Vieno elemento pakėlimo keitiklio grandinė naudojant monetų elementą - 5v išėjimas

Baterijos elementai yra dažniausiai naudojamas nešiojamosios elektronikos energijos šaltinis. Ar tai būtų paprastas žadintuvas, ar IoT jutiklio mazgas, ar sudėtingas mobilusis telefonas, viską maitina baterijos. Daugeliu atvejų šie nešiojamieji prietaisai turi turėti mažą formos faktorių (pakuotės dydį), todėl juos maitina vienos ląstelės akumuliatorius, pavyzdžiui, populiarus „CR2032“ ličio elementas arba kitas 3,7 V ličio polimeras arba 18650 elementai. Šios ląstelės užima didelę energiją dėl savo dydžio, tačiau dažnas šių elementų trūkumas yra veikimo įtampa. Tipiškos ličio baterijos vardinė įtampa yra 3,7 V, tačiau ši įtampa gali nusileisti iki 2,8 V, kai ji visiškai nusausinta, ir iki 4,2 V, kai ji yra visiškai įkrauta, o tai nėra labai pageidautina mūsų elektronikos projektams, kurie dirba su reguliuojamu 3.3 V arba 5V kaip darbinė įtampa.

Dėl to reikia didinimo keitiklio, kuris gali įjungti šį kintamąjį nuo 2,8 iki 4,2 V kaip įėjimo įtampą ir reguliuoti jį iki pastovios 3,3 V arba 5 V. Laimei, nors yra IC, vadinamas BL8530, kuris daro tą patį su minimaliais išoriniais komponentais. Taigi šiame projekte sukursime pigių 5 V stiprintuvo grandinę, kuri užtikrins pastovią reguliuojamą 5 V išėjimo įtampą iš CR2032 monetų elemento; Taip pat sukursime kompaktišką plokštę šiam keitiklio keitikliui, kad jį būtų galima naudoti visuose būsimuose nešiojamuose projektuose. Didžiausia keitiklio keitiklio išėjimo srovė bus 200mAkuris yra pakankamai geras maitinti pagrindinius mikrovaldiklius ir jutiklius. Kitas šios grandinės privalumas yra tas, kad jei jūsų projektui reikalingas reguliuojamas 3,3 V, o ne 5 V, ta pati grandinė taip pat gali būti naudojama reguliuojant 3,3 V tiesiog pakeičiant vieną komponentą. Ši grandinė taip pat gali veikti kaip „ Power Bank“, kad įjungtų mažas plokštes, tokias kaip „Arduino“, STM32, MSP430 ir kt. Anksčiau mes kūrėme panašaus tipo stiprintuvą, naudodami ličio bateriją, kad įkrautumėte mobilųjį telefoną.

Reikalingos medžiagos

• BL8530-5V stiprintuvo IC (SOT89)
• 47uH induktorius (5 mm SMD)
• SS14 diodas (SMD)
• 1000uF 16V tantalo kondensatorius (SMD)
• Monetų langelių laikiklis
• USB jungtis

Vieno langelio padidinimo keitiklio projektavimo aspektai

Vieno elemento „Boost“ keitiklio projektavimo reikalavimai skirsis nuo įprasto „boost“ keitiklio. Taip yra todėl, kad čia baterijos (monetų elemento) energija yra padidinama iki išėjimo įtampos, kad mūsų prietaisas veiktų. Taigi reikia pasirūpinti, kad stiprintuvo grandinė išnaudotų maksimalų akumuliatoriaus efektyvumą, kad prietaisas būtų kuo ilgiau įjungtas. Pasirinkdami savo dizaino stiprintuvą, galite atsižvelgti į šiuos keturis parametrus. Taip pat galite perskaityti straipsnį apie „Boost Regulator Design“, kad sužinotumėte daugiau apie jį.

Paleidimo įtampa: Tai yra mažiausia reikalinga akumuliatoriaus įėjimo įtampa, kad padidinimo keitiklis galėtų pradėti veikti. Kai įjungiate padidinimo keitiklį, akumuliatorius turėtų bent jau suteikti tokią pradinę įtampą, kad jūsų stiprintuvas veiktų. Mūsų projekte reikalaujama paleidimo įtampa yra 0,8 V, kuri yra žemesnė už bet kokią visiškai iškrautą monetų elementų įtampą.

Palaikymo įtampa: Kai prietaisas bus maitinamas jūsų stiprinimo grandine, akumuliatoriaus įtampa pradės mažėti, nes jis išleidžia energiją. Įtampa, iki kurios palaikys stiprintuvo IC, yra laikoma įtampa. Žemiau šios įtampos IC nustos veikti ir mes negausime išėjimo įtampos. Atkreipkite dėmesį, kad laikomoji įtampa visada bus mažesnė nei paleidimo įtampa. Tai reiškia, kad IC reikės daugiau įtampos, kad pradėtų veikti, o veikimo metu jis gali išsikrauti akumuliatorių žemiau. Laikymo įtampa mūsų grandinėje yra 0,7 V.

Ramybės srovė: srovės kiekis, kurį mūsų stiprintuvo grandinė traukia (eikvoja), net kai išėjimo pusėje nėra prijungta apkrova, vadinamas ramybės srove. Ši vertė turėtų būti kuo mažesnė, mūsų IC atveju ramybės srovės vertė yra nuo 4uA iki 7uA. Labai svarbu, kad ši vertė būtų maža arba lygi nuliui, jei prietaisas ilgą laiką nebus prijungtas prie apkrovos.

Atsparumas įjungimui: visoje padidinimo keitiklio grandinėje bus naudojamas perjungimo įtaisas, pvz., MOSFET ar kiti FET. Jei mes naudojame keitiklio IC, šis perjungimo įrenginys bus įterptas į IC. Svarbu, kad šis jungiklis turėtų labai mažą atsparumą įjungimui. Pavyzdžiui, čia suprojektuotas IC BL8530 turi vidinį jungiklį, kurio įjungimo varža yra 0,4Ω, o tai yra tinkama vertė. Šis pasipriešinimas sumažins jungiklio įtampą, atsižvelgiant į jo srovę (omo dėsnis), taip sumažinant modulio efektyvumą.

Yra daug būdų įtampai padidinti, kai kurie iš jų yra parodyti čia esančioje mūsų įkroviklių grandinių serijoje.

Grandinės schema

Visa 5 V stiprintuvo grandinės schema parodyta žemiau, schemos buvo parengtos naudojant „EasyEDA“.

Kaip matote, grandinei reikalingi labai minimalūs komponentai, nes visą sunkų darbą tempia BL8530 IC. Yra daugybė BL8530 IC versijų, čia naudojama „BL8530-50“, kur 50 reiškia 5V išėjimo įtampą. Panašiai IC BL8530-33 išėjimo įtampa bus 3,3 V, taigi, tik pakeisdami šį IC, galime gauti reikiamą išėjimo įtampą. Rinkoje yra šios IC 2.5V, 3V, 4.2V, 5V ir net 6V versijos. Šioje pamokoje daugiausia dėmesio skirsime 5V versijai. IC veikimui reikalingas tik kondensatorius, induktorius ir diodas, pažiūrėkime, kaip pasirinkti komponentus.

Komponentų pasirinkimas

Induktorius: Galima pasirinkti šio IC induktoriaus vertę nuo 3uH iki 1mH. Naudojant didelę induktoriaus vertę bus užtikrinta didelė išėjimo srovė ir didelis efektyvumas. Tačiau trūkumas yra tas, kad veikimui reikalinga aukšta įėjimo įtampa iš elemento, todėl naudojant didelę induktoriaus vertę padidinimo grandinė gali neveikti, kol baterija nebus visiškai išsikrovusi. Taigi, esant išvesties srovei ir minimaliai įvesties srovei, reikia atlikti kompromisą. Čia aš naudoju 47uH vertę, nes man reikia didelės išėjimo srovės, galite sumažinti šią vertę, jei jūsų apkrovos srovė bus mažesnė jūsų dizainui. Taip pat svarbu pasirinkti induktorių su maža ESR verte, kad jūsų dizainas būtų efektyvus.

Išvesties kondensatorius: leistina kondensatoriaus vertė yra nuo 47uF iki 220uF. Šio išėjimo kondensatoriaus funkcija yra filtruoti išėjimo bangas. To vertė turėtų būti nuspręsta atsižvelgiant į apkrovos pobūdį. Jei tai indukcinė apkrova, didelės vertės kondensatorius rekomenduojamas varžinėms apkrovoms, pavyzdžiui, mikrovaldikliams, arba veiks daugelio jutiklių mažos vertės kondensatorius. Didelės vertės kondensatoriaus trūkumas yra padidėjusios išlaidos ir tai taip pat lėtina sistemą. Čia aš naudojau 100uF tantalo kondensatorių, nes tantalo kondensatoriai yra geriau valdomi pulsacijos nei keraminiai kondensatoriai.

Diodas: Vienintelis diodo aspektas yra tai, kad jis turėtų labai žemą įtampos kritimą. Yra žinoma, kad „Schottky“ diodai turi žemą įtampos kritimą į priekį nei įprasti lygintuvo diodai. Taigi mes naudojome SS14D SMD diodą, kurio įtampos kritimas į priekį yra mažesnis nei 0,2 V.

Įvesties kondensatorius: panašiai kaip išėjimo kondensatorius, įėjimo kondensatorius gali būti naudojamas pulsacijos įtampoms valdyti prieš įeinant į padidinimo grandinę. Bet kadangi mes naudojame akumuliatorių kaip įtampos šaltinius, pulsacijos valdymui nereikės įvesties kondensatoriaus. Kadangi baterijos iš prigimties suteikia gryną nuolatinės srovės įtampą be jokio jų bangavimo.

Kiti komponentai yra tik pagalbiniai. Akumuliatoriaus laikiklis naudojamas monetų elementui laikyti, o UCB prievadas yra skirtas USB kabeliams prijungti tiesiai prie mūsų stiprintuvo modulio, kad galėtume lengvai valdyti tokias bendras kūrimo plokštes kaip „Arduino“, ESP8266, ESP32 ir kt.

PCB dizainas ir gamyba naudojant „Easy EDA“

Dabar, kai „ Coin Cell Boost Converter“ grandinė yra paruošta, atėjo laikas ją pagaminti. Kadangi visi komponentai yra prieinami tik SMD pakuotėje, turėjau pagaminti savo grandinės PCB. Taigi, kaip visada, mes naudojome internetinį EDA įrankį, vadinamą „EasyEDA“, kad gautume savo PCB, nes jį naudoti yra labai patogu, nes jis turi gerą pėdsakų kolekciją ir yra atviro kodo.

Sukūrę PCB, galime užsisakyti PCB pavyzdžius pagal jų pigias PCB gamybos paslaugas. Jie taip pat siūlo komponentų tiekimo paslaugas, kai turi daug elektroninių komponentų, o vartotojai gali užsisakyti reikalingus komponentus kartu su PCB užsakymu.

Kurdami savo grandines ir PCB, jūs taip pat galite viešai paskelbti savo grandinių ir PCB dizainus, kad kiti vartotojai galėtų juos nukopijuoti ar redaguoti ir galėtų pasinaudoti jūsų darbu. Mes taip pat paviešinome visus mūsų grandinių ir PCB išdėstymus šiai grandinei. žemiau esančią nuorodą:

easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter

Galite peržiūrėti bet kurį PCB sluoksnį (viršuje, apačioje, viršutiniame piene, dugno piene ir kt.) Pasirinkdami sluoksnį iš lango „Sluoksniai“. Neseniai jie taip pat pristatė 3D rodinio parinktį, kad galėtumėte peržiūrėti daugelio langelių įtampos matavimo plokštę ir sužinoti, kaip ji atrodys gaminant naudojant „ 3DED“ mygtuką „ 3D View “:

Mėginių apskaičiavimas ir užsakymas internetu

Baigę kurti šios 5 V monetų elementų stiprintuvo schemą, galite užsisakyti PCB per JLCPCB.com. Norėdami užsisakyti PCB iš JLCPCB, jums reikia „Gerber File“. Norėdami atsisiųsti „Gerber“ failus iš savo PCB, tiesiog spustelėkite mygtuką „Generuoti gamybos failą“ „EasyEDA“ redaktoriaus puslapyje, tada atsisiųskite „Gerber“ failą iš ten arba galite spustelėti „Užsakyti JLCPCB“, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje. Tai nukreips jus į JLCPCB.com, kur galėsite pasirinkti norimų užsisakyti PCB skaičių, kiek jums reikia vario sluoksnių, PCB storį, vario svorį ir net PCB spalvą, pavyzdžiui, žemiau pateiktą momentinę nuotrauką. Dar viena gera žinia yra ta, kad dabar jūs galite gauti visus spalvotus PCB už tą pačią kainą iš JLCPCB. Taigi aš nusprendžiau gauti mano juodą spalvą, kad tik estetiškai atrodytų, galite pasirinkti savo mėgstamą spalvą.

Spustelėjus mygtuką „JLCPCB“, jis pateks į JLCPCB svetainę, kur galėsite užsisakyti bet kokią spalvotą PCB labai mažu tarifu, kuris yra 2 USD už visas spalvas. Jų sukūrimo laikas taip pat yra labai trumpesnis, tai yra 48 valandos, kai DHL pristatomas per 3-5 dienas. Iš esmės savo PCB gausite per savaitę nuo užsakymo. Be to, jie taip pat siūlo 20 USD nuolaidą pristatant jūsų pirmąjį užsakymą.

Užsisakę PCB, galite patikrinti savo PCB gamybos pažangą su data ir laiku. Tai patikrinsite apsilankę paskyros puslapyje ir spustelėję nuorodą „Gamybos pažanga“, esančią PCB, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje.

Po kelių dienų užsisakius PCB, aš gavau gražių pakuočių PCB pavyzdžius, kaip parodyta žemiau esančiose nuotraukose.

Pasiruošimas „Boost Converter“ PCB

Kaip matote iš aukščiau pateiktų vaizdų, lenta buvo labai geros formos, todėl visi pėdsakai ir piaudies vietos bus tiksliai nustatyto dydžio. Taigi aš pradėjau lituoti visus SMD komponentus ant lentos ir tada per skylę. Per kelias minutes mano PCB paruoštas veiksmui. Mano lenta su visais lituotais komponentais ir monetos elementu parodyta žemiau

Monetų ląstelių stiprintuvo modulio testavimas

Dabar, kai mūsų modulis yra nustatytas ir maitinamas, galime pradėti jį išbandyti. Padidintą 5 V išvestį iš plokštės galima gauti iš USB prievado arba šalia jo esančio vyriškos antraštės kaiščio. Aš naudoju savo multimetrą matuoti išėjimo įtampą ir, kaip matote, jis buvo artimas 5 V. Taigi galime daryti išvadą, kad mūsų stiprinimo modulis veikia tinkamai.

Šis modulis dabar gali būti naudojamas maitinti mikrovaldiklių plokštes arba maitinti kitus mažus jutiklius ar grandines. Turėkite omenyje, kad didžiausia srovė, kurią ji gali tiekti, yra tik 200 mA, todėl nesitikėkite, kad ji varys sunkius krovinius. Tačiau aš buvau patenkintas savo „Arduino“ ir ESP plokščių maitinimu naudodamas šį mažą ir kompaktišką modulį. Žemiau pateiktuose paveikslėliuose parodytas „ Arduino“ ir „STM“ maitinimo keitiklis .

Kaip ir ankstesnis elektros energijos tiekimo modulis, šis monetų elementų papildomas modulis taip pat bus įtrauktas į mano inventorių, kad galėčiau juos naudoti visuose būsimuose projektuose, kai tik man reikia nešiojamojo kompaktiško maitinimo šaltinio. Tikiuosi, kad jums patiko projektas ir sužinojote ką nors naudingo kuriant šį modulį. Visą darbą galite rasti toliau pateiktame vaizdo įraše.

Jei turite kokių nors problemų dirbant, nedvejodami palikite jas komentarų skiltyje arba naudokitės mūsų forumais kitiems techniniams klausimams.