DIY High Efficiency 5V Output Buck Converter !: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Jag ville ha ett effektivt sätt att trappa ner högre spänningar från LiPo -förpackningar (och andra källor) till 5V för elektronikprojekt. Tidigare har jag använt generiska buck -moduler från eBay, men den tvivelaktiga kvalitetskontrollen och inget namn elektrolytkondensatorer fyllde mig inte med förtroende.

Så jag bestämde mig för att jag skulle göra min egen step down -konverterare för att inte bara utmana mig själv utan också göra något användbart!

Vad jag slutade med är en buck -omvandlare som har ett mycket brett ingångsspänningsområde (6V upp till 50V ingång) och matar ut 5V vid upp till 1A lastström allt i en liten formfaktor. Toppeffektiviteten som jag mätte var 94%, så den här kretsen är inte bara liten utan den är också sval.

Steg 1: Välja en Buck IC

Även om du verkligen kan göra en buck-omvandlare med en handfull op-ampere och andra stödjande komponenter, kommer du att få bättre prestanda och säkert spara mycket PCB-område om du istället väljer en dedikerad buck-converter IC.

Du kan använda sök- och filtreringsfunktionerna på webbplatser som DigiKey, Mouser och Farnell för att hitta en lämplig IC för dina behov. På bilden ovan kan du se en avskräckande 16, 453 delar begränsas till 12 alternativ på bara några klick!

Jag gick med MAX17502F i ett litet 3 mm x 2 mm paket, men ett lite större paket skulle nog vara bättre om du planerar att lödda komponenterna för hand. Denna IC har många funktioner, varav det mest anmärkningsvärda är det stora ingångsområdet på upp till 60V* och de interna effekt -FET: erna som betyder att ingen extern MOSFET eller diod behövs.

*Observera att i introt sa jag att det var 50V ingång men delen kan hantera 60V? Detta beror på ingångskondensatorerna och om du behöver 60V ingång kan kretsen ändras för att passa.

Steg 2: Kontrollera databladet för din valda IC

Oftare kommer det att finnas det som kallas en "Typisk applikationskrets" som visas i databladet som kommer att likna mycket det du försöker uppnå. Detta var sant för mitt fall och även om man bara kunde kopiera komponentvärdena och kalla det gjort, skulle jag rekommendera att följa designproceduren (om den tillhandahålls).

Här är databladet för MAX17502F:

Från och med sidan 12 finns det ett dussin mycket enkla ekvationer som kan hjälpa dig att välja lämpligare komponentvärden och det hjälper också till att ge detaljer om några av tröskelvärdena - till exempel minsta induktansvärde.

Steg 3: Välj komponenter för din krets

Vänta jag trodde att vi redan gjorde den här delen? Tja, den föregående delen var att hitta de ideala komponentvärdena, men i den verkliga världen måste vi nöja oss med icke-ideala komponenter och de varningar som följer.

Som ett exempel används flerskiktade keramiska kondensatorer (MLCC) för ingångs- och utmatningskondensatorer. MLCC har många fördelar jämfört med elektrolytkondensatorer - särskilt i DC/DC -omvandlare - men de är föremål för något som kallas DC Bias.

När en likspänning appliceras på en MLCC kan kapacitansvärdet sjunka med upp till 60%! Det betyder att din 10µF kondensator nu bara är 4µF vid en viss likspänning. Tro mig inte? Ta en titt på TDK: s webbplats och rulla ner för karakteristiska data för denna 10µF kondensator.

En enkel lösning för denna typ av problem är enkel, använd bara mer MLCC parallellt. Detta bidrar också till att minska spänningsvippan eftersom ESR reduceras och är mycket vanligt att se i kommersiella produkter som måste uppfylla stränga spänningsregleringsspecifikationer.

I bilderna ovan finns en schematisk och motsvarande materialförteckning (BOM) från utvärderingssatsen MAX17502F, så om du inte verkar hitta ett bra komponentval, gå med det beprövade exemplet:)

Steg 4: Befolkning av schematisk och PCB -layout

Med dina faktiska komponenter valda är det dags att skapa en schema som fångar dessa komponenter, för detta valde jag EasyEDA som jag har använt det tidigare med positiva resultat. Lägg bara till dina komponenter, se till att de har rätt storlek på fotavtrycket och anslut komponenterna precis som den typiska applikationskretsen tidigare.

När det är klart klickar du på knappen "Konvertera till kretskort" och du kommer till PCB -layoutavsnittet i verktyget. Oroa dig inte om du inte är säker på något eftersom det finns många självstudier online om EasyEDA.

PCB -layout är mycket viktig och det kan göra skillnad mellan kretsen som fungerar eller inte. Jag rekommenderar starkt att följa alla layoutråd i databladet för IC där det är tillgängligt. Analog Devices har en bra applikationsanmärkning om temat PCB-layout om någon är intresserad:

Steg 5: Beställ dina kretskort

Jag är säker på att de flesta av er vid det här laget har sett reklammeddelanden i youtube -videor för JLCPCB och PCBway, så det borde inte komma som en överraskning att jag också använde ett av dessa kampanjerbjudanden. Jag beställde mina kretskort från JLCPCB och de kom drygt 2 veckor senare, så rent monetärt är de ganska bra.

När det gäller kvaliteten på kretskorten har jag absolut inga klagomål, men du kan vara domare av det:)

Steg 6: Montering och testning

Jag lödde alla komponenter på det tomma kretskortet vilket var ganska jobbigt även med det extra rummet jag lämnade mellan komponenterna, men det finns monteringstjänster av JLCPCB och andra PCB -leverantörer som skulle eliminera behovet av detta steg.

När jag kopplade in strömmen till ingångarna och mätte utgången hälsades jag av 5,02V, sett av DMM. När jag väl hade verifierat 5V -utgången över hela spänningsområdet kopplade jag en elektronisk belastning över utgången som justerades till 1A strömdragning.

Buck startade rakt upp med denna 1A lastström och när jag mätte utspänningen (vid kortet) var den på 5,01V, så belastningsregleringen var mycket bra. Jag ställde in ingångsspänningen till 12V eftersom detta var ett av de fall jag hade i åtanke för detta kort och jag mätte ingångsströmmen till 0,476A. Detta ger en verkningsgrad på ungefär 87,7%, men helst skulle du vilja ha en fyra DMM -testmetod för effektivitetsmätningar.

Vid 1A lastström märkte jag att effektiviteten var lite lägre än förväntat, jag tror att detta beror på (I^2 * R) förluster i induktorn och i själva IC: n. För att bekräfta detta ställde jag in lastströmmen till hälften och upprepade ovanstående mätning för att få en effektivitet på 94%. Detta innebär att genom att halvera utströmmen minskade effektförlusterna från ~ 615mW till ~ 300mW. Vissa förluster kommer att vara oundvikliga, till exempel kopplingsförluster inuti IC och vilande ström, så jag är fortfarande mycket nöjd med detta resultat.

Steg 7: Inkludera ditt anpassade kretskort i vissa projekt

Nu har du en stabil 5V 1A -strömförsörjning som kan drivas från ett 2S till 11S litiumbatteripaket, eller någon annan källa mellan 6V och 50V, du behöver inte oroa dig för hur du driver dina egna elektronikprojekt. Vare sig det är mikrokontrollerbaserat eller rent analog krets, den här lilla buck -omvandlaren kan göra allt!

Jag hoppas att du gillade denna resa och om du har kommit så här långt, tack så mycket för att du läste!