Disseny d’un PDB (Power Distribution Board) d’alta potència per a un Pixhawk: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Un PCB per alimentar-los a tots!

Actualment, la majoria dels materials que necessiteu per construir un dron estan disponibles a baix preu a Internet, de manera que la idea de fabricar un PCB auto-desenvolupat no val la pena, excepte en alguns casos en què voleu fer un dron estrany i potent. En aquest cas, és millor que tingueu recursos o que tingueu un tutorial instructables sobre això …;)

Pas 1: Objectius

Els objectius d’aquest PCB (i els motius pels quals no es pot trobar a Internet) són:

1.- Ha d’alimentar el Pixhawk 4 amb la mesura de corrent, la mesura de tensió i el mateix connector.

2.- Ha de tenir els connectors d'E / S i FMU dirigits als pins, no cal CAP i ADC en el meu cas.

3.- Ha de poder alimentar 5 motors amb un corrent màxim combinat de 200A, Sí, 0, 2 KiloAmperes.

Nota: encara és útil per a dissenys amb menys motors o menys corrent. Aquest és només el meu cas.

Pas 2: Esquemes i tria de components

D'acord, ara ja sabem què volem fer. Per continuar dissenyarem els esquemes.

Si no voleu entendre l'electrònica que hi ha darrere d'aquest tauler, només cal que copieu els esquemes i aneu al següent pas.

Els esquemes es poden dividir en dues parts principals, el DCDC per alimentar el pixhawk i la distribució de potència dels motors.

Amb el DCDC, la manera més senzilla seria utilitzar un Traco Power DCDC i evitar haver de dissenyar-lo, però com que no m'agrada la forma fàcil, faré servir un LM5576MH de Texas Instruments. Aquest integrat és un DCDC que pot gestionar una sortida de fins a 3A i el seu full de dades us indica tota la informació sobre les connexions i components necessaris i proporciona les fórmules per obtenir les especificacions desitjades del DCDC modificant els components utilitzats.

Amb això, el disseny del DCDC per al Pixhawk, en el meu cas, acaba com es veu a la imatge.

A l’altra banda, la distribució de potència consisteix en la detecció del corrent i de la tensió i de la distribució pròpia que es considerarà en el següent pas.

La detecció de tensió serà simplement un divisor de tensió que al seu voltatge màxim de 60 V (tensió màxima suportada pel DCDC) emet un senyal de 3,3 V.

La detecció actual és una mica més complexa, fins i tot seguirem utilitzant la llei d'Ohm. Per detectar el corrent utilitzarem resistències de derivació. Per maximitzar la quantitat de corrent que poden manejar, s’utilitzaran resistències de 10W. Amb aquesta potència, les resistències de derivació SMD més petites que vaig poder trobar eren de 0,5 mohm.

Combinant les dades anteriors i la fórmula de potència, W = I² × R, el corrent màxim és 141A, que no és suficient. És per això que s’utilitzaran dues resistències de derivació en paral·lel de manera que la resistència equivalent sigui de 0,25 mohm i el corrent màxim sigui el 200A desitjat. Aquestes resistències es connectaran a un INA169 també procedent d’instruments de Texas i, com al DCDC, el seu disseny es farà seguint la fitxa tècnica.

Finalment, els connectors utilitzats són de la sèrie GHS dels connectors JST i se segueix el pinout de pixhawk 4 per fer la connexió correcta.

Nota: No tenia el component INA169 a Altium, així que només he utilitzat un regulador de voltatge amb la mateixa petjada.

Nota 2: tingueu en compte que es col·loquen alguns components, però el valor diu NO, això significa que no s'utilitzaran tret que alguna cosa del disseny funcioni malament.

Pas 3: Disseny del PCB amb Altium Designer

En aquest pas es farà l'enrutament del pcb.

Primer el que s’ha de fer és col·locar els components i definir la forma de la placa. En aquest cas es faran dues zones diferents, el DCDC i els connectors, i la zona d'alimentació.

A la zona d’alimentació, els coixinets queden fora del tauler, de manera que es pot utilitzar un tub de contracció de calor després de la soldadura i la connexió queda ben protegida.

Un cop fet això, el següent és l'encaminament dels components, per fer que les dues capes s'utilitzin de manera eficient i s'utilitzin traces més grans a les connexions d'alimentació. I recordeu, no hi ha angles rectes a les traces!

Un cop realitzat l’encaminament i no abans, s’apliquen els polígons, aquí hi haurà un polígon GND a la capa inferior i un altre a la capa superior però només cobrint la zona DCDC i els connectors. La zona d’alimentació de la capa superior s’utilitzarà per a l’entrada de tensió tal com es mostra a la tercera imatge.

Finalment, aquest tauler no podia manejar el 200A per al qual està dissenyat, de manera que algunes zones del polígon quedaran exposades sense serigrafia, tal com es veu a les dues darreres imatges, de manera que s’hi soldi algun fil descobert i la quantitat de corrent que pugui passar pel consell és més que suficient per complir els nostres requisits.

Pas 4: creació dels fitxers Gerber per a JLCPCB

Un cop acabat el disseny, s’ha de fer realitat. Per fer-ho, el millor fabricant amb el qual he treballat és JLCPCB, revisen el tauler fins i tot abans de pagar-lo, de manera que, si troben algun error, el podeu solucionar sense perdre diners i confieu en mi, això és un veritable salvavides.

Com que aquest tauler és de dues capes i fa menys de 10x10 cm, 10 unitats només costen 2 $ + l’enviament, òbviament, és una opció millor que fer-ho vosaltres mateixos perquè a un preu baix s’obté una qualitat perfecta.

Per enviar-los el disseny, s’ha d’exportar a fitxers gerber, tenen tutorials per a Altium, Eagle, Kikad i Diptrace.

Finalment, aquests fitxers només s'han de penjar al lloc web de pressupostos.

Pas 5: finalitzar

I ja està!

Quan arriben els PCB, arriba la part més fresca, soldar i provar. I per suposat! Penjaré més fotos!

Durant la setmana següent, soldaré el meu prototip i el provaré, de manera que si voleu fer aquest projecte, espereu fins a la següent marca d’estat OK. Amb això, evitaré qualsevol feina errònia o substitució de resistència

Soldadura: NO

Prova: ENCARA

Tingueu en compte que es tracta de soldar SMD, si és la primera vegada que soldeu o no teniu un bon soldador, considereu fer un altre projecte, ja que pot ser una font de problemes.

Si algú té dubtes sobre el procés, no dubti en posar-se en contacte amb mi.

A més, si ho feu, si us plau, m'encantaria conèixer-ho i veure'l.