DIY vysoko účinný prevodník 5V výstupu Buck!: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Chcel som efektívny spôsob zníženia vyššieho napätia z batérií LiPo (a iných zdrojov) na 5 V pre projekty elektroniky. V minulosti som používal generické moduly Buck z eBay, ale diskutabilná kontrola kvality a elektrolytické kondenzátory no name ma nenapĺňali sebavedomím.

Rozhodol som sa teda, že urobím svoj vlastný prevodník, ktorý nielenže vyzve seba, ale urobí aj niečo užitočné!

S čím som skončil, je prevodník buck, ktorý má veľmi široký rozsah vstupného napätia (vstup 6 V až 50 V) a výstupy 5 V pri záťažovom prúde až 1 A, všetko v malom formáte. Špičková účinnosť, ktorú som nameral, bola 94%, takže tento obvod je nielen malý, ale aj chladný.

Krok 1: Výber integrovaného obvodu

Aj keď môžete určite vyrobiť konvertor dolárov s niekoľkými operačnými zosilňovačmi a ďalšími podpornými komponentmi, získate lepší výkon a určite ušetríte veľa oblasti PCB, ak si namiesto toho vyberiete vyhradený integrovaný prevodník buck.

Na nájdenie vhodného integrovaného obvodu pre vaše potreby môžete použiť funkcie vyhľadávania a filtrovania na stránkach ako DigiKey, Mouser a Farnell. Na vyššie uvedenom obrázku môžete vidieť skľučujúcich 16, 453 dielov, ktoré sa zúžia na 12 možností iba niekoľkými kliknutiami!

Išiel som s MAX17502F v malom balení 3 mm x 2 mm, ale o niečo väčšie balenie by bolo pravdepodobne lepšie, ak plánujete ručné spájkovanie komponentov. Tento IC má množstvo funkcií, z ktorých najpozoruhodnejší je veľký vstupný rozsah až 60 V* a interné výkonové FET, čo znamená, že nie je potrebný žiadny externý MOSFET ani dióda.

*Všimnite si toho, že v úvode som uviedol, že to bol vstup 50 V, ale časť zvládne 60 V? Je to spôsobené vstupnými kondenzátormi a ak potrebujete vstup 60 V, obvod môže byť upravený tak, aby vyhovoval.

Krok 2: Skontrolujte údajový list zvoleného integrovaného obvodu

V technickom liste sa častejšie zobrazuje to, čo sa nazýva „typický aplikačný obvod“, čo bude veľmi podobné tomu, čo sa pokúšate dosiahnuť. To platilo pre môj prípad a aj keď je možné jednoducho skopírovať hodnoty komponentov a nazvať to hotovými, odporučil by som dodržať postup návrhu (ak je k dispozícii).

Tu je technický list MAX17502F:

Začínajúc na strane 12 existuje asi tucet veľmi jednoduchých rovníc, ktoré vám môžu pomôcť pri výbere vhodnejších hodnôt súčiastok, a tiež pomôže poskytnúť podrobnosti o niektorých prahových hodnotách - napríklad o minimálnej hodnote indukčnosti.

Krok 3: Vyberte komponenty pre svoj obvod

Počkajte, myslel som si, že túto časť sme už urobili? Predchádzajúca časť mala nájsť ideálne hodnoty komponentov, ale v skutočnom svete sa musíme uspokojiť s neideálnymi komponentmi a výhradami, ktoré s nimi súvisia.

Ako vstupné a výstupné kondenzátory sa napríklad používajú viacvrstvové keramické kondenzátory (MLCC). MLCC majú oproti elektrolytickým kondenzátorom mnoho výhod - najmä v prevodníkoch DC/DC -, ale podliehajú niečomu, čo sa nazýva zaujatosť DC.

Keď je na MLCC aplikované jednosmerné napätie, kapacita môže klesnúť až o 60%! To znamená, že váš kondenzátor 10 µF má teraz pri určitom jednosmernom napätí iba 4 µF. Neveríš mi? Pozrite sa na webovú stránku TDK a posuňte sa nadol na charakteristické údaje pre tento kondenzátor 10 µF.

Jednoduchá oprava tohto typu problému je jednoduchá, stačí použiť súbežne viac MLCC. To tiež pomáha znižovať zvlnenie napätia, pretože ESR je znížený a je veľmi bežné ho vidieť v komerčných výrobkoch, ktoré musia spĺňať prísne špecifikácie regulácie napätia.

Na vyššie uvedených obrázkoch je schematický a zodpovedajúci kusovník (kusovník) zo sady MAX17502F Evaluation Kit, takže ak sa vám zdá, že nenájdete dobrú voľbu komponentu, choďte na osvedčený príklad:)

Krok 4: Naplnenie schémy a rozloženia DPS

Keď sú vybraté vaše aktuálne komponenty, je načase vytvoriť schému, ktorá tieto komponenty zachytí. Preto som si vybral EasyEDA, ako som ju používal predtým s pozitívnymi výsledkami. Jednoducho pridajte svoje komponenty, uistite sa, že majú správnu veľkosť, a spojte komponenty dohromady rovnako ako predtým bežný aplikačný obvod.

Akonáhle je to hotové, kliknite na tlačidlo „Previesť na DPS“a dostanete sa do sekcie rozloženia DPS v nástroji. Ak si nie ste niečím istí, nie je dôvod sa znepokojovať, pretože o EasyEDA existuje množstvo online návodov.

Rozloženie PCB je veľmi dôležité a môže znamenať rozdiel medzi tým, či obvod funguje alebo nie. Dôrazne odporúčam dodržiavať všetky rady týkajúce sa rozloženia v technickom liste IC, ak sú k dispozícii. Analog Devices má skvelú aplikačnú poznámku na tému Rozloženie PCB, ak niekoho zaujíma:

Krok 5: Objednajte si PCB

Som si istý, že väčšina z vás v tomto mieste už videla propagačné správy vo videách na YouTube pre JLCPCB a PCBway, takže by nemalo byť prekvapením, že som použil aj jednu z týchto propagačných ponúk. Objednal som si svoje DPS z JLCPCB a dorazili o niečo viac ako 2 týždne neskôr, takže z finančného hľadiska sú celkom dobré.

Pokiaľ ide o kvalitu PCB, nemám žiadne sťažnosti, ale môžete to posúdiť:)

Krok 6: Montáž a testovanie

Ručne som spájkoval všetky súčiastky na prázdny plošný spoj, čo bolo celkom nešikovné, dokonca aj vtedy, keď som medzi komponentmi nechal ďalší priestor, ale existujú montážne služby od JLCPCB a od iných predajcov plošných spojov, ktoré by tento krok eliminovali.

Pripojením napájania k vstupným svorkám a meraním výstupu ma privítal 5,02 V, ako ho vidí DMM. Akonáhle som overil výstup 5V v celom rozsahu napätia, pripojil som na výstup elektronickú záťaž, ktorá bola upravená na odber prúdu 1A.

Buck začal priamo s týmto zaťažovacím prúdom 1A a keď som meral výstupné napätie (na doske), bolo to 5,01 V, takže regulácia záťaže bola veľmi dobrá. Vstupné napätie som nastavil na 12V, pretože to bol jeden z prípadov použitia, ktoré som mal na mysli pri tejto doske a vstupný prúd som zmeral ako 0,476A. To dáva účinnosť zhruba 87,7%, ale v ideálnom prípade by ste chceli na meranie účinnosti prístup k testovaniu štyrmi DMM.

Pri záťažovom prúde 1A som si všimol, že účinnosť je o niečo nižšia, ako sa očakávalo, verím, že je to kvôli stratám (I^2 * R) v induktore a v samotnom IC. Aby som to potvrdil, nastavil som prúd záťaže na polovicu a vyššie uvedené meranie zopakoval, aby som získal účinnosť 94%. To znamená, že znížením výstupného prúdu na polovicu sa znížili straty výkonu z ~ 615 mW na ~ 300 mW. Niektorým stratám sa nedá vyhnúť, ako napríklad prepínaním strát vo vnútri IC a pokojového prúdu, takže som s týmto výsledkom stále veľmi spokojný.

Krok 7: Zahrňte svoj vlastný PCB do niektorých projektov

Teraz máte stabilné napájanie 5V 1A, ktoré je možné napájať z lítiovej batérie 2S až 11S alebo z akéhokoľvek iného zdroja s napätím 6V až 50V, a nemusíte si lámať hlavu s tým, ako napájať svoje vlastné projekty v oblasti elektroniky. Či už ide o obvody založené na mikrokontroléroch alebo čisto analógové obvody, tento malý prevodník dolárov dokáže všetko!

Dúfam, že sa vám táto cesta páčila a ak ste sa dostali až sem, ďakujem vám veľmi pekne za prečítanie!