Progettazione di un PDB (Scheda di distribuzione dell'alimentazione) ad alta potenza per un Pixhawk: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Un PCB per alimentarli tutti!

Attualmente la maggior parte dei materiali di cui hai bisogno per costruire un drone sono disponibili a buon mercato su Internet, quindi l'idea di realizzare un PCB auto-sviluppato non vale affatto, tranne per alcuni casi in cui vuoi creare un drone strano e potente. In tal caso è meglio essere intraprendenti o avere un tutorial Instructables a riguardo…;)

Passaggio 1: obiettivi

Gli obiettivi di questo PCB (e i motivi per cui non si trova su Internet) sono:

1.- Deve alimentare il Pixhawk 4 con la misura di corrente, la misura di tensione e lo stesso connettore.

2.- Deve avere i connettori I/O e FMU diretti ai pin, il CAP&ADC non è necessario nel mio caso.

3.- Deve essere in grado di alimentare 5 motori con una corrente massima combinata di 200A, Sì, 0, 2 KiloAmpere!

Nota: è ancora utile per i progetti con meno motori o meno corrente. Questo è solo il mio caso.

Passaggio 2: schemi e scelta dei componenti

OK, ora sappiamo cosa vogliamo fare. Per procedere disegneremo gli schemi.

Se non vuoi capire l'elettronica dietro questa scheda, copia gli schemi e vai al passaggio successivo.

Gli schemi possono essere suddivisi in due parti principali, il DCDC per alimentare il pixhawk e la distribuzione di potenza dei motori.

Con il DCDC il modo più semplice sarebbe usare un DCDC Traco Power ed evitare di doverlo progettare, ma dal momento che non mi piace il modo semplice userò un LM5576MH di Texas Instruments. Questo integrato è un DCDC in grado di gestire un'uscita fino a 3A e il suo datasheet fornisce tutte le informazioni sui collegamenti e sui componenti necessari e fornisce le formule per ottenere le specifiche desiderate del DCDC modificando i componenti utilizzati.

Con questo il design del DCDC per il Pixhawk, nel mio caso, finisce come si vede nella foto.

D'altro canto la distribuzione di potenza consiste nel rilevamento della corrente e della tensione e nella distribuzione stessa che verrà considerata nella fase successiva.

Il rilevamento della tensione sarà semplicemente un partitore di tensione che alla sua tensione massima di 60 V (tensione massima supportata dal DCDC) emette un segnale di 3,3 V.

Il rilevamento della corrente è un po' più complesso anche se utilizzeremo ancora la legge di Ohm. Per rilevare la corrente utilizzeremo resistori di shunt. Per massimizzare la quantità di corrente che possono gestire, verranno utilizzati resistori da 10 W. Con quella potenza, i resistori di shunt SMD più piccoli che ho trovato erano di 0,5 mohm.

Combinando i dati precedenti e la formula della potenza, W = I² × R, la corrente massima è 141A, che non è sufficiente. Ecco perché verranno utilizzati due resistori di shunt in parallelo in modo che la resistenza equivalente sia di 0,25 mohm e quindi la corrente massima i 200A desiderati. Questi resistori saranno collegati ad un INA169 sempre della Texas Instruments e, come nel DCDC, il suo disegno sarà realizzato seguendo il datasheet.

Infine i connettori utilizzati sono della serie GHS dei connettori JST e si segue il pinout di pixhawk 4 per effettuare il giusto collegamento.

Nota: non avevo il componente INA169 in Altium, quindi ho usato solo un regolatore di tensione con lo stesso ingombro.

Nota 2: notare che alcuni componenti sono posizionati ma il valore dice NO, il che significa che non verranno utilizzati a meno che qualcosa nel progetto non funzioni.

Passaggio 3: progettazione del PCB con Altium Designer

In questo passaggio verrà eseguito il routing del pcb.

Innanzitutto ciò che deve essere fatto è posizionare i componenti e definire la forma della scheda. In questo caso verranno realizzate due diverse zone, il DCDC e connettori, e la zona di potenza.

Nella zona di potenza i pad sono fuori dalla scheda in modo che dopo la saldatura si possa utilizzare del tubo termoretraibile e la connessione rimanga ben protetta.

Una volta fatto ciò, il prossimo è il routing dei componenti, per fare in modo che i due strati vengano utilizzati in modo efficiente e vengano utilizzate tracce più grandi nelle connessioni di alimentazione. E ricorda, nessun angolo retto nelle tracce!

Una volta eseguito il routing e non prima, vengono applicati i poligoni, qui ci sarà un poligono GND sul livello inferiore e un altro sul livello superiore ma coprendo solo la zona DCDC e connettori. La zona di potenza dello strato superiore verrà utilizzata per l'ingresso di tensione come mostrato nella terza immagine.

Infine, questa scheda non è in grado di gestire i 200A per cui è progettata, quindi alcune zone del poligono verranno esposte senza serigrafia, come si vede nelle ultime due immagini, in modo che lì venga saldato del filo scoperto e quindi la quantità di corrente che può passare attraverso il consiglio è più che sufficiente per soddisfare le nostre esigenze.

Passaggio 4: creazione dei file Gerber per JLCPCB

Una volta che il design è finito, deve diventare realtà. Per farlo, il miglior produttore con cui ho lavorato è JLCPCB, controllano la tua scheda anche prima di pagarla in modo che se trovano un errore puoi risolverlo senza perdere denaro e, fidati di me, questo è un vero salvavita.

Poiché questa tavola è una tavola a due strati ed è inferiore a 10x10 cm, 10 unità costano solo 2$ + la spedizione, ovviamente un'opzione migliore rispetto al fai da te perché a un prezzo basso ottieni una qualità perfetta.

Per inviare loro il design deve essere esportato in file gerber, hanno tutorial per Altium, Eagle, Kikad e Diptrace.

Infine, questi file devono essere caricati sul sito Web dei preventivi.

Passaggio 5: fine

E questo è tutto!

Quando arrivano i PCB arrivano la parte interessante, la saldatura e il test. Ed ovviamente! caricherò altre foto!

Durante la settimana successiva salderò il mio prototipo e lo testerò, quindi se vuoi fare questo progetto aspetta che entrambi i prossimi segni di stato siano OK. Con questo vi eviterò qualsiasi lavoro pasticciato o sostituzione di resistenze

Saldatura: NON ANCORA

Test: NON ANCORA

Si noti che questa è la saldatura SMD, se è la prima volta che si salda o non si dispone di un bel saldatore, considerare di fare un altro progetto poiché può essere fonte di problemi.

Se qualcuno ha dei dubbi sul processo non dubiti di contattarmi.

Inoltre, se lo fai, per favore, mi piacerebbe saperlo e vederlo!