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

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Jeg ønsket en effektiv måte å trappe ned høyere spenninger fra LiPo -pakker (og andre kilder) til 5V for elektronikkprosjekter. Tidligere har jeg brukt generiske buck -moduler fra eBay, men den tvilsomme kvalitetskontrollen og ingen navn på elektrolytiske kondensatorer fylte meg ikke med tillit.

Så jeg bestemte meg for at jeg skulle lage min egen nedtrappingsomformer for ikke bare å utfordre meg selv, men også å lage noe nyttig!

Det jeg endte opp med er en buck -omformer som har et veldig bredt inngangsspenningsområde (6V opptil 50V inngang) og gir ut 5V ved opptil 1A laststrøm alt i en liten formfaktor. Toppeffektiviteten jeg målte var 94%, så ikke bare er denne kretsen liten, men den holder seg også kul.

Trinn 1: Velge en Buck IC

Selv om du absolutt kan lage en bukkonverter med en håndfull op-forsterkere og andre støttende komponenter, vil du få bedre ytelse og sikkert spare mye PCB-område hvis du i stedet velger en dedikert buck-omformer IC.

Du kan bruke søke- og filtreringsfunksjonene på nettsteder som DigiKey, Mouser og Farnell for å finne en passende IC for dine behov. På bildet ovenfor kan du se en skremmende 16, 453 deler bli innsnevret til 12 alternativer på bare noen få klikk!

Jeg gikk med MAX17502F i en liten 3 mm x 2 mm pakke, men en litt større pakke ville trolig vært bedre hvis du planlegger å lodde komponentene for hånd. Denne IC har mange funksjoner, hvorav det mest bemerkelsesverdige er det store inngangsområdet på opptil 60V* og de interne strømfetene som betyr at ingen ekstern MOSFET eller diode er nødvendig.

*Legg merke til at i introen sa jeg at det var 50V inngang, men delen kan håndtere 60V? Dette skyldes inngangskondensatorene, og hvis du trenger 60V -inngang, kan kretsen endres for å passe.

Trinn 2: Sjekk databladet for din valgte IC

Oftere enn ikke vil det være det som kalles en "Typisk applikasjonskrets" vist i databladet, som vil være veldig likt det du prøver å oppnå. Dette var sant for min sak, og selv om man bare kunne kopiere komponentverdiene og kalle det gjort, vil jeg anbefale å følge designprosedyren (hvis den er gitt).

Her er databladet til MAX17502F:

Fra side 12 er det omtrent et dusin veldig enkle ligninger som kan hjelpe deg med å velge mer passende komponentverdier, og det hjelper også med å gi detaljer om noen av terskelverdiene - for eksempel minimum induktansverdi.

Trinn 3: Velg komponenter for kretsen din

Vent, jeg trodde vi allerede gjorde denne delen? Vel, den forrige delen var å finne de ideelle komponentverdiene, men i den virkelige verden må vi nøye oss med ikke-ideelle komponenter og forbeholdene som følger med.

Som et eksempel brukes flerskiktede keramiske kondensatorer (MLCC) for inngangs- og utgangskondensatorene. MLCC har mange fordeler i forhold til elektrolytiske kondensatorer - spesielt i DC/DC -omformere - men de er underlagt noe som kalles DC Bias.

Når en DC -spenning tilføres en MLCC, kan kapasitansvurderingen falle med opptil 60%! Dette betyr at din 10µF kondensator nå bare er 4µF ved en viss likspenning. Ikke tro meg? Ta en titt på TDK -nettstedet og rull ned for karakteristiske data for denne 10µF kondensatoren.

En enkel løsning for denne typen problemer er enkel, bare bruk mer MLCC parallelt. Dette bidrar også til å redusere spenningsippelen ettersom ESR reduseres og er veldig vanlig å se i kommersielle produkter som må oppfylle strenge spesifikasjoner for spenningsregulering.

På bildene ovenfor er det en skjematisk og tilsvarende materialliste (BOM) fra MAX17502F Evaluation Kit, så hvis du ikke ser ut til å finne et godt komponentvalg, kan du gå med det velprøvde eksemplet:)

Trinn 4: Populere skjematisk og PCB -oppsett

Med de faktiske komponentene du har valgt, er det på tide å lage en skjematisk oversikt over disse komponentene, for dette valgte jeg EasyEDA som jeg har brukt det før med positive resultater. Bare legg til komponentene dine, og sørg for at de har riktig fotavtrykk, og koble komponentene sammen akkurat som den typiske applikasjonskretsen tidligere.

Når det er fullført, klikker du på "Konverter til kretskort" -knappen, og du kommer til PCB -oppsett -delen av verktøyet. Ikke bekymre deg hvis du ikke er sikker på noe, siden det er mange opplæringsprogrammer online om EasyEDA.

PCB -oppsett er veldig viktig, og det kan gjøre forskjellen mellom kretsen som fungerer eller ikke. Jeg vil sterkt anbefale å følge alle oppsettsrådene i databladet til IC der det er tilgjengelig. Analog Devices har et flott applikasjonsnotat om temaet PCB Layout hvis noen er interessert:

Trinn 5: Bestill PCB -ene

Jeg er sikker på at de fleste av dere på dette tidspunktet har sett reklamemeldingene i youtube -videoer for JLCPCB og PCBway, så det burde ikke komme som en overraskelse at jeg også brukte et av disse kampanjetilbudene. Jeg bestilte PCB -ene mine fra JLCPCB, og de kom litt over 2 uker senere, så rent pengemessig er de ganske gode.

Når det gjelder kvaliteten på kretskortene har jeg absolutt ingen klager, men du kan være dommer over det:)

Trinn 6: Montering og testing

Jeg loddet alle komponentene på hånden på det blanke kretskortet, noe som var ganske vanskelig selv med det ekstra rommet jeg forlot mellom komponentene, men det er monteringstjenester av JLCPCB og andre PCB -leverandører som ville eliminere behovet for dette trinnet.

Ved å koble til strøm til inngangsterminalene og måle utgangen, ble jeg møtt av 5.02V sett av DMM. Når jeg bekreftet 5V -utgangen over hele spenningsområdet, koblet jeg til en elektronisk belastning over utgangen som ble justert til 1A strømtrekk.

Buck startet rett opp med denne 1A belastningsstrømmen, og da jeg målte utgangsspenningen (på brettet) var den på 5,01V, så belastningsreguleringen var veldig bra. Jeg satte inngangsspenningen til 12V, da dette var en av brukstilfellene jeg hadde i tankene for dette kortet, og jeg målte inngangsstrømmen til 0,476A. Dette gir en effektivitet på omtrent 87,7%, men ideelt sett vil du ha en fire DMM -testmetode for effektivitetsmålinger.

Ved 1A laststrøm merket jeg at effektiviteten var litt lavere enn forventet, jeg tror dette skyldes (I^2 * R) tap i induktoren og i selve IC. For å bekrefte dette, satte jeg laststrømmen til halvparten og gjentok målingen ovenfor for å få en effektivitet på 94%. Dette betyr at ved å halvere utgangsstrømmen ble tapene redusert fra ~ 615mW ned til ~ 300mW. Noen tap vil være uunngåelige, for eksempel bytte tap inne i IC samt hvilestrøm, så jeg er fortsatt veldig fornøyd med dette resultatet.

Trinn 7: Inkluder din egendefinerte PCB i noen prosjekter

Nå har du en stabil 5V 1A forsyning som kan drives fra en 2S til 11S litiumbatteri, eller en hvilken som helst annen kilde mellom 6V og 50V, det er ingen grunn til å bekymre deg for hvordan du driver dine egne elektronikkprosjekter. Det være seg mikrokontrollerbasert eller rent analog krets, denne lille bukkomformeren kan gjøre alt!

Jeg håper du likte denne reisen, og hvis du har kommet så langt, tusen takk for at du leser!