DIY vysoce účinný převodník 5V výstupu Buck!: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Chtěl jsem efektivní způsob, jak snížit vyšší napětí z LiPo packů (a dalších zdrojů) na 5V pro projekty elektroniky. V minulosti jsem používal generické buck moduly z eBay, ale diskutabilní kontrola kvality a bezejmenné elektrolytické kondenzátory mě nenaplnily důvěrou.

Rozhodl jsem se tedy, že si vytvořím svůj vlastní převodník, abych nejen vyzval sám sebe, ale také vytvořil něco užitečného!

S čím jsem skončil, je převodník buck, který má velmi široký rozsah vstupního napětí (6V až 50V vstup) a výstupy 5V při zátěžovém proudu až 1A vše v malém provedení. Špičková účinnost, kterou jsem naměřil, byla 94%, takže tento obvod je nejen malý, ale také zůstává v pohodě.

Krok 1: Volba Buck IC

I když můžete určitě vytvořit převaděč bucků s hrstkou operačních zesilovačů a dalších podpůrných komponent, získáte lepší výkon a určitě ušetříte spoustu oblasti PCB, pokud místo toho vyberete vyhrazený integrovaný převodník buck.

Pomocí funkcí vyhledávání a filtrování na webech jako DigiKey, Mouser a Farnell můžete najít vhodný integrovaný obvod pro vaše potřeby. Na výše uvedeném obrázku můžete vidět skličujících 16, 453 dílů zúžených na 12 možností během několika kliknutí!

Šel jsem s MAX17502F v malém balení 3 mm x 2 mm, ale o něco větší balení by pravděpodobně bylo lepší, pokud máte v plánu ruční pájení komponent. Tento IC má spoustu funkcí, z nichž nejvýznamnější je velký rozsah vstupu až 60 V* a interní výkonové FET, což znamená, že není potřeba žádný externí MOSFET ani dioda.

*Všimněte si, že v úvodu jsem uvedl, že to bylo 50V vstup, ale část zvládne 60V? Je to způsobeno vstupními kondenzátory a pokud potřebujete vstup 60 V, obvod lze upravit tak, aby vyhovoval.

Krok 2: Zkontrolujte datový list zvoleného integrovaného obvodu

Častěji než ne, bude v datovém listu zobrazeno to, čemu se říká „typický aplikační obvod“, což bude velmi podobné tomu, čeho se snažíte dosáhnout. To platilo pro můj případ a přestože bylo možné pouze zkopírovat hodnoty komponent a nazvat to hotovým, doporučil bych dodržet postup návrhu (pokud je k dispozici).

Zde je datový list MAX17502F:

Počínaje stranou 12 existuje asi tucet velmi jednoduchých rovnic, které vám mohou pomoci vybrat vhodnější hodnoty komponent a také poskytnout podrobnosti o některých prahových hodnotách - například minimální hodnotě indukčnosti.

Krok 3: Vyberte součásti pro svůj obvod

Počkejte, myslel jsem, že jsme tuto část už udělali? Předchozí část měla najít ideální hodnoty komponent, ale v reálném světě se musíme spokojit s neideálními komponentami a s námitkami, které s sebou nesou.

Jako vstupní a výstupní kondenzátory se například používají vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC). MLCC mají oproti elektrolytickým kondenzátorům mnoho výhod - zejména v měničích DC/DC - ale podléhají něčemu, čemu se říká DC Bias.

Při použití stejnosměrného napětí na MLCC může kapacita klesnout až o 60%! To znamená, že váš kondenzátor 10 µF je nyní při určitém stejnosměrném napětí pouze 4 µF. Nevěříš mi? Podívejte se na webovou stránku TDK a přejděte dolů na charakteristická data pro tento kondenzátor 10 µF.

Snadná oprava tohoto typu problému je jednoduchá, stačí použít více MLCC souběžně. To také pomáhá snížit zvlnění napětí, protože ESR je sníženo a je velmi běžné, že se vyskytuje v komerčních produktech, které musí splňovat přísné specifikace regulace napětí.

Na výše uvedených obrázcích je schematický a odpovídající kusovník (MAXIMÁLNÍ kusovník) ze soupravy MAX17502F Evaluation Kit, takže pokud se vám nezdá, že byste našli správnou volbu komponent, pokračujte osvědčeným příkladem:)

Krok 4: Naplnění schématu a rozvržení desky plošných spojů

Když jsou vybrány vaše skutečné komponenty, je načase vytvořit schéma, které tyto komponenty zachycuje, a proto jsem si vybral EasyEDA, jak jsem ji použil dříve s pozitivními výsledky. Jednoduše přidejte své komponenty, ujistěte se, že mají správnou velikost, a spojte je dohromady stejně jako dříve typický aplikační obvod.

Jakmile je to hotové, klikněte na tlačítko „Převést na PCB“a dostanete se do části Rozvržení DPS nástroje. Pokud si něčím nejste jisti, nedělejte si starosti, protože o EasyEDA existuje mnoho online návodů.

Rozložení desky plošných spojů je velmi důležité a může znamenat rozdíl mezi tím, zda obvod funguje nebo ne. Důrazně doporučuji dodržovat všechny rady ohledně rozvržení v datovém listu IC, pokud jsou k dispozici. Pokud má někdo zájem, má Analog Devices skvělou aplikační poznámku na téma Rozložení DPS:

Krok 5: Objednejte si PCB

Jsem si jistý, že většina z vás v tomto okamžiku viděla propagační zprávy ve videích na YouTube pro JLCPCB a PCBway, takže by nemělo být překvapením, že jsem také použil jednu z těchto propagačních nabídek. Objednal jsem si své PCB z JLCPCB a dorazily o něco více než 2 týdny později, takže z peněžního hlediska jsou docela dobré.

Pokud jde o kvalitu PCB, nemám absolutně žádné stížnosti, ale můžete to posoudit:)

Krok 6: Montáž a testování

Ručně jsem připájel všechny součásti na prázdnou desku plošných spojů, což bylo docela chaotické, i když jsem mezi součástmi nechal další prostor, ale existují montážní služby JLCPCB a dalších prodejců PCB, které by tento krok eliminovaly.

Připojením napájení ke vstupním svorkám a měřením výstupu mě přivítal 5,02 V, jak jej viděl DMM. Jakmile jsem ověřil výstup 5V v celém rozsahu napětí, připojil jsem na výstup elektronickou zátěž, která byla upravena na odběr proudu 1A.

Buck začal přímo s tímto zatěžovacím proudem 1A a když jsem změřil výstupní napětí (na desce), bylo to 5,01 V, takže regulace zátěže byla velmi dobrá. Nastavil jsem vstupní napětí na 12V, protože to byl jeden z případů použití, které jsem měl na mysli pro tuto desku, a naměřil jsem vstupní proud jako 0,476A. To dává účinnost zhruba 87,7%, ale v ideálním případě byste pro měření účinnosti chtěli přístup čtyř testů DMM.

Při zatěžovacím proudu 1A jsem si všiml, že účinnost je o něco nižší, než se očekávalo, domnívám se, že je to kvůli ztrátám (I^2 * R) v induktoru a v samotném IC. Abych to potvrdil, nastavil jsem proud zátěže na polovinu a výše uvedené měření opakoval, abych získal účinnost 94%. To znamená, že snížením výstupního proudu na polovinu byly ztráty výkonu sníženy z ~ 615 mW až na ~ 300 mW. Některým ztrátám se nelze vyhnout, jako jsou spínací ztráty uvnitř IC a klidový proud, takže jsem s tímto výsledkem stále velmi spokojený.

Krok 7: Zahrňte vlastní PCB do některých projektů

Nyní máte stabilní 5V 1A napájení, které může být napájeno z lithiové baterie 2S až 11S nebo z jakéhokoli jiného zdroje mezi 6V a 50V, není třeba si dělat starosti s napájením vlastních elektronických projektů. Ať už se jedná o obvody založené na mikrokontrolérech nebo čistě analogové obvody, tento malý převodník babek zvládne všechno!

Doufám, že se vám tato cesta líbila a pokud jste se dostali až sem, moc vám děkuji za přečtení!