Convertidor de buck de sortida de 5V d'alta eficiència de bricolatge: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Volia una manera eficient de reduir tensions més altes dels paquets LiPo (i altres fonts) a 5V per a projectes electrònics. En el passat he utilitzat mòduls genèrics Buck d’Ebay, però el control de qualitat qüestionable i els condensadors electrolítics sense nom no em van omplir de confiança.

Per tant, vaig decidir que faria el meu propi convertidor reductor per no només desafiar-me, sinó també per fer alguna cosa útil.

El que he acabat és un convertidor de dòlars que té un rang de voltatge d’entrada molt ampli (entrada de 6V a 50V) i que genera 5V a un corrent de càrrega de fins a 1A tot en un petit factor de forma. L’eficiència màxima que vaig mesurar va ser del 94%, de manera que aquest circuit no només és petit, sinó que també es manté fresc.

Pas 1: escolliu un IC Buck

Tot i que segur que podeu fer un convertidor de dòlars amb un grapat d’amplificadors operatius i altres components de suport, obtindreu un millor rendiment i, sens dubte, estalvieu molta àrea de PCB si, en lloc d’això, escolliu un CI dedicat al convertidor de dòlars.

Podeu utilitzar les funcions de cerca i filtratge en llocs com DigiKey, Mouser i Farnell per trobar un CI adequat a les vostres necessitats. A la imatge superior podeu veure un descoratjador de 16, 453 parts es redueixen a 12 opcions en només uns clics.

Vaig anar amb el MAX17502F en un petit paquet de 3 mm x 2 mm, però probablement seria millor un paquet una mica més gran si teniu previst soldar els components a mà. Aquest CI té moltes funcions, la més notable de les quals és l’ampli rang d’entrada de fins a 60 V * i els FET de potència interns que signifiquen que no calen MOSFET ni díodes externs.

* Tingueu en compte que a la introducció he indicat que era una entrada de 50V, però la peça pot suportar 60V? Això es deu als condensadors d'entrada i, si necessiteu una entrada de 60V, el circuit es pot modificar per adaptar-lo.

Pas 2: comproveu el full de dades del vostre IC triat

Més sovint, hi haurà el que es denomina "circuit d'aplicació típic" al full de dades, que serà molt similar al que intenteu aconseguir. Això era cert per al meu cas i, tot i que només es podrien copiar els valors dels components i anomenar-los fets, us recomanaria seguir el procediment de disseny (si es proporciona).

Aquí teniu el full de dades del MAX17502F:

A partir de la pàgina 12 hi ha aproximadament una dotzena d’equacions molt senzilles que us poden ajudar a triar valors de components més adequats i també ajuden a proporcionar detalls sobre alguns dels valors llindars, com ara el valor mínim d’inductància.

Pas 3: trieu components per al vostre circuit

Espera que he pensat que ja hem fet aquesta part? Bé, la part anterior consistia a trobar els valors de components ideals, però en el món real ens hem de conformar amb components no ideals i les advertències que s’acompanyen.

Com a exemple, s’utilitzen condensadors ceràmics de capes múltiples (MLCC) per als condensadors d’entrada i sortida. Els MLCC tenen molts avantatges respecte als condensadors electrolítics, especialment en convertidors CC / CC, però estan subjectes a una cosa anomenada CC Bias.

Quan s’aplica una tensió CC a un MLCC, la capacitat nominal pot baixar fins a un 60%. Això significa que el condensador de 10 µF ara només té 4 µF a una determinada tensió de corrent continu. No em creguis? Feu una ullada al lloc web TDK i desplaceu-vos cap avall per obtenir les dades característiques d’aquest condensador de 10 µF.

Una solució senzilla per a aquest tipus de problemes és senzilla, només cal utilitzar més MLCC en paral·lel. Això també ajuda a reduir l'ondulació del voltatge, ja que es redueix l'ESR i és molt comú veure-ho en productes comercials que necessiten complir les especificacions estrictes de regulació de voltatge.

A les imatges anteriors hi ha una llista de materials (BOM) esquemàtica i corresponent del kit d’avaluació MAX17502F, de manera que, si sembla que no trobeu una bona elecció de components, aneu amb l’exemple provat:)

Pas 4: omplir el disseny esquemàtic i del PCB

Amb els vostres components reals escollits, és hora de crear un esquema que capturi aquests components, per això vaig triar EasyEDA tal com l’he utilitzat abans amb resultats positius. Simplement afegiu els components, assegurant-vos que tinguin la mida adequada i connecteu els components junts, igual que el circuit d’aplicació típic anteriorment.

Un cop acabat, feu clic al botó "Converteix a PCB" i accedireu a la secció Disseny de PCB de l'eina. No us preocupeu si no esteu segur d’alguna cosa, ja que hi ha molts tutorials en línia sobre EasyEDA.

El disseny del PCB és molt important i pot marcar la diferència entre el circuit o no. Aconsellaria encaridament seguir tots els consells de disseny del full de dades de l’IC, quan estiguin disponibles. Analog Devices té una bona nota d’aplicació sobre el tema del disseny de PCB si algú hi està interessat:

Pas 5: demaneu els vostres PCB

Estic segur que la majoria de vosaltres en aquest moment heu vist els missatges promocionals dels vídeos de youtube per a JLCPCB i PCBway, de manera que no hauria de sorprendre que també fes servir una d’aquestes ofertes promocionals. Vaig demanar els meus PCB a JLCPCB i van arribar poc més de dues setmanes després, de manera que només són molt bons des del punt de vista monetari.

Quant a la qualitat dels PCB, no tinc cap queixa, però podeu ser-ne el jutge:)

Pas 6: Muntatge i proves

Vaig soldar a mà tots els components al PCB en blanc, cosa que era bastant complicada fins i tot amb l’espai addicional que vaig deixar entre els components, però hi ha serveis de muntatge de JLCPCB i altres proveïdors de PCB que eliminarien la necessitat d’aquest pas.

Connectant l’alimentació dels terminals d’entrada i mesurant la sortida, em van rebre 5.02V, tal com ho va veure el DMM. Una vegada que vaig verificar la sortida de 5V a tot el rang de voltatge, vaig connectar una càrrega electrònica a la sortida que es va ajustar a la corrent de 1A.

El Buck va començar recte amb aquest corrent de càrrega de 1A i quan vaig mesurar el voltatge de sortida (a la placa) estava a 5,01 V, de manera que la regulació de la càrrega era molt bona. Vaig configurar el voltatge d'entrada a 12V, ja que aquest era un dels casos d'ús que tenia en compte per a aquesta placa i vaig mesurar el corrent d'entrada com a 0,476A. Això proporciona una eficiència aproximada del 87,7%, però idealment voldríeu un enfocament de proves de quatre DMM per mesurar l'eficiència.

Amb una intensitat de càrrega de 1A, em vaig adonar que l’eficiència era una mica inferior a l’esperada, crec que això es deu a pèrdues (I ^ 2 * R) a l’inductor i al propi CI. Per confirmar-ho, he establert el corrent de càrrega a la meitat i he repetit la mesura anterior per obtenir una eficiència del 94%. Això significa que, reduint a la meitat el corrent de sortida, les pèrdues de potència es redueixen de ~ 615 mW a ~ 300 mW. Algunes pèrdues seran inevitables, com ara pèrdues de commutació a l’interior de l’IC, així com el corrent en repòs, de manera que encara estic molt content d’aquest resultat.

Pas 7: Incloeu el vostre PCB personalitzat en alguns projectes

Ara teniu un subministrament estable de 5V 1A que es pot alimentar des d’un paquet de bateries de liti de 2S a 11S o qualsevol altra font entre 6V i 50V; no cal que us preocupeu per alimentar els vostres propis projectes electrònics. Ja sigui un circuit basat en microcontroladors o purament analògic, aquest petit convertidor pot fer-ho tot.

Espero que us hagi agradat aquest viatge i, si heu arribat fins aquí, moltes gràcies per llegir!