DIY High Efficiency 5V Output Buck Converter!: 7 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Iθελα έναν αποτελεσματικό τρόπο μείωσης υψηλότερων τάσεων από πακέτα LiPo (και άλλες πηγές) σε 5V για έργα ηλεκτρονικής. Στο παρελθόν είχα χρησιμοποιήσει γενικές μονάδες buck από το eBay, αλλά ο αμφίβολος ποιοτικός έλεγχος και κανένα όνομα ηλεκτρολυτικών πυκνωτών δεν με γέμισαν εμπιστοσύνη.

Έτσι, αποφάσισα ότι θα φτιάξω τον δικό μου μετατροπέα για να μην αμφισβητήσω μόνο τον εαυτό μου, αλλά και να κάνω κάτι χρήσιμο!

Αυτό που κατέληξα είναι ένας μετατροπέας buck που έχει πολύ μεγάλο εύρος τάσης εισόδου (είσοδος 6V έως 50V) και εξάγει 5V σε ρεύμα φορτίου έως 1Α όλα σε μικρό συντελεστή φόρμας. Η μέγιστη απόδοση που μέτρησα ήταν 94%, οπότε όχι μόνο αυτό το κύκλωμα είναι μικρό, αλλά παραμένει και δροσερό.

Βήμα 1: Επιλέγοντας ένα Buck IC

Ενώ μπορείτε σίγουρα να κάνετε έναν μετατροπέα buck με μια χούφτα op-ενισχυτές και άλλα υποστηρικτικά εξαρτήματα, θα έχετε καλύτερη απόδοση και σίγουρα θα εξοικονομήσετε πολύ περιοχή PCB αν επιλέξετε αντίθετα ένα IC μετατροπέα buck.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις λειτουργίες αναζήτησης και φιλτραρίσματος σε ιστότοπους όπως DigiKey, Mouser και Farnell για να βρείτε ένα κατάλληλο IC για τις ανάγκες σας. Στην παραπάνω εικόνα μπορείτε να δείτε ένα τρομακτικό 16, 453 μέρη περιορίζονται σε 12 επιλογές σε λίγα μόνο κλικ!

Πήγα με το MAX17502F σε ένα μικρό πακέτο 3mm x 2mm, αλλά ένα ελαφρώς μεγαλύτερο πακέτο θα ήταν μάλλον καλύτερο εάν σχεδιάζατε να κολλήσετε στο χέρι τα εξαρτήματα. Αυτό το IC έχει πολλά χαρακτηριστικά, τα πιο αξιοσημείωτα από τα οποία είναι το μεγάλο εύρος εισόδου έως 60V* και τα εσωτερικά FET που σημαίνει ότι δεν απαιτείται εξωτερικό MOSFET ή δίοδος.

*Σημειώστε ότι στην εισαγωγή δήλωσα ότι ήταν είσοδος 50V, αλλά το μέρος μπορεί να χειριστεί 60V; Αυτό οφείλεται στους πυκνωτές εισόδου και εάν χρειάζεστε είσοδο 60V το κύκλωμα μπορεί να τροποποιηθεί ανάλογα.

Βήμα 2: Ελέγξτε το φύλλο δεδομένων του επιλεγμένου σας IC

Τις περισσότερες φορές, θα εμφανιστεί αυτό που ονομάζεται "Τυπικό κύκλωμα εφαρμογής" στο φύλλο δεδομένων, το οποίο θα είναι πολύ παρόμοιο με αυτό που προσπαθείτε να επιτύχετε. Αυτό ίσχυε για την περίπτωσή μου και παρόλο που κάποιος μπορούσε απλώς να αντιγράψει τις τιμές των συστατικών και να το χαρακτηρίσει ολοκληρωμένο, θα συνιστούσα να ακολουθήσετε τη διαδικασία σχεδιασμού (εάν παρέχεται).

Εδώ είναι το φύλλο δεδομένων του MAX17502F:

Ξεκινώντας από τη σελίδα 12 υπάρχουν περίπου δώδεκα πολύ απλές εξισώσεις που μπορούν να σας βοηθήσουν να επιλέξετε πιο κατάλληλες τιμές συνιστωσών και βοηθά επίσης στην παροχή λεπτομερειών σχετικά με ορισμένες από τις τιμές κατωφλίου - όπως η ελάχιστη τιμή επαγωγής.

Βήμα 3: Επιλέξτε εξαρτήματα για το κύκλωμά σας

Περιμένετε νόμιζα ότι κάναμε ήδη αυτό το κομμάτι; Λοιπόν, το προηγούμενο μέρος ήταν να βρούμε τις ιδανικές τιμές συστατικών, αλλά στον πραγματικό κόσμο πρέπει να αρκεστούμε σε μη ιδανικά συστατικά και τις επιφυλάξεις που έρχονται.

Για παράδειγμα, πολλαπλών στρωμάτων κεραμικοί πυκνωτές (MLCCs) χρησιμοποιούνται για τους πυκνωτές εισόδου και εξόδου. Τα MLCC έχουν πολλά οφέλη έναντι των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών - ειδικά στους μετατροπείς DC/DC - αλλά υπόκεινται σε κάτι που ονομάζεται DC Bias.

Όταν εφαρμόζεται τάση DC σε MLCC, η χωρητικότητα χωρητικότητας μπορεί να μειωθεί έως και 60%! Αυτό σημαίνει ότι ο πυκνωτής σας 10 μF είναι τώρα μόλις 4 μF σε συγκεκριμένη τάση DC. Δεν με πιστεύεις; Ρίξτε μια ματιά στον ιστότοπο της TDK και μετακινηθείτε προς τα κάτω για χαρακτηριστικά δεδομένα για αυτόν τον πυκνωτή 10 μF.

Μια εύκολη λύση για αυτόν τον τύπο ζητήματος είναι απλή, απλώς χρησιμοποιήστε περισσότερο MLCC παράλληλα. Αυτό βοηθά επίσης στη μείωση του κυματισμού της τάσης καθώς μειώνεται το ESR και είναι πολύ συχνό φαινόμενο σε εμπορικά προϊόντα που πρέπει να πληρούν αυστηρές προδιαγραφές ρύθμισης τάσης.

Στις παραπάνω εικόνες υπάρχει ένας σχηματικός και αντίστοιχος λογαριασμός υλικών (BOM) από το κιτ αξιολόγησης MAX17502F, οπότε αν δεν μπορείτε να βρείτε μια καλή επιλογή εξαρτημάτων, προχωρήστε με το δοκιμασμένο παράδειγμα:)

Βήμα 4: Συμπλήρωση της σχηματικής διάταξης και της διάταξης PCB

Με τα επιλεγμένα στοιχεία σας, ήρθε η ώρα να δημιουργήσετε ένα σχηματικό σχήμα που να καταγράφει αυτά τα στοιχεία, γι 'αυτό επέλεξα το EasyEDA όπως το είχα χρησιμοποιήσει στο παρελθόν με θετικά αποτελέσματα. Απλώς προσθέστε τα εξαρτήματά σας, βεβαιωθείτε ότι έχουν το σωστό μέγεθος αποτυπώματος και συνδέστε τα στοιχεία μεταξύ τους, όπως ακριβώς και το τυπικό κύκλωμα εφαρμογής στο παρελθόν.

Μόλις ολοκληρωθεί, κάντε κλικ στο κουμπί "Μετατροπή σε PCB" και θα μεταφερθείτε στην ενότητα Διάταξη PCB του εργαλείου. Μην ανησυχείτε αν δεν είστε σίγουροι για κάτι, καθώς υπάρχουν πολλά σεμινάρια στο διαδίκτυο σχετικά με το EasyEDA.

Η διάταξη PCB είναι πολύ σημαντική και μπορεί να κάνει τη διαφορά μεταξύ του κυκλώματος που λειτουργεί ή όχι. Θα συνιστούσα ανεπιφύλακτα να ακολουθήσετε όλες τις συμβουλές διάταξης στο φύλλο δεδομένων του IC όπου είναι διαθέσιμες. Οι Αναλογικές Συσκευές έχουν μια εξαιρετική σημείωση εφαρμογής σχετικά με το θέμα της διάταξης PCB εάν ενδιαφέρεται κάποιος:

Βήμα 5: Παραγγείλετε τα PCB σας

Είμαι βέβαιος ότι οι περισσότεροι από εσάς σε αυτό το σημείο έχετε δει τα διαφημιστικά μηνύματα σε βίντεο στο YouTube για JLCPCB και PCBway, οπότε δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι χρησιμοποίησα και εγώ μία από αυτές τις διαφημιστικές προσφορές. Παρήγγειλα τα PCB μου από το JLCPCB και έφτασαν λίγο περισσότερο από 2 εβδομάδες αργότερα, οπότε από νομισματικής άποψης είναι αρκετά καλά.

Όσο για την ποιότητα των PCB δεν έχω κανένα απολύτως παράπονο, αλλά εσείς μπορείτε να κρίνετε αυτό:)

Βήμα 6: Συναρμολόγηση και δοκιμή

Κόλλησα με το χέρι όλα τα εξαρτήματα στο κενό PCB, το οποίο ήταν αρκετά άβολο ακόμη και με το επιπλέον χώρο που άφησα μεταξύ των εξαρτημάτων, αλλά υπάρχουν υπηρεσίες συναρμολόγησης από την JLCPCB και άλλους προμηθευτές PCB που θα εξαλείψουν την ανάγκη για αυτό το βήμα.

Συνδέοντας την ισχύ στους ακροδέκτες εισόδου και μετρώντας την έξοδο, χαιρέτησα με 5,02V όπως φαίνεται από το DMM. Μόλις επαληθεύσω την έξοδο 5V σε ολόκληρο το εύρος τάσης, συνέδεσα ένα ηλεκτρονικό φορτίο στην έξοδο, το οποίο προσαρμόστηκε στο 1A ρεύμα.

Το Buck ξεκίνησε κατευθείαν με αυτό το ρεύμα φορτίου 1Α και όταν μέτρησα την τάση εξόδου (στην πλακέτα) ήταν στα 5,01V, οπότε η ρύθμιση του φορτίου ήταν πολύ καλή. Ρύθμιση της τάσης εισόδου στα 12V, καθώς αυτή ήταν μια από τις περιπτώσεις χρήσης που είχα στο μυαλό μου για αυτόν τον πίνακα και μέτρησα το ρεύμα εισόδου ως 0,476A. Αυτό δίνει απόδοση περίπου 87,7%, αλλά ιδανικά θα θέλατε μια προσέγγιση δοκιμής τεσσάρων DMM για μετρήσεις απόδοσης.

Στο ρεύμα φόρτισης 1Α παρατήρησα ότι η απόδοση ήταν λίγο χαμηλότερη από την αναμενόμενη, πιστεύω ότι αυτό οφείλεται σε (I^2 * R) απώλειες στον επαγωγέα και στο ίδιο το IC. Για να το επιβεβαιώσω, έθεσα το ρεύμα φόρτωσης στο μισό και επανέλαβα την παραπάνω μέτρηση για να έχω απόδοση 94%. Αυτό σημαίνει ότι μειώνοντας κατά το ήμισυ το ρεύμα εξόδου οι απώλειες ισχύος μειώθηκαν από 15 615mW σε ~ 300mW. Ορισμένες απώλειες θα είναι αναπόφευκτες, όπως οι απώλειες μεταγωγής στο εσωτερικό του IC καθώς και το ρεύμα ηρεμίας, οπότε είμαι ακόμα πολύ ευχαριστημένος με αυτό το αποτέλεσμα.

Βήμα 7: Συμπεριλάβετε το προσαρμοσμένο PCB σας σε ορισμένα έργα

Τώρα έχετε μια σταθερή τροφοδοσία 5V 1A που μπορεί να τροφοδοτηθεί από μια μπαταρία λιθίου 2S έως 11S ή οποιαδήποτε άλλη πηγή μεταξύ 6V και 50V, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για το πώς θα τροφοδοτήσετε τα δικά σας ηλεκτρονικά έργα. Είτε πρόκειται για μικροελεγκτές είτε για καθαρά αναλογικά κυκλώματα, αυτός ο μικρός μετατροπέας buck μπορεί να τα κάνει όλα!

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το ταξίδι και αν το έχετε κάνει μέχρι εδώ, σας ευχαριστώ πολύ που το διαβάσατε!