.

Przy prądzie obciążenia 1 A zauważyłem, że wydajność była nieco niższa niż oczekiwano, uważam, że jest to spowodowane stratami (I ^ 2 * R) w cewce i w samym układzie scalonym. Aby to potwierdzić, ustawiłem prąd obciążenia na połowę i powtórzyłem powyższy pomiar, aby uzyskać sprawność 94%. Oznacza to, że dzięki zmniejszeniu o połowę prądu wyjściowego straty mocy zostały zredukowane z ~615mW do ~300mW. Niektóre straty będą nieuniknione, takie jak straty przełączania wewnątrz układu scalonego oraz prąd spoczynkowy, więc nadal jestem bardzo zadowolony z tego wyniku.

Krok 7: Włącz niestandardową płytkę drukowaną do niektórych projektów

Teraz masz stabilne zasilanie 5V 1A, które może być zasilane z akumulatora litowego od 2S do 11S lub z dowolnego innego źródła między 6V a 50V, nie musisz się martwić o to, jak zasilać własne projekty elektroniczne. Niezależnie od tego, czy są to obwody oparte na mikrokontrolerze, czy czysto analogowe, ten mały konwerter może zrobić wszystko!

Mam nadzieję, że podobała Ci się ta podróż i jeśli dotarłeś tak daleko, bardzo dziękuję za przeczytanie!