DIY ประสิทธิภาพสูง 5V ตัวแปลงบั๊กเอาท์พุต!: 7 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

ฉันต้องการวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจากชุด LiPo (และแหล่งอื่นๆ) เป็น 5V สำหรับโครงการอิเล็กทรอนิกส์ ในอดีต ฉันเคยใช้โมดูลบั๊กทั่วไปจาก eBay แต่การควบคุมคุณภาพที่น่าสงสัยและตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีชื่อไม่ได้ทำให้ฉันมั่นใจ

ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจว่าจะทำ step down converter ของตัวเอง ไม่เพียงแต่ท้าทายตัวเองเท่านั้น แต่ยังสร้างสิ่งที่มีประโยชน์อีกด้วย!

สิ่งที่ฉันลงเอยด้วยคือตัวแปลงบั๊กที่มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างมาก (อินพุต 6V ถึง 50V) และเอาต์พุต 5V ที่กระแสโหลดสูงสุด 1A ทั้งหมดในรูปแบบขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูงสุดที่ฉันวัดได้คือ 94% ดังนั้นวงจรนี้ไม่เพียงแต่มีขนาดเล็กเท่านั้น แต่ยังเย็นอีกด้วย

ขั้นตอนที่ 1: เลือก Buck IC

แม้ว่าคุณจะสามารถสร้างตัวแปลงบั๊กด้วย op-amps จำนวนหนึ่งและส่วนประกอบสนับสนุนอื่น ๆ ได้อย่างแน่นอน คุณจะได้รับประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและประหยัดพื้นที่ PCB ได้มากอย่างแน่นอน หากคุณเลือก IC ตัวแปลงบั๊กโดยเฉพาะ

คุณสามารถใช้ฟังก์ชันการค้นหาและการกรองบนไซต์ต่างๆ เช่น DigiKey, Mouser และ Farnell เพื่อค้นหา IC ที่เหมาะสมกับความต้องการของคุณ ในภาพด้านบน คุณสามารถเห็นชิ้นส่วนที่น่ากลัว 16, 453 ส่วนที่แคบลงเหลือ 12 ตัวเลือกในการคลิกเพียงไม่กี่ครั้ง!

ฉันใช้ MAX17502F ในแพ็คเกจขนาดเล็ก 3 มม. x 2 มม. แต่แพ็คเกจที่ใหญ่กว่าเล็กน้อยน่าจะดีกว่าถ้าคุณวางแผนที่จะบัดกรีส่วนประกอบด้วยมือ IC นี้มีคุณสมบัติมากมาย โดยที่เด่นที่สุดคือช่วงอินพุตขนาดใหญ่ถึง 60V* และ FET กำลังไฟภายในซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องใช้ MOSFET หรือ Diode ภายนอก

* โปรดทราบว่าในอินโทรฉันระบุว่าเป็นอินพุต 50V แต่ส่วนนั้นสามารถรองรับ 60V ได้หรือไม่ นี่เป็นเพราะตัวเก็บประจุอินพุต และถ้าคุณต้องการอินพุต 60V วงจรสามารถปรับเปลี่ยนให้เหมาะสมได้

ขั้นตอนที่ 2: ตรวจสอบแผ่นข้อมูลของ IC ที่คุณเลือก

บ่อยครั้งจะมีสิ่งที่เรียกว่า "Typical Application Circuit" แสดงในแผ่นข้อมูลซึ่งจะคล้ายกับสิ่งที่คุณพยายามทำให้สำเร็จ กรณีนี้เป็นจริงสำหรับกรณีของฉัน และแม้ว่าจะสามารถคัดลอกค่าส่วนประกอบและเรียกมันว่าเสร็จสิ้นได้ แต่ฉันขอแนะนำให้ทำตามขั้นตอนการออกแบบ (ถ้ามี)

นี่คือแผ่นข้อมูลของ MAX17502F:

เริ่มต้นในหน้า 12 มีสมการง่ายๆ ประมาณโหลที่สามารถช่วยคุณเลือกค่าส่วนประกอบที่เหมาะสมมากขึ้น และยังช่วยให้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับค่าเกณฑ์บางอย่าง เช่น ค่าการเหนี่ยวนำขั้นต่ำ

ขั้นตอนที่ 3: เลือกส่วนประกอบสำหรับวงจรของคุณ

เดี๋ยวนะ ฉันคิดว่าเราทำส่วนนี้แล้วเหรอ? ส่วนก่อนหน้านี้คือการค้นหาค่าส่วนประกอบในอุดมคติ แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง เราต้องจัดการกับส่วนประกอบที่ไม่เหมาะและข้อแม้ที่มาพร้อมกับ

ตัวอย่างเช่น Multi-Layered Ceramic Capacitors (MLCCs) ใช้สำหรับตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต MLCC มีประโยชน์มากมายเหนือตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตัวแปลง DC/DC แต่อยู่ภายใต้สิ่งที่เรียกว่า DC Bias

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า DC กับ MLCC อัตราความจุจะลดลงได้ถึง 60%! ซึ่งหมายความว่าตอนนี้ตัวเก็บประจุ 10µF ของคุณเป็นเพียง 4µF ที่แรงดัน DC ที่แน่นอน ไม่เชื่อฉัน? ดูเว็บไซต์ TDK และเลื่อนลงเพื่อดูข้อมูลคุณลักษณะสำหรับตัวเก็บประจุ 10µF นี้

การแก้ไขปัญหาประเภทนี้ง่ายนิดเดียว เพียงใช้ MLCC มากขึ้นควบคู่กันไป นอกจากนี้ยังช่วยลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าเนื่องจาก ESR ลดลง และพบเห็นได้ทั่วไปในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เข้มงวด

ในภาพด้านบนมีแผนผังและ Bill of Materials (BOM) ที่เกี่ยวข้องจากชุดประเมินผล MAX17502F ดังนั้นหากคุณไม่พบตัวเลือกส่วนประกอบที่ดี ลองใช้ตัวอย่างที่ทดลองและทดสอบแล้ว:)

ขั้นตอนที่ 4: การเติม Schematic และ PCB Layout

เมื่อเลือกส่วนประกอบจริงของคุณแล้ว ก็ถึงเวลาสร้างแผนผังที่รวบรวมส่วนประกอบเหล่านี้ ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงเลือก EasyEDA เหมือนที่ฉันเคยใช้มาก่อนโดยให้ผลลัพธ์ที่ดี เพียงเพิ่มส่วนประกอบของคุณเข้าไป ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีขนาดพอเหมาะ และเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกัน เช่นเดียวกับวงจรแอปพลิเคชันทั่วไปก่อนหน้านี้

เมื่อเสร็จแล้วให้คลิกที่ปุ่ม "แปลงเป็น PCB" และคุณจะถูกนำไปที่ส่วนเค้าโครง PCB ของเครื่องมือ อย่ากังวลหากคุณไม่แน่ใจในบางสิ่ง เนื่องจากมีบทเรียนออนไลน์มากมายเกี่ยวกับ EasyEDA

เค้าโครง PCB มีความสำคัญมากและสามารถสร้างความแตกต่างระหว่างการทำงานของวงจรได้หรือไม่ ฉันขอแนะนำอย่างยิ่งให้ทำตามคำแนะนำเค้าโครงทั้งหมดในแผ่นข้อมูลของ IC หากมี Analog Devices มีบันทึกการใช้งานที่ยอดเยี่ยมในหัวข้อ PCB Layout หากใครสนใจ:

ขั้นตอนที่ 5: สั่งซื้อ PCB ของคุณ

ฉันแน่ใจว่าพวกคุณส่วนใหญ่ ณ จุดนี้ได้เห็นข้อความส่งเสริมการขายในวิดีโอ youtube สำหรับ JLCPCB และ PCBway ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่ฉันใช้หนึ่งในข้อเสนอส่งเสริมการขายเหล่านี้ด้วย ฉันสั่ง PCB ของฉันจาก JLCPCB และพวกเขามาถึงในอีก 2 สัปดาห์ต่อมา ดังนั้นจากจุดยืนทางการเงินก็ค่อนข้างดี

สำหรับคุณภาพของ PCBs ฉันไม่มีข้อตำหนิใด ๆ แต่คุณสามารถเป็นผู้ตัดสินได้:)

ขั้นตอนที่ 6: การประกอบและการทดสอบ

ฉันบัดกรีส่วนประกอบทั้งหมดด้วยมือบน PCB เปล่าซึ่งค่อนข้างเที่ยวยุ่งยิ่งแม้จะมีห้องพิเศษที่ฉันทิ้งไว้ระหว่างส่วนประกอบต่างๆ แต่มีบริการประกอบโดย JLCPCB และผู้จำหน่าย PCB อื่น ๆ ซึ่งจะขจัดความจำเป็นในขั้นตอนนี้

เมื่อต่อสายไฟเข้ากับขั้วอินพุตและวัดเอาต์พุต ฉันได้รับการต้อนรับโดย 5.02V ตามที่ DMM มองเห็น เมื่อฉันตรวจสอบเอาต์พุต 5V ตลอดช่วงแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดแล้ว ฉันเชื่อมต่อโหลดอิเล็กทรอนิกส์ผ่านเอาต์พุตซึ่งปรับเป็นกระแส 1A

บั๊กเริ่มต้นตรงด้วยกระแสโหลด 1A นี้และเมื่อฉันวัดแรงดันเอาต์พุต (ที่บอร์ด) มันอยู่ที่ 5.01V ดังนั้นการควบคุมโหลดจึงดีมาก ฉันตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็น 12V เนื่องจากเป็นหนึ่งในกรณีการใช้งานที่ฉันนึกถึงสำหรับบอร์ดนี้ และฉันวัดกระแสอินพุตเป็น 0.476A สิ่งนี้ให้ประสิทธิภาพประมาณ 87.7% แต่ในอุดมคติแล้ว คุณต้องการวิธีการทดสอบ DMM สี่วิธีสำหรับการวัดประสิทธิภาพ

ที่กระแสโหลด 1A ฉันสังเกตเห็นว่าประสิทธิภาพต่ำกว่าที่คาดไว้เล็กน้อย ฉันเชื่อว่าเป็นเพราะการสูญเสีย (I^2 * R) ในตัวเหนี่ยวนำและในตัว IC เพื่อยืนยันสิ่งนี้ ฉันตั้งค่ากระแสโหลดเป็นครึ่งหนึ่งและทำซ้ำการวัดข้างต้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ 94% ซึ่งหมายความว่าการลดกระแสไฟขาออกลงครึ่งหนึ่ง การสูญเสียพลังงานจะลดลงจาก ~615mW เหลือ ~300mW การสูญเสียบางอย่างจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ เช่น การสลับการสูญเสียภายในไอซีและกระแสไฟที่นิ่ง ดังนั้นฉันยังคงมีความสุขมากกับผลลัพธ์นี้

ขั้นตอนที่ 7: รวม PCB ที่กำหนดเองของคุณไว้ในบางโครงการ

ตอนนี้คุณมีแหล่งจ่ายไฟ 5V 1A ที่เสถียรซึ่งสามารถจ่ายไฟจากชุดแบตเตอรี่ลิเธียม 2S ถึง 11S หรือแหล่งอื่นๆ ระหว่าง 6V ถึง 50V คุณไม่จำเป็นต้องกังวลว่าจะจ่ายไฟให้กับโครงการอิเล็กทรอนิกส์ของคุณอย่างไร ไม่ว่าจะเป็นวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์หรือแอนะล็อกล้วนๆ ตัวแปลงบั๊กเล็ก ๆ นี้สามารถทำทุกอย่างได้!

ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับการเดินทางครั้งนี้ และถ้าคุณมาไกลถึงขนาดนี้แล้ว ขอบคุณมากสำหรับการอ่าน!