Convertitore buck di uscita 5V ad alta efficienza fai-da-te!: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Volevo un modo efficiente per ridurre le tensioni più elevate dai pacchetti LiPo (e altre fonti) a 5 V per i progetti di elettronica. In passato ho usato moduli buck generici da eBay, ma il discutibile controllo di qualità e i condensatori elettrolitici senza nome non mi hanno riempito di fiducia.

Quindi, ho deciso che avrei creato il mio convertitore step-down non solo per sfidare me stesso, ma anche per creare qualcosa di utile!

Alla fine ho ottenuto un convertitore buck che ha un intervallo di tensione di ingresso molto ampio (ingresso da 6 V fino a 50 V) ed emette 5 V con una corrente di carico fino a 1 A, il tutto in un fattore di forma ridotto. L'efficienza di picco che ho misurato era del 94%, quindi non solo questo circuito è piccolo ma rimane anche fresco.

Passaggio 1: scelta di un Buck IC

Mentre puoi certamente realizzare un convertitore buck con una manciata di amplificatori operazionali e altri componenti di supporto, otterrai prestazioni migliori e sicuramente risparmierai molta area PCB se scegli invece un convertitore buck IC dedicato.

Puoi utilizzare le funzioni di ricerca e filtro su siti come DigiKey, Mouser e Farnell per trovare un IC adatto alle tue esigenze. Nell'immagine sopra puoi vedere che un scoraggiante numero di 16, 453 parti viene ridotto a 12 opzioni in pochi clic!

Sono andato con il MAX17502F in un piccolo pacchetto da 3 mm x 2 mm, ma un pacchetto leggermente più grande sarebbe probabilmente migliore se prevedi di saldare a mano i componenti. Questo circuito integrato ha molte caratteristiche, la più notevole delle quali è l'ampio intervallo di ingresso fino a 60 V* e i FET di alimentazione interni che significano che non sono necessari MOSFET o diodi esterni.

* Nota che nell'introduzione ho affermato che era un ingresso a 50 V, ma la parte può gestire 60 V? Ciò è dovuto ai condensatori di ingresso e se è necessario un ingresso a 60 V, il circuito può essere modificato per adattarsi.

Passaggio 2: controlla la scheda tecnica del tuo IC scelto

Il più delle volte, ci sarà quello che viene chiamato un "Circuito di applicazione tipico" mostrato nella scheda tecnica che sarà molto simile a quello che stai cercando di ottenere. Questo era vero per il mio caso e sebbene si potessero semplicemente copiare i valori dei componenti e chiamarlo fatto, consiglierei di seguire la procedura di progettazione (se fornita).

Ecco la scheda tecnica del MAX17502F:

A partire da pagina 12 ci sono circa una dozzina di equazioni molto semplici che possono aiutarti a scegliere i valori dei componenti più adatti e aiuta anche a fornire dettagli su alcuni valori di soglia, come il valore di induttanza minimo.

Passaggio 3: scegli i componenti per il tuo circuito

Aspetta, pensavo che avessimo già fatto questa parte? Bene, la parte precedente era trovare i valori dei componenti ideali, ma nel mondo reale dobbiamo accontentarci di componenti non ideali e delle avvertenze che ne derivano.

Ad esempio, i condensatori ceramici multistrato (MLCC) vengono utilizzati per i condensatori di ingresso e di uscita. Gli MLCC hanno molti vantaggi rispetto ai condensatori elettrolitici, specialmente nei convertitori DC/DC, ma sono soggetti a qualcosa chiamato DC Bias.

Quando viene applicata una tensione CC a un MLCC, la capacità nominale può scendere fino al 60%! Ciò significa che il tuo condensatore da 10μF ora è solo 4μF a una certa tensione CC. Non mi credi? Dai un'occhiata al sito Web TDK e scorri verso il basso per i dati caratteristici di questo condensatore da 10µF.

Una soluzione semplice per questo tipo di problema è semplice, basta usare più MLCC in parallelo. Ciò aiuta anche a ridurre l'ondulazione di tensione poiché l'ESR viene ridotto ed è molto comune nei prodotti commerciali che devono soddisfare rigorose specifiche di regolazione della tensione.

Nelle immagini sopra c'è una distinta base schematica e corrispondente (BOM) dal kit di valutazione MAX17502F, quindi se non riesci a trovare una buona scelta di componenti, segui l'esempio provato e testato:)

Passaggio 4: popolamento dello schema e del layout del PCB

Con i tuoi componenti effettivi scelti è il momento di creare uno schema che catturi questi componenti, per questo ho scelto EasyEDA come l'ho usato prima con risultati positivi. Aggiungi semplicemente i tuoi componenti, assicurandoti che abbiano la giusta dimensione di ingombro e collega i componenti insieme proprio come il tipico circuito applicativo in precedenza.

Una volta completato, fai clic sul pulsante "Converti in PCB" e verrai indirizzato alla sezione Layout PCB dello strumento. Non preoccuparti se non sei sicuro di qualcosa in quanto ci sono molti tutorial online su EasyEDA.

Il layout del PCB è molto importante e può fare la differenza tra il funzionamento del circuito o meno. Consiglio vivamente di seguire tutti i consigli di layout nella scheda tecnica dell'IC, ove disponibile. Analog Devices ha un'ottima nota applicativa sull'argomento del layout PCB se qualcuno è interessato:

Passaggio 5: ordina i tuoi PCB

Sono sicuro che molti di voi a questo punto hanno visto i messaggi promozionali nei video di YouTube per JLCPCB e PCBway, quindi non dovrebbe sorprendere che anch'io abbia usato una di queste offerte promozionali. Ho ordinato i miei PCB da JLCPCB e sono arrivati poco più di 2 settimane dopo, quindi solo da un punto di vista monetario sono abbastanza buoni.

Per quanto riguarda la qualità dei PCB non ho assolutamente lamentele, ma puoi essere tu a giudicare:)

Passaggio 6: assemblaggio e test

Ho saldato a mano tutti i componenti sul PCB vuoto, il che era piuttosto complicato anche con lo spazio extra che ho lasciato tra i componenti, ma ci sono servizi di assemblaggio di JLCPCB e altri fornitori di PCB che eliminerebbero la necessità di questo passaggio.

Collegando l'alimentazione ai terminali di ingresso e misurando l'uscita, sono stato accolto da 5,02 V come visto dal DMM. Una volta verificata l'uscita a 5 V sull'intero intervallo di tensione, ho collegato un carico elettronico all'uscita che è stato regolato su un assorbimento di corrente di 1 A.

Il Buck si è avviato direttamente con questa corrente di carico di 1 A e quando ho misurato la tensione di uscita (sulla scheda) era a 5,01 V, quindi la regolazione del carico era molto buona. Ho impostato la tensione di ingresso a 12V poiché questo era uno dei casi d'uso che avevo in mente per questa scheda e ho misurato la corrente di ingresso come 0,476A. Ciò fornisce un'efficienza di circa l'87,7%, ma idealmente si vorrebbe un approccio a quattro test DMM per le misurazioni dell'efficienza.

Con una corrente di carico di 1 A ho notato che l'efficienza era un po' inferiore al previsto, credo che ciò sia dovuto alle perdite (I^2 * R) nell'induttore e nell'IC stesso. A conferma di ciò, ho impostato la corrente di carico a metà e ripetuto la misurazione di cui sopra per ottenere un'efficienza del 94%. Ciò significa che dimezzando la corrente di uscita le perdite di potenza sono state ridotte da ~615mW fino a ~300mW. Alcune perdite saranno inevitabili, come le perdite di commutazione all'interno dell'IC e la corrente di riposo, quindi sono ancora molto soddisfatto di questo risultato.

Passaggio 7: includi il tuo PCB personalizzato in alcuni progetti

Ora hai un'alimentazione stabile da 5 V 1 A che può essere alimentata da un pacco batteria al litio da 2 S a 11 S o qualsiasi altra fonte tra 6 V e 50 V, non è necessario preoccuparsi di come alimentare i propri progetti di elettronica. Che si tratti di circuiti basati su microcontrollori o puramente analogici, questo piccolo convertitore buck può fare tutto!

Spero che questo viaggio ti sia piaciuto e se sei arrivato fin qui, grazie mille per aver letto!