DIY High Efficiency 5V Output Buck -muunnin!: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Halusin tehokkaan tavan alentaa korkeampia jännitteitä LiPo -pakkauksista (ja muista lähteistä) 5 volttiin elektroniikkaprojekteissa. Olen aiemmin käyttänyt eBayn geneerisiä buck -moduuleja, mutta kyseenalainen laadunvalvonta ja nimettömät elektrolyyttikondensaattorit eivät täyttäneet minua luottamuksella.

Niinpä päätin, että teen oman askelmuuntimen paitsi haastaakseni itseni myös tehdäkseni jotain hyödyllistä!

Mitä päädyin, on buck -muunnin, jolla on erittäin laaja tulojännitealue (6V - 50V tulo) ja ulostulot 5V enintään 1A kuormitusvirralla pienessä muodossa. Huipputehokkuus, jonka mittain, oli 94%, joten tämä piiri ei ole vain pieni, vaan myös viileä.

Vaihe 1: Buck IC: n valitseminen

Vaikka voit varmasti tehdä buck-muuntimen, jossa on kourallinen op-vahvistimia ja muita tukikomponentteja, saat paremman suorituskyvyn ja varmasti säästät paljon PCB-aluetta, jos valitset sen sijaan omistetun buck-muuntimen IC.

Voit käyttää etsintä- ja suodatustoimintoja DigiKey-, Mouser- ja Farnell -sivustoilla löytääksesi tarpeisiisi sopivan IC: n. Yllä olevassa kuvassa näet pelottavan 16, 453 osaa kavennetaan 12 vaihtoehtoon muutamalla napsautuksella!

Kävin MAX17502F: n kanssa pienessä 3 mm x 2 mm: n pakkauksessa, mutta hieman suurempi paketti olisi luultavasti parempi, jos aiot juottaa komponentit käsin. Tässä IC: ssä on paljon ominaisuuksia, joista merkittävin on suuri tuloväli jopa 60 V* ja sisäiset teho -FET: t, mikä tarkoittaa, että ulkoista MOSFET: ää tai diodia ei tarvita.

*Huomaa, että introissa totesin, että se oli 50 V: n tulo, mutta osa voi käsitellä 60 V: n? Tämä johtuu tulokondensaattoreista ja jos tarvitset 60 V: n tuloa, piiriä voidaan muokata sopivaksi.

Vaihe 2: Tarkista valitsemasi IC -laitteen tietolehti

Useimmiten tietolomakkeessa näkyy "tyypillinen sovelluspiiri", joka on hyvin samanlainen kuin mitä yrität saavuttaa. Tämä pätee minun tapauksessani, ja vaikka komponentin arvot voitaisiin vain kopioida ja kutsua valmiiksi, suosittelen suunnittelumenettelyn noudattamista (jos sellainen on).

Tässä on MAX17502F: n tietolomake:

Sivulta 12 alkaen on noin kymmenen hyvin yksinkertaista yhtälöä, jotka voivat auttaa sinua valitsemaan sopivampia komponenttiarvoja, ja se auttaa myös antamaan tietoja joistakin kynnysarvoista - kuten vähimmäisinduktanssiarvosta.

Vaihe 3: Valitse piirisi komponentit

Odota, luulin, että olemme jo tehneet tämän osan? No, edellinen osa oli löytää ihanteelliset komponenttiarvot, mutta todellisessa maailmassa meidän on tyydyttävä ei-ihanteellisiin komponentteihin ja niihin liittyviin varoituksiin.

Tulo- ja lähtökondensaattoreina käytetään esimerkiksi monikerroksisia keraamisia kondensaattoreita (MLCC). MLCC -laitteilla on monia etuja elektrolyyttikondensaattoreihin verrattuna - erityisesti DC/DC -muuntimissa - mutta niihin kohdistuu jotain, jota kutsutaan DC -esijännitteeksi.

Kun DC -jännite syötetään MLCC: hen, kapasitanssi voi laskea jopa 60%! Tämä tarkoittaa, että 10 µF kondensaattorisi on nyt vain 4 µF tietyllä tasavirralla. Älä usko minua? Katso TDK: n verkkosivustoa ja selaa alaspäin tämän 10µF: n kondensaattorin ominaistietoja varten.

Helppo korjaus tämän tyyppisiin ongelmiin on yksinkertainen, käytä vain enemmän MLCC: tä rinnakkain. Tämä auttaa myös vähentämään jännitteen aaltoilua, kun ESR on pienentynyt, ja se on hyvin yleistä kaupallisissa tuotteissa, joiden on täytettävä tiukat jännitesäädöt.

Yllä olevissa kuvissa on kaavamainen ja vastaava materiaaliluettelo (BOM) MAX17502F -arviointipakkauksesta, joten jos et löydä hyvää komponenttivaihtoehtoa, käytä kokeiltua esimerkkiä:)

Vaihe 4: Kaavion ja piirilevyasettelun täyttäminen

Kun todelliset komponentit on valittu, on aika luoda kaavio, joka tallentaa nämä komponentit, tätä varten valitsin EasyEDAn, koska olen käyttänyt sitä aiemmin positiivisin tuloksin. Yksinkertaisesti lisää komponentit, varmista, että niillä on oikean kokoinen jalanjälki ja liitä komponentit yhteen aivan kuten tyypillinen sovelluspiiri aiemmin.

Kun olet valmis, napsauta "Muunna PCB: ksi" -painiketta ja sinut ohjataan työkalun PCB -asettelu -osioon. Älä ole huolissasi, jos et ole varma jostain, koska verkossa on monia opetusohjelmia EasyEDA -ohjelmasta.

Piirilevyasettelu on erittäin tärkeä, ja se voi tehdä eron piirin toimivuuden välillä. Suosittelen ehdottomasti noudattamaan kaikkia IC: n tietolomakkeen asetteluohjeita, jos ne ovat saatavilla. Analog Devicesilla on loistava sovellushuomautus piirilevyasettelusta, jos jotakuta kiinnostaa:

Vaihe 5: Tilaa piirilevyt

Olen varma, että useimmat teistä ovat tässä vaiheessa nähneet JLCPCB: n ja PCBwayn YouTube -videoiden mainosviestit, joten ei pitäisi olla yllätys, että käytin myös yhtä näistä kampanjatarjouksista. Tilasin piirilevyt JLCPCB: ltä ja ne saapuivat hieman yli 2 viikkoa myöhemmin, joten vain rahan kannalta ne ovat melko hyviä.

Mitä tulee piirilevyjen laatuun, minulla ei ole mitään valittamista, mutta voit olla sen tuomari:)

Vaihe 6: Kokoonpano ja testaus

Juotin kaikki komponentit käsin tyhjälle piirilevylle, mikä oli melko hankalaa, vaikka jäin ylimääräiseen tilaan komponenttien väliin, mutta JLCPCB ja muut PCB -myyjät tarjoavat kokoonpanopalveluja, jotka poistavat tämän vaiheen tarpeen.

Kytkemällä virran tuloliittimiin ja mittaamalla lähtöä minut tervehtii 5.02V DMM: n näkemänä. Kun olen tarkistanut 5 V: n lähdön koko jännitealueella, kytkin sähköisen kuorman lähdön yli, joka oli säädetty 1 A: n virrankulutukseen.

Buck alkoi suoraan tällä 1A: n kuormitusvirralla ja kun mittain lähtöjännitettä (piirilevyltä), se oli 5,01 V, joten kuorman säätö oli erittäin hyvä. Asetin tulojännitteen 12 V: ksi, koska tämä oli yksi käyttötapauksista, jotka minulla oli mielessä tälle levylle, ja mittasin tulovirran 0,476A: ksi. Tämä antaa tehokkuuden noin 87,7%, mutta mieluiten haluat, että tehokkuuden mittaamiseen käytetään neljää DMM -testausmenetelmää.

1A kuormitusvirralla huomasin, että hyötysuhde oli hieman odotettua alhaisempi, uskon, että tämä johtuu (I^2 * R) menetyksistä induktorissa ja itse IC: ssä. Vahvistaakseni tämän asetin kuormitusvirran puoleen ja toisin yllä olevan mittauksen, jotta hyötysuhde olisi 94%. Tämä tarkoittaa sitä, että puolittamalla lähtövirran tehohäviöt vähenivät ~ 615 mW: sta ~ 300 mW: iin. Jotkin häviöt ovat väistämättömiä, kuten kytkentähäviöt IC: n sisällä ja lepovirta, joten olen edelleen erittäin tyytyväinen tähän tulokseen.

Vaihe 7: Sisällytä mukautettu piirilevy joihinkin projekteihin

Nyt sinulla on vakaa 5V 1A -jännite, joka voi saada virtaa 2S -11S -litium -akusta tai mistä tahansa muusta 6V -50V: n lähteestä, sinun ei tarvitse huolehtia omien elektroniikkaprojektiesi virrasta. Olipa kyseessä mikrokontrolleripohjainen tai puhtaasti analoginen piiri, tämä pieni buck -muunnin voi tehdä kaiken!

Toivottavasti piditte tästä matkasta ja jos olette päässeet tähän asti, kiitos paljon lukemisesta!