Obwód konwertera boost z pojedynczą komórką wykorzystujący baterię pastylkową - wyjście 5 V.

Ogniwa baterii są najczęściej używanym źródłem energii do zasilania przenośnej elektroniki. Czy to zwykły budzik, węzeł czujnika IoT, czy też złożony telefon komórkowy, wszystko jest zasilane bateriami. W większości przypadków te przenośne urządzenia muszą mieć małą obudowę (rozmiar pakietu) i dlatego są zasilane przez jedną baterię, taką jak popularne ogniwo litowe CR2032 lub inne ogniwa litowo-polimerowe 3,7 V lub 18650. Ze względu na swoje rozmiary ogniwa te zawierają dużą energię, ale ich wspólną wadą jest napięcie robocze. Typowa bateria litowa ma napięcie znamionowe 3,7 V, ale napięcie to może spaść nawet do 2,8 V po całkowitym rozładowaniu i do 4,2 V po pełnym naładowaniu, co nie jest zbyt pożądane w przypadku naszych projektów elektronicznych, które działają z regulowanym 3,3 V lub 5V jako napięcie robocze.

Stwarza to potrzebę zastosowania konwertera podwyższającego napięcie, który może przyjmować zmienne napięcie wejściowe od 2,8 V do 4,2 V i regulować je do stałego 3,3 V lub 5 V. Na szczęście istnieje układ scalony o nazwie BL8530, który robi dokładnie to samo z bardzo minimalną liczbą komponentów zewnętrznych. Tak więc w tym projekcie zbudujemy tani obwód wzmacniający 5 V, który zapewnia stałe regulowane napięcie wyjściowe 5 V z baterii pastylkowej CR2032; będziemy również zaprojektować kompaktowy PCB do tego doładowania konwertera tak, że może on być stosowany we wszystkich naszych przyszłych projektów przenośnych. Maksymalny prąd wyjściowy konwertera podwyższającego będzie wynosił 200 mAco jest wystarczająco dobre, aby zasilać podstawowe mikrokontrolery i czujniki. Kolejną zaletą tego obwodu jest to, że jeśli twój projekt wymaga regulowanego 3,3 V zamiast 5 V, ten sam obwód może być również użyty do regulacji 3,3 V, po prostu zamieniając jeden element. Obwód ten może również działać jako Power Bank do zasilania małych płytek, takich jak Arduino, STM32, MSP430 itp. Wcześniej zbudowaliśmy podobny konwerter doładowania wykorzystujący baterię litową do ładowania telefonu komórkowego.

Wymagane materiały

• Układ scalony Booster BL8530-5V (SOT89)
• Cewka 47uH (5mm SMD)
• Dioda SS14 (SMD)
• Kondensator tantalowy 16V 1000uF (SMD)
• Uchwyt na monetę
• Złącze żeńskie USB

Uwagi dotyczące projektowania konwertera doładowującego pojedynczą komórkę

Wymagania projektowe dla konwertera doładowania z pojedynczą komórką będą inne niż w przypadku zwykłego konwertera doładowania. Dzieje się tak, ponieważ tutaj energia z baterii (ogniwa pastylkowego) jest zwiększana do napięcia wyjściowego, aby nasze urządzenie działało. Dlatego należy uważać, aby obwód wspomagający maksymalnie wykorzystywał baterię przy wysokiej wydajności, aby utrzymać urządzenie włączone tak długo, jak to możliwe. Wybierając wzmacniacz IC do swoich projektów, możesz wziąć pod uwagę następujące cztery parametry. Możesz również przeczytać artykuł na temat projektowania regulatorów doładowania, aby dowiedzieć się więcej na ten temat.

Napięcie rozruchowe: Jest to minimalne wymagane napięcie wejściowe z akumulatora, aby przetwornica podwyższająca ciśnienie mogła rozpocząć pracę. Po włączeniu konwertera boost bateria powinna przynajmniej być w stanie zapewnić to napięcie rozruchowe, aby Twój wzmacniacz działał. W naszym projekcie wymagane napięcie rozruchowe wynosi 0,8 V, czyli dużo mniej niż w pełni rozładowane napięcie baterii pastylkowej.

Napięcie podtrzymania: Gdy urządzenie jest zasilane przez obwód doładowania, napięcie akumulatora zacznie spadać, ponieważ dostarcza moc. Napięcie, do którego układ scalony wzmacniacza będzie działał, nazywane jest napięciem podtrzymującym. Poniżej tego napięcia układ scalony przestanie działać i nie otrzymamy napięcia wyjściowego. Należy pamiętać, że napięcie podtrzymania będzie zawsze niższe niż napięcie rozruchu. Oznacza to, że układ scalony będzie wymagał większego napięcia, aby rozpocząć działanie, a podczas pracy może rozładować baterię znacznie poniżej tego. Napięcie podtrzymania w naszym obwodzie wynosi 0,7V.

Prąd spoczynkowy: Ilość prądu pobieranego (marnowanie) przez nasz obwód wspomagający, nawet gdy żadne obciążenie nie jest podłączone po stronie wyjściowej, nazywa się prądem spoczynkowym. Wartość ta powinna być jak najmniejsza, dla naszego układu scalonego wartość prądu spoczynkowego wynosi od 4uA do 7uA. Bardzo ważne jest, aby mieć tę wartość małą lub zerową, jeśli urządzenie nie będzie podłączone do obciążenia przez długi czas.

Rezystancja: Wszystkie obwody przetwornicy podwyższającej napięcie będą obejmować urządzenie przełączające, takie jak MOSFET lub inne tranzystory FET. Jeśli używamy konwertera IC, to urządzenie przełączające zostanie osadzone w układzie scalonym. Ważne jest, aby ten przełącznik miał bardzo niską rezystancję włączenia. Na przykład w naszym projekcie IC BL8530 ma wewnętrzny przełącznik o rezystancji włączenia 0,4 Ω, co jest przyzwoitą wartością. Ta rezystancja spowoduje spadek napięcia na przełączniku w oparciu o przepływ prądu przez niego (prawo Ohma), zmniejszając w ten sposób sprawność modułu.

Istnieje wiele sposobów na zwiększenie napięcia, niektóre z nich są pokazane w naszej serii obwodów ładowarki tutaj.

Schemat obwodu

Pełny schemat obwodu wzmacniacza 5 V pokazano poniżej, schematy zostały narysowane za pomocą EasyEDA.

Jak widać, obwód wymaga bardzo minimalnej liczby komponentów, ponieważ całą ciężką pracę wykonuje układ scalony BL8530. Istnieje wiele wersji układu BL8530, ten użyty tutaj „BL8530-50”, gdzie 50 oznacza napięcie wyjściowe 5V. Podobnie układ scalony BL8530-33 będzie miał napięcie wyjściowe 3,3 V, dlatego po prostu zastępując ten układ scalony, możemy uzyskać wymagane napięcie wyjściowe. Na rynku dostępne są wersje tego układu scalonego o napięciu 2,5 V, 3 V, 4,2 V, 5 V, a nawet 6 V. W tym poradniku skupimy się na wersji 5V. Układ scalony wymaga tylko kondensatora, cewki i diody wraz z nim do działania, zobaczmy, jak wybrać komponenty.

Dobór komponentów

Cewka: dostępny wybór wartości induktora dla tego układu scalonego wynosi od 3uH do 1mH. Zastosowanie wysokiej wartości cewki zapewni wysoki prąd wyjściowy i wysoką sprawność. Jednak wadą jest to, że do działania wymaga wysokiego napięcia wejściowego z ogniwa, więc użycie wysokiej wartości cewki może nie spowodować, że obwód doładowania nie będzie działał, dopóki bateria nie zostanie całkowicie rozładowana. W związku z tym konieczne jest dokonanie kompromisu między prądem wyjściowym a minimalnym prądem wejściowym w projekcie. Tutaj użyłem wartości 47uH, ponieważ potrzebuję wysokiego prądu wyjściowego, możesz zmniejszyć tę wartość, jeśli prąd obciążenia będzie mniejszy dla twojego projektu. Ważne jest również, aby wybrać cewkę indukcyjną o niskiej wartości ESR, aby uzyskać wysoką wydajność projektu.

Kondensator wyjściowy: Dopuszczalna wartość kondensatora wynosi od 47 uF do 220 uF. Funkcją tego kondensatora wyjściowego jest filtrowanie tętnień wyjściowych. Wartość tego należy określić w oparciu o rodzaj obciążenia. Jeśli jest to obciążenie indukcyjne, wówczas kondensator o dużej wartości jest zalecany do obciążeń rezystancyjnych, takich jak mikrokontrolery lub większość czujników kondensatorów o niskiej wartości będzie działać. Wadą stosowania kondensatorów o dużej wartości jest zwiększony koszt, a także spowalnia system. Tutaj użyłem kondensatora tantalowego 100 uF, ponieważ kondensatory tantalowe są lepsze w kontroli tętnienia niż kondensatory ceramiczne.

Dioda: Jedyną kwestią dotyczącą diody jest to, że powinna mieć bardzo niski spadek napięcia do przodu. Wiadomo, że diody Schottky'ego mają niskie spadki napięcia przewodzenia niż zwykłe diody prostownicze. Dlatego zastosowaliśmy diodę SS14D SMD, która ma spadek napięcia w kierunku przewodzenia mniejszy niż 0,2 V.

Kondensator wejściowy: Podobnie jak kondensator wyjściowy, kondensator wejściowy może służyć do kontrolowania napięcia tętnienia przed wejściem do obwodu wzmacniającego. Ale ponieważ używamy baterii jako źródła napięcia, nie będziemy potrzebować kondensatora wejściowego do kontroli tętnienia. Ponieważ baterie z natury zapewniają czyste napięcie DC bez żadnych tętnień.

Pozostałe komponenty to tylko elementy pomocnicze. Uchwyt baterii służy do trzymania ogniwa Coin, a port UCB służy do podłączenia kabli USB bezpośrednio do naszego modułu doładowania, dzięki czemu możemy łatwo zasilać popularne płytki rozwojowe, takie jak Arduino, ESP8266, ESP32 itp.

Projektowanie i produkcja PCB przy użyciu Easy EDA

Teraz, gdy obwód Coin Cell Boost Converter jest gotowy, nadszedł czas, aby go wyprodukować. Ponieważ wszystkie komponenty tutaj są dostępne tylko w pakiecie SMD, musiałem wykonać płytkę PCB dla mojego obwodu. Tak więc, jak zawsze, użyliśmy internetowego narzędzia EDA o nazwie EasyEDA, aby wykonać naszą płytkę drukowaną, ponieważ jest bardzo wygodny w użyciu, ponieważ ma dobrą kolekcję śladów i jest open-source.

Po zaprojektowaniu PCB możemy zamówić próbki PCB przez ich tanie usługi wytwarzania PCB. Oferują również usługi zaopatrzenia w komponenty, w przypadku których mają duże zapasy komponentów elektronicznych, a użytkownicy mogą zamówić wymagane komponenty wraz z zamówieniem PCB.

Projektując obwody i płytki drukowane, możesz również upublicznić swoje projekty obwodów i płytek drukowanych, aby inni użytkownicy mogli je kopiować lub edytować i mogli czerpać korzyści z Twojej pracy, upubliczniliśmy również nasze całe układy obwodów i PCB dla tego obwodu, sprawdź poniższy link:

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

Możesz wyświetlić dowolną warstwę (górną, dolną, topową, dolną itp.) PCB, wybierając warstwę z okna „Warstwy”. Niedawno wprowadzili również opcję widoku 3D, dzięki czemu można również zobaczyć PCB mierzącą napięcie Multicell, jak będzie wyglądać po wytworzeniu za pomocą przycisku Widok 3D w EasyEDA:

Obliczanie i zamawianie próbek online

Po ukończeniu projektowania tego obwodu wzmacniającego ogniwa pastylkowego 5 V można zamówić płytkę drukowaną za pośrednictwem witryny JLCPCB.com. Aby zamówić PCB w JLCPCB, potrzebujesz Gerber File. Aby pobrać pliki Gerber ze swojej płytki PCB, po prostu kliknij przycisk Generuj plik produkcyjny na stronie edytora EasyEDA, a następnie pobierz plik Gerber stamtąd lub kliknij Zamów w JLCPCB, jak pokazano na poniższym obrazku. Spowoduje to przekierowanie do JLCPCB.com, gdzie możesz wybrać liczbę PCB, które chcesz zamówić, ile warstw miedzi potrzebujesz, grubość PCB, wagę miedzi, a nawet kolor PCB, jak pokazano poniżej. Kolejną dobrą wiadomością jest to, że teraz od JLCPCB możesz otrzymać wszystkie kolorowe płytki PCB w tej samej cenie. Dlatego zdecydowałem się na czarny kolor, aby uzyskać estetyczny wygląd, możesz wybrać swój ulubiony kolor.

Po kliknięciu przycisku zamówienia na JLCPCB, przeniesie Cię na stronę JLCPCB, gdzie możesz zamówić dowolną kolorową płytkę drukowaną w bardzo niskiej cenie, która wynosi 2 $ za wszystkie kolory. Ich czas budowy jest również znacznie krótszy, czyli 48 godzin przy dostawie DHL w ciągu 3-5 dni, w zasadzie PCB otrzymasz w ciągu tygodnia od zamówienia. Co więcej, oferują również 20 USD zniżki na wysyłkę pierwszego zamówienia.

Po zamówieniu PCB możesz sprawdzić postęp produkcji swojej PCB wraz z datą i godziną. Możesz to sprawdzić, przechodząc na stronę Konta i klikając łącze „Postęp produkcji” pod płytką drukowaną, jak pokazano na poniższym obrazku.

Po kilku dniach zamawiania PCB otrzymałem próbki PCB w ładnym opakowaniu, jak pokazano na poniższych zdjęciach.

Przygotowanie płytki PCB konwertera boost

Jak widać na powyższych zdjęciach, płyta była w bardzo dobrym stanie, wszystkie ślady i przelotki były na miejscu w dokładnie wymaganym rozmiarze. Przystąpiłem więc do lutowania wszystkich elementów SMD na płycie, a następnie przelotowych. W ciągu kilku minut moja płytka jest gotowa do działania. Moja płytka ze wszystkimi wlutowanymi komponentami i baterią pastylkową jest pokazana poniżej

Testowanie modułu wzmacniacza komórek monetowych

Teraz, gdy nasz moduł jest już skonfigurowany i zasilany, możemy rozpocząć jego testowanie. Podwyższone napięcie wyjściowe 5 V z płytki można uzyskać z portu USB lub z męskiej szpilki w pobliżu. Do pomiaru napięcia wyjściowego użyłem multimetru i jak widać było blisko 5V. Stąd możemy wywnioskować, że nasz moduł doładowania działa poprawnie.

Moduł ten może być teraz używany do zasilania płytek mikrokontrolera lub innych małych czujników lub obwodów. Należy pamiętać, że maksymalny prąd, jaki może dostarczyć, to tylko 200 mA, więc nie oczekuj, że będzie napędzał duże obciążenia. Jednak byłem zadowolony z zasilania moich płyt Arduino i ESP za pomocą tego małego i kompaktowego modułu. Poniższe obrazy pokazują konwerter boost zasilający Arduino i STM.

Podobnie jak poprzedni moduł zasilacza płytki prototypowej, ten moduł wzmacniający z ogniwami monetowymi zostanie również dodany do moich zapasów, aby móc ich używać we wszystkich moich przyszłych projektach, gdziekolwiek potrzebuję przenośnego kompaktowego źródła zasilania. Mam nadzieję, że spodobał Ci się projekt i nauczyłeś się czegoś przydatnego w procesie tworzenia tego modułu. Pełną pracę można znaleźć w poniższym filmie wideo.

Jeśli masz jakiekolwiek problemy z działaniem, możesz je zostawić w sekcji komentarzy lub skorzystać z naszych forów, aby uzyskać odpowiedzi na inne pytania techniczne.