Düğme hücre kullanan tek hücreli artırıcı dönüştürücü devresi - 5v çıkış

Pil hücreleri, taşınabilir elektronik cihazlara güç sağlamak için en yaygın kullanılan enerji kaynağıdır. İster basit bir çalar saat, ister bir IoT sensör düğümü veya karmaşık bir cep telefonu olsun, her şey pillerle çalışır. Çoğu durumda, bu taşınabilir cihazların küçük bir form faktörüne (paket boyutu) sahip olması gerekir ve bu nedenle, popüler CR2032 Lityum pil veya diğer 3.7V lityum polimer veya 18650 piller gibi tek hücreli bir pil ile çalışır. Bu hücreler, boyutlarına göre yüksek enerji ile paketlenirler ancak bu hücrelerin ortak bir dezavantajı, çalışma voltajıdır. Tipik bir lityum pilin nominal voltajı 3,7V'dur, ancak bu voltaj tamamen boşaldığında 2,8V'a kadar düşebilir ve tam şarj olduğunda 4,2V'a kadar düşebilir, bu da düzenlenmiş 3.3 ile çalışan elektronik tasarımlarımız için pek arzu edilmez Çalışma voltajı olarak V veya 5V.

Bu, giriş voltajı olarak 2,8 V ila 4,2 V arasında bu değişkeni alabilen ve bunu 3,3 V veya 5 V olarak sabitleyen bir yükseltici dönüştürücüye olan ihtiyacı doğurur. Neyse ki, çok az harici bileşenle tam olarak aynı şeyi yapan BL8530 adlı bir IC var. Bu nedenle, bu projede, CR2032 madeni para hücresinden 5V'luk sabit regüle edilmiş çıkış voltajı sağlayan düşük maliyetli bir 5V güçlendirici devre inşa edeceğiz ; Ayrıca bu yükseltici dönüştürücü için kompakt bir PCB tasarlayacağız, böylece gelecekteki tüm taşınabilir projelerimizde kullanılabilir. Yükseltici dönüştürücünün maksimum çıkış akımı 200mA olacaktırBu, temel mikro denetleyicileri ve sensörleri çalıştıracak kadar iyidir. Bu devrenin diğer bir avantajı, projeniz 5V yerine düzenlenmiş bir 3.3V gerektiriyorsa, aynı devre sadece bir bileşeni değiştirerek 3.3V'yi düzenlemek için de kullanılabilir. Bu devre aynı zamanda Arduino, STM32, MSP430 gibi küçük panoları çalıştırmak için Güç Bankası olarak da çalışabilir. Daha önce, bir cep telefonunu şarj etmek için Lityum Pil kullanarak benzer türde bir yükseltici dönüştürücü inşa ettik.

Gerekli malzemeler

• BL8530-5V Güçlendirici IC (SOT89)
• 47uH İndüktör (5mm SMD)
• SS14 Diyot (SMD)
• 1000uF 16V Tantal kondansatör (SMD)
• Para Hücresi Tutucu
• USB Dişi Konnektör

Tek Hücreli Güçlendirici Dönüştürücü Tasarımında Dikkat Edilmesi Gerekenler

Tek hücreli bir Yükseltici dönüştürücü için tasarım gereksinimleri, sıradan bir yükseltme dönüştürücüsünden farklı olacaktır. Bunun nedeni, burada bir pilden (düğme pil) gelen enerjinin, cihazımızın çalışması için çıkış voltajına yükseltilmesidir. Bu nedenle, güçlendirici devrenin, cihazı mümkün olduğu kadar uzun süre açık tutmak için yüksek verimlilikle maksimum pil kullanmasına dikkat edilmelidir. Tasarımlarınız için güçlendirici IC'yi seçerken aşağıdaki dört parametreyi dikkate alabilirsiniz. Bununla ilgili daha fazla bilgi edinmek için Boost Regulator Design hakkındaki makaleyi de okuyabilirsiniz.

Başlangıç ​​Voltajı: Bu, yükseltici dönüştürücünün çalışmaya başlaması için aküden gereken minimum Giriş voltajıdır. Yükseltici dönüştürücüyü açtığınızda, pil, güçlendiricinizin çalışması için en azından bu başlatma voltajını sağlayabilmelidir. Tasarımımızda gerekli olan başlangıç ​​voltajı 0,8V'dir ve bu, tamamen boşalmış herhangi bir madeni para hücresi voltajının altında.

Bekletme Voltajı: Cihaz, güçlendirme devrenizle çalıştırıldığında, güç verdiğinden pil voltajı düşmeye başlayacaktır. Bir güçlendirici IC'nin performansını koruyacağı voltaja tutma voltajı denir. Bu voltajın altında IC çalışmayı durduracak ve çıkış voltajı almayacağız. Bekletme voltajının her zaman başlangıç ​​voltajından daha düşük olacağını unutmayın. Yani IC, çalışmaya başlamak için daha fazla voltaja ihtiyaç duyacaktır ve çalışma durumunda pili bunun çok altında boşaltabilir. Devremizdeki tutma gerilimi 0,7V'tur.

Hareketsiz akım: Güçlendirici devremizin çıkış tarafına hiçbir yük bağlanmadığında bile çektiği (boşa giden) akım miktarına Durgun akım denir. Bu değer olabildiğince düşük olmalıdır, IC'miz için hareketsiz akımın değeri 4uA ila 7uA arasındadır. Cihaz uzun süre yüke bağlanmayacaksa bu değerin düşük veya sıfır olması çok önemlidir.

Dirençli: Tüm yükseltici dönüştürücü devresi, içinde MOSFET veya diğer FET'ler gibi bir anahtarlama cihazı içerecektir. Bir dönüştürücü IC kullanıyorsak, bu anahtarlama cihazı IC'nin içine yerleştirilecektir. Bu anahtarın çok düşük açıklığa sahip olması önemlidir. Örneğin buradaki tasarımımızda, IC BL8530, makul bir değer olan 0,4 on açık dirençli dahili bir anahtara sahiptir. Bu direnç, içinden geçen akıma (Ohm yasası) bağlı olarak anahtar boyunca voltajı düşürecek ve böylece modülün verimliliğini azaltacaktır.

Voltajı artırmanın birçok yolu vardır, bunlardan bazıları burada Şarj Cihazı Devresi Serimizde gösterilmektedir.

Devre şeması

5V güçlendirici devresi için tam devre şeması aşağıda gösterilmiştir, şemalar EasyEDA kullanılarak çizilmiştir.

Gördüğünüz gibi, tüm sıkı çalışma BL8530 IC tarafından çekildiği için devre çok az bileşen gerektirir. BL8530 IC'nin birçok versiyonu vardır, burada "BL8530-50" kullanılır, burada 50, 5V çıkış voltajını gösterir. Benzer şekilde IC BL8530-33, 3,3V'luk bir çıkış voltajına sahip olacaktır, bu nedenle sadece bu IC'yi değiştirerek gerekli çıkış voltajını elde edebiliriz. Piyasada bu IC'nin 2.5V, 3V, 4.2V, 5V ve hatta 6V versiyonları bulunmaktadır. Bu eğitimde 5V versiyonuna odaklanacağız. IC, çalışması için sadece bir kapasitör, indüktör ve Diyot gerektirir, bileşenleri nasıl seçeceğimizi görelim.

Bileşenlerin Seçimi

İndüktör: Bu IC için mevcut indüktör değeri seçimi 3uH ila 1mH arasındadır. Yüksek bir indüktör değeri kullanmak, yüksek çıkış akımı ve yüksek verimlilik sağlayacaktır. Ancak dezavantajı, çalışması için hücreden yüksek bir giriş voltajı gerektirmesidir, bu nedenle yüksek bir indüktör değeri kullanmak, pil tamamen bitene kadar destek devresinin çalışmasını sağlamayabilir. Bu nedenle, tasarımda çıkış akımı ile minimum giriş akımı arasında bir değiş tokuş yapılmalıdır. Burada 47uH'lik bir değer kullandım çünkü yüksek çıkış akımına ihtiyacım var, tasarımınız için yük akımınız daha az olacaksa bu değeri azaltabilirsiniz. Tasarımınızın yüksek verimliliği için düşük ESR değerine sahip bir indüktör seçmek de önemlidir.

Çıkış Kapasitör: İzin verilen kapasitör değeri 47 uF ila 220 uF arasındadır. Bu çıkış kapasitörünün işlevi, çıkış dalgalanmalarını filtrelemektir. Bunun değerine yükün niteliğine göre karar verilmelidir. Endüktif bir yük ise, mikro denetleyiciler gibi dirençli yükler için yüksek değerli kondansatör önerilir veya çoğu sensör düşük değerli kondansatör çalışacaktır. Yüksek değerli kondansatör kullanmanın dezavantajı maliyetin artması ve aynı zamanda sistemi yavaşlatmasıdır. Burada 100 uF tantal kapasitör kullandım, çünkü tantal kapasitörler dalgalanma kontrolünde seramik kapasitörlerden daha iyidir.

Diyot: Diyotla ilgili tek husus, çok düşük bir voltaj düşüşüne sahip olmasıdır. Schottky diyotlarının normal doğrultucu diyotlara göre düşük ileri voltaj düşüşlerine sahip olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, 0,2V'den daha düşük ileri voltaj düşüşüne sahip SS14D SMD diyotunu kullandık.

Giriş kondansatörü: Çıkış kondansatörüne benzer şekilde bir Giriş kondansatörü, yükseltme devresine girmeden önce dalgalı voltajları kontrol etmek için kullanılabilir. Ancak burada voltaj kaynaklarımız olarak pil kullandığımız için dalgalanma kontrolü için bir Giriş kapasitörüne ihtiyacımız olmayacak. Çünkü piller, doğaları gereği herhangi bir dalgalanma olmaksızın saf DC voltajı sağlar.

Diğer bileşenler sadece yardımcı olanlardır. Pil tutucu, Coin pilini tutmak için kullanılır ve UCB portu, USB kablolarını doğrudan güçlendirme modülümüze bağlamak için sağlanmıştır, böylece Arduino, ESP8266, ESP32 vb. Gibi yaygın geliştirme kartlarına kolayca güç sağlayabiliriz.

Easy EDA kullanarak PCB Tasarımı ve Üretimi

Artık Coin Cell Boost Converter devresi hazır olduğuna göre, fabrikasyon yaptırmanın zamanı geldi. Buradaki tüm bileşenler yalnızca SMD paketinde mevcut olduğundan, devrem için bir PCB üretmek zorunda kaldım. Bu nedenle, her zaman olduğu gibi PCB'yi imal ettirmek için EasyEDA adlı çevrimiçi EDA aracını kullandık çünkü iyi bir ayak izi koleksiyonuna sahip olduğu ve açık kaynaklı olduğu için kullanımı çok kolay.

PCB'yi tasarladıktan sonra, PCB numunelerini düşük maliyetli PCB üretim hizmetleri ile sipariş edebiliriz. Ayrıca, geniş bir elektronik bileşen stoğuna sahip oldukları ve kullanıcıların PCB siparişiyle birlikte gerekli bileşenleri sipariş edebilecekleri bileşen tedarik hizmeti de sunarlar.

Devrelerinizi ve PCB'lerinizi tasarlarken, devre ve PCB tasarımlarınızı herkese açık hale getirebilirsiniz, böylece diğer kullanıcılar bunları kopyalayabilir veya düzenleyebilir ve işinizden faydalanabilir, ayrıca tüm Devre ve PCB düzenlerimizi bu devre için halka açık hale getirdik, kontrol edin aşağıdaki bağlantı:

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

Sen edebilirsiniz herhangi Katmanı görüntülemek katman 'Katmanlar' Pencere formu seçerek PCB (Üst, Alt, Topsilk, bottomsilk vs). Yakın zamanda bir 3B görünüm seçeneği de sundular, böylece EasyEDA'daki 3B Görünüm düğmesini kullanarak Multicell voltaj ölçüm PCB'sinin imalattan sonra nasıl görüneceğini de görüntüleyebilirsiniz:

Çevrimiçi Numune Hesaplama ve Sipariş Etme

Bu 5V düğme pil güçlendirici devresinin tasarımını tamamladıktan sonra PCB'yi JLCPCB.com üzerinden sipariş edebilirsiniz. PCB'yi JLCPCB'den sipariş etmek için Gerber Dosyasına ihtiyacınız var. PCB'nizin Gerber dosyalarını indirmek için EasyEDA editör sayfasındaki Üretim Dosyası Oluştur düğmesine tıklayın, ardından Gerber dosyasını buradan indirin veya aşağıdaki resimde gösterildiği gibi JLCPCB'de Sipariş Ver'e tıklayabilirsiniz. Bu sizi JLCPCB.com'a yönlendirecektir, burada sipariş etmek istediğiniz PCB sayısını, kaç tane bakır katmana ihtiyacınız olduğunu, PCB kalınlığını, bakır ağırlığını ve hatta aşağıda gösterilen anlık görüntü gibi PCB rengini seçebilirsiniz. Bir başka iyi haber de, artık tüm renkli PCB'leri JLCPCB'den aynı fiyata alabilirsiniz. Bu yüzden sadece estetik bir görünüm için benimkini siyah renkte almaya karar verdim, en sevdiğiniz rengi seçebilirsiniz.

JLCPCB butonundaki siparişe tıkladıktan sonra, sizi JLCPCB web sitesine götürür ve burada çok düşük bir oranda tüm renkler için 2 $ olan herhangi bir renkli PCB sipariş edebilirsiniz. Yapım süreleri de çok daha azdır, bu da 3-5 günlük DHL teslimatıyla 48 saattir, temelde PCB'lerinizi siparişinizi verdikten sonraki bir hafta içinde alacaksınız. Dahası, ilk siparişiniz için kargoda 20 $ indirim de sunuyorlar.

PCB sipariş sonra şunları yapabilirsiniz kontrol Üretim İlerleme sizin PCB tarih ve saat ile. Hesap sayfasına giderek kontrol edin ve aşağıdaki resimde gösterildiği gibi PCB'nin altındaki "Üretim İlerlemesi" bağlantısını tıklayın.

PCB'leri sipariş ettikten birkaç gün sonra PCB numunelerini aşağıdaki resimlerde gösterildiği gibi güzel ambalajlarda aldım.

Boost Dönüştürücü PCB'yi hazırlama

Yukarıdaki resimlerden de görebileceğiniz gibi, pano çok iyi bir şekle sahipti, tüm ayak izleri ve yollar tam olarak gerekli boyutta olacak. Bu yüzden, tahtadaki tüm SMD bileşenlerini ve ardından delikli olanları lehimlemeye başladım. Dakikalar içinde PCB'm harekete geçmeye hazır. Tüm lehimli bileşenlere ve madeni para hücresine sahip kartım aşağıda gösterilmiştir

Düğme Hücre Güçlendirici Modülünün Test Edilmesi

Artık modülümüz hazır ve güçlendirilmiş olduğuna göre, onu test etmeye başlayabiliriz. Karttan gelen güçlendirilmiş 5V çıkış, USB bağlantı noktasından veya yakınındaki erkek başlık piminden elde edilebilir. Çıkış voltajını ölçmek için multimetre kullandım ve gördüğünüz gibi 5V'a yakındı. Dolayısıyla, yükseltme modülümüzün düzgün çalıştığı sonucuna varabiliriz.

Bu modül artık mikro denetleyici kartlarına veya diğer küçük sensörlere veya devrelere güç sağlamak için kullanılabilir. Verebileceği maksimum akımın sadece 200mA olduğunu unutmayın, bu nedenle ağır yükleri sürmesini beklemeyin. Ancak, bu küçük ve kompakt modülle Arduino kartlarımı ve ESP kartlarımı güçlendirmekten mutlu oldum. Aşağıdaki resimler Arduino ve STM'ye güç veren yükseltici dönüştürücüyü göstermektedir .

Önceki devre tahtası güç kaynağı modülü gibi, bu madeni para hücreli güçlendirici modülü de envanterime eklenecek, böylece bunları gelecekteki projelerimde taşınabilir bir kompakt güç kaynağına ihtiyaç duyduğum her yerde kullanabiliyorum. Umarım projeyi beğenmişsinizdir ve bu modülü oluşturma sürecinde faydalı bir şeyler öğrenmişsinizdir. Tam çalışma aşağıda bağlantısı verilen videoda bulunabilir.

İşlerin yürümesi konusunda herhangi bir sorun yaşarsanız, bunları yorum bölümüne bırakabilir veya diğer teknik sorular için forumlarımızı kullanabilirsiniz.