Convertor de ieșire de 5V cu eficiență ridicată DIY: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Mi-am dorit un mod eficient de a reduce tensiunile mai mari de la pachetele LiPo (și alte surse) la 5V pentru proiecte electronice. În trecut, am folosit module generice Buck de la eBay, dar controlul de calitate discutabil și lipsa condensatorilor electrolitici nu m-au umplut cu încredere.

Așadar, am decis că îmi voi face propriul convertor de coborâre nu numai pentru a mă provoca, ci și pentru a face ceva util!

Ceea ce am ajuns este un convertor Buck care are o gamă foarte mare de tensiune de intrare (6V până la 50V intrare) și scoate 5V la curent de încărcare de până la 1A, toate într-un factor de formă mic. Eficiența maximă pe care am măsurat-o a fost de 94%, deci nu numai că acest circuit este mic, dar rămâne și el răcoros.

Pasul 1: Alegerea unui IC Buck

În timp ce puteți face cu siguranță un convertor Buck cu o mână de op-amperi și alte componente de susținere, veți obține performanțe mai bune și cu siguranță veți economisi o mulțime de suprafață PCB dacă alegeți în schimb un IC dedicat convertorului Buck.

Puteți utiliza funcțiile de căutare și filtrare pe site-uri precum DigiKey, Mouser și Farnell pentru a găsi un IC adecvat nevoilor dumneavoastră. În imaginea de mai sus puteți vedea 16, 453 de piese descurajante, reduse la 12 opțiuni în doar câteva clicuri!

Am mers cu MAX17502F într-un pachet mic de 3 mm x 2 mm, dar un pachet puțin mai mare ar fi probabil mai bun dacă intenționați să lipiți manual componentele. Acest IC are o mulțime de caracteristici, dintre care cea mai notabilă este gama mare de intrare de până la 60V * și FET-urile de putere internă care înseamnă că nu este nevoie de MOSFET extern sau diodă.

* Rețineți că, în introducere, am afirmat că este o intrare de 50V, dar piesa poate gestiona 60V? Acest lucru se datorează condensatorilor de intrare și, dacă aveți nevoie de intrare de 60V, circuitul poate fi modificat pentru a se potrivi.

Pasul 2: Verificați foaia de date a IC-ului ales

Cel mai adesea, va fi ceea ce se numește un „circuit tipic de aplicație” prezentat în foaia tehnică, care va fi foarte asemănător cu ceea ce încercați să realizați. Acest lucru a fost adevărat pentru cazul meu și, deși s-ar putea copia doar valorile componentelor și să le numim terminate, aș recomanda să urmați procedura de proiectare (dacă este prevăzută).

Iată fișa tehnică a MAX17502F:

Începând de la pagina 12 există aproximativ o duzină de ecuații foarte simple care vă pot ajuta să alegeți valori ale componentelor mai potrivite și vă ajută, de asemenea, să furnizați detalii despre unele dintre valorile prag - cum ar fi valoarea minimă a inductanței.

Pasul 3: Alegeți componente pentru circuitul dvs

Stai că am crezut că am făcut deja această parte? Ei bine, partea anterioară a fost să găsim valorile componentei ideale, dar în lumea reală trebuie să ne mulțumim cu componentele non-ideale și cu avertismentele care vin cu ele.

De exemplu, condensatoarele ceramice cu mai multe straturi (MLCC) sunt utilizate pentru condensatoarele de intrare și ieșire. MLCC-urile au multe beneficii față de condensatoarele electrolitice - în special la convertoarele DC / DC -, dar sunt supuse unui lucru numit DC Bias.

Când se aplică o tensiune continuă la un MLCC, capacitatea nominală poate scădea cu până la 60%! Aceasta înseamnă că condensatorul dvs. de 10µF este acum doar 4µF la o anumită tensiune DC. Nu mă crede? Aruncați o privire pe site-ul web TDK și derulați în jos pentru date caracteristice pentru acest condensator 10µF.

O soluție ușoară pentru acest tip de problemă este simplă, trebuie doar să utilizați mai multe MLCC în paralel. Acest lucru ajută, de asemenea, la reducerea creșterii tensiunii, deoarece ESR este redus și este foarte frecvent de văzut în produsele comerciale care trebuie să îndeplinească specificațiile stricte de reglementare a tensiunii.

În imaginile de mai sus există o schemă corespunzătoare a listei de materiale (BOM) din trusa de evaluare MAX17502F, deci dacă nu pare să găsiți o alegere bună de componentă, atunci mergeți cu exemplul încercat și testat:)

Pasul 4: popularea schemei și a aspectului PCB

Cu componentele dvs. reale alese, este timpul să creați o schemă care să capteze aceste componente, pentru aceasta am ales EasyEDA așa cum l-am folosit anterior cu rezultate pozitive. Pur și simplu adăugați componentele dvs., asigurându-vă că au dimensiunea potrivită și conectați componentele împreună la fel ca circuitul tipic de aplicație anterior.

După finalizare, faceți clic pe butonul „Convertiți în PCB” și veți fi adus la secțiunea Layout PCB a instrumentului. Nu vă faceți griji dacă nu sunteți sigur cu privire la ceva, deoarece există multe tutoriale online despre EasyEDA.

Aspectul PCB este foarte important și poate face diferența între circuitul de lucru sau nu. Aș sfătui cu tărie să urmez toate sfaturile de aspect din foaia tehnică a IC, acolo unde sunt disponibile. Analog Devices are o notă de aplicație excelentă pe tema Layout PCB dacă cineva este interesat:

Pasul 5: Comandați-vă PCB-urile

Sunt sigur că majoritatea dintre voi în acest moment ați văzut mesajele promoționale în videoclipurile de pe YouTube pentru JLCPCB și PCBway, așa că nu ar trebui să fie o surpriză faptul că am folosit și una dintre aceste oferte promoționale. Mi-am comandat PCB-urile de la JLCPCB și au ajuns puțin peste 2 săptămâni mai târziu, așa că doar din punct de vedere monetar sunt destul de bune.

În ceea ce privește calitatea PCB-urilor, nu am absolut nicio plângere, dar puteți fi judecătorul asta:)

Pasul 6: Asamblare și testare

Am lipit manual toate componentele pe PCB gol, ceea ce a fost destul de complicat chiar și cu camera suplimentară pe care am lăsat-o între componente, dar există servicii de asamblare de către JLCPCB și alți furnizori de PCB care ar elimina necesitatea acestui pas.

Conectând puterea la terminalele de intrare și măsurând ieșirea, am fost întâmpinat de 5,02 V așa cum se vede de DMM. Odată ce am verificat ieșirea de 5V pe întreaga gamă de tensiune, am conectat o sarcină electronică pe ieșire care a fost ajustată la curentul de 1A.

Buck a început direct cu acest curent de încărcare de 1A și când am măsurat tensiunea de ieșire (la placă) era la 5,01V, deci reglarea sarcinii a fost foarte bună. Am setat tensiunea de intrare la 12V deoarece acesta a fost unul dintre cazurile de utilizare pe care le aveam în minte pentru această placă și am măsurat curentul de intrare ca 0.476A. Acest lucru oferă o eficiență de aproximativ 87,7%, dar în mod ideal ați dori o abordare de testare cu patru DMM pentru măsurători de eficiență.

La curentul de încărcare de 1A am observat că eficiența a fost puțin mai mică decât era de așteptat, cred că acest lucru se datorează pierderilor (I ^ 2 * R) în inductor și în circuitul IC în sine. Pentru a confirma acest lucru, am setat curentul de încărcare la jumătate și am repetat măsurarea de mai sus pentru a obține o eficiență de 94%. Aceasta înseamnă că prin înjumătățirea curentului de ieșire pierderile de putere au fost reduse de la ~ 615mW până la ~ 300mW. Unele pierderi vor fi inevitabile, cum ar fi pierderile de comutare în interiorul CI, precum și curentul de repaus, așa că sunt încă foarte mulțumit de acest rezultat.

Pasul 7: Includeți PCB-ul personalizat în unele proiecte

Acum aveți o sursă stabilă de 5V 1A care poate fi alimentată de la un acumulator de litiu 2S la 11S sau orice altă sursă între 6V și 50V, nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la modul de alimentare a propriilor proiecte electronice. Fie că este vorba de circuite bazate pe microcontroler sau pur analogice, acest mic convertor Buck poate face totul!

Sper că ți-a plăcut această călătorie și dacă ai reușit până acum, îți mulțumesc foarte mult pentru lectură!