Circuit convertidor d’impulsió d’una sola cèl·lula mitjançant cèl·lula de moneda - sortida 5v

Les piles de bateria són la font d’energia més utilitzada per alimentar l’electrònica portàtil. Ja sigui un simple despertador, un node de sensor IoT o un telèfon mòbil complex, tot funciona amb bateries. En la majoria dels casos, aquests dispositius portàtils han de tenir un petit factor de forma (mida del paquet) i, per tant, s’alimenten amb una bateria d’una sola cel·la, com la popular cèl·lula de liti CR2032 o l’altra cèl·lula de polímer de liti de 3,7 V o 18650. Aquestes cèl·lules contenen molta energia per la seva mida, però un desavantatge comú amb aquestes cèl·lules és el seu voltatge de funcionament. Una bateria de liti típica té un voltatge nominal de 3,7 V, però aquest voltatge pot baixar fins a 2,8 V quan està totalment drenada i fins a 4,2 V quan està completament carregada, cosa que no és molt desitjable per als nostres dissenys electrònics que funcionen amb 3.3 regulats. V o 5V com a tensió de funcionament.

Això comporta la necessitat d’un convertidor d’impulsió que pugui agafar aquesta variable de 2.8V a 4.2V com a tensió d’entrada i regular-lo a 3.3V o 5V constants. Afortunadament, però, existeix un IC anomenat BL8530 que fa exactament el mateix amb components externs mínims. Per tant, en aquest projecte construirem un circuit de reforç de 5V de baix cost que proporcioni una tensió de sortida regulada constant de 5V des d’una cel·la de monedes CR2032; també dissenyarem un PCB compacte per a aquest convertidor boost perquè pugui ser utilitzat en tots els nostres futurs projectes portàtils. El corrent de sortida màxim del convertidor d’augment serà de 200 mAque és prou bo per alimentar microcontroladors i sensors bàsics. Un altre avantatge d’aquest circuit és que, si el vostre projecte requereix una regulació de 3,3V en lloc de 5V, el mateix circuit també es pot utilitzar per regular 3,3V només canviant un component. Aquest circuit també pot funcionar com a Power Bank per encendre tauletes petites com Arduino, STM32, MSP430, etc. Hem creat anteriorment un tipus similar de convertidor d’augment mitjançant la bateria de liti per carregar un telèfon mòbil.

Materials necessaris

BL8530-5V Booster IC (SOT89)
Inductor de 47 uH (SMD de 5 mm)
Diode SS14 (SMD)
Condensador de tàntal 1000uF 16V (SMD)
Titular de cèl·lula de moneda
Connector femella USB

Consideracions sobre el disseny del convertidor Boost d’una sola cèl·lula

Els requisits de disseny per a un convertidor Boost d’una sola cèl·lula seran diferents als d’un convertidor boost normal. Això es deu al fet que aquí l'energia d'una bateria (cèl·lula de moneda) s'està incrementant en tensió de sortida perquè el nostre dispositiu funcioni. Per tant, s’ha de procurar que el circuit de reforç utilitzi el màxim de bateria amb una alta eficiència per mantenir el dispositiu encès el major temps possible. En seleccionar l’IC de reforç per als vostres dissenys, podeu tenir en compte els quatre paràmetres següents. També podeu llegir l'article sobre Boost Regulator Design per obtenir més informació.

Voltatge d’arrencada: és el voltatge d’entrada mínim requerit de la bateria perquè el convertidor d’impulsió comenci a funcionar. Quan engegueu el convertidor d’alimentació, la bateria hauria de poder proporcionar almenys aquest voltatge d’arrencada perquè el vostre amplificador funcioni. En el nostre disseny, la tensió d’arrencada necessària és de 0,8 V, molt inferior a la tensió de la cèl·lula de moneda totalment descarregada.

Voltatge de retenció: un cop el dispositiu s’alimenta amb el vostre circuit d’alimentació, la tensió de la bateria començarà a disminuir, ja que dóna energia. La tensió fins a la qual un IC de reforç mantindrà el seu rendiment s’anomena tensió de retenció. Per sota d’aquest voltatge, la funció IC deixarà de funcionar i no obtindrem cap tensió de sortida. Tingueu en compte que la tensió de retenció sempre serà inferior a la tensió d’arrencada. És a dir, l'IC requerirà més tensió per començar el seu funcionament i durant el seu estat de funcionament pot drenar la bateria molt per sota. La tensió de retenció al nostre circuit és de 0,7 V.

Corrent en repòs: la quantitat de corrent que el nostre circuit de reforç està traient (desaprofitant) fins i tot quan no hi ha cap càrrega connectada al costat de sortida s’anomena corrent en repòs. Aquest valor ha de ser el més baix possible, per al nostre CI el valor del corrent en repòs està entre 4uA i 7uA. És molt important tenir aquest valor baix o zero si el dispositiu no es connectarà a la càrrega durant molt de temps.

Resistència en funcionament: tots els circuits del convertidor d’augment implicaran un dispositiu de commutació com ara el MOSFET o altres FET. Si estem utilitzant un convertidor IC, aquest dispositiu de commutació s'incorporarà a l'interior del CI. És important que aquest interruptor tingui una resistència a l’encesa molt baixa. Per exemple, en el nostre disseny aquí, l’IC BL8530 té un commutador intern amb una resistència d’encès de 0,4Ω, que és un valor decent. Aquesta resistència farà caure un voltatge a través de l’interruptor en funció del corrent que hi travessa (llei d’Ohms), disminuint així l’eficiència del mòdul.

Hi ha moltes maneres d’augmentar el voltatge, algunes d’elles es demostren a la nostra sèrie de circuits de carregador.

Esquema de connexions

A continuació es mostra el diagrama complet del circuit de reforç de 5V, els esquemes es van dibuixar amb EasyEDA.

Com podeu veure, el circuit requereix components mínims, ja que el BL8530 IC fa tot el treball dur. Hi ha moltes versions de BL8530 IC, la que s'utilitza aquí "BL8530-50" on 50 representa el voltatge de sortida 5V. De la mateixa manera, l'IC BL8530-33 tindrà un voltatge de sortida de 3,3 V, per tant, només substituint aquest IC podem obtenir el voltatge de sortida requerit. Hi ha disponibles al mercat versions de 2,5V, 3V, 4,2V, 5V i fins i tot 6V d’aquest IC. En aquest tutorial ens centrarem en la versió de 5V. El CI només requereix un condensador, un inductor i un díode per funcionar; vegem com seleccionar els components.

Selecció de components

Inductor: l’ elecció disponible del valor d’inductor per a aquest CI és de 3uH a 1mH. L'ús d'un alt valor d'inductor proporcionarà un alt corrent de sortida i una alta eficiència. Tanmateix, l’inconvenient és que requereix una alta tensió d’entrada de la cel·la per funcionar, de manera que l’ús d’un valor d’inductor elevat pot no fer funcionar el circuit d’augment fins que la bateria s’esgoti completament. Per tant, s’ha de fer una compensació entre el corrent de sortida i el corrent d’entrada mínim en el disseny de sortida. Aquí he utilitzat un valor de 47 uH, ja que necessito un corrent de sortida elevat, podeu reduir aquest valor si el vostre corrent de càrrega serà menor per al vostre disseny. També és important seleccionar un inductor amb un valor ESR baix per a una alta eficiència del vostre disseny.

Condensador de sortida: el valor admissible del condensador és de 47uF a 220uF. La funció d’aquest condensador de sortida és filtrar les ondulacions de sortida. El valor d'això s'ha de decidir en funció de la naturalesa de la càrrega. Si es tracta d'una càrrega inductiva, es recomana un condensador d'alt valor per a càrregues resistives, com ara per als microcontroladors, o bé funcionaran la majoria dels sensors de condensador de baix valor. L’inconvenient de l’ús de condensadors d’alt valor és un augment del cost i també alenteix el sistema. Aquí he utilitzat un condensador de tàntal de 100 uF, ja que els condensadors de tàntal tenen un millor control de les ondulacions que els condensadors de ceràmica.

Diode: L'única consideració amb el díode és que hauria de tenir una caiguda de baixa tensió molt avançada. Se sap que els díodes Schottky tenen baixes caigudes de tensió cap endavant que els díodes rectificadors normals. Per tant, hem utilitzat el díode SMD SS14D que té una caiguda de tensió directa inferior a 0,2 V.

Condensador d'entrada: de manera similar al condensador de sortida, es pot utilitzar un condensador d'entrada per controlar les tensions d'ondulació abans d'entrar al circuit d'augment. Però aquí, ja que utilitzem la bateria com a fonts de voltatge, no necessitarem un condensador d'entrada per al control de l'ondulació. Com que, per naturalesa, les bateries proporcionen tensió CC pura sense que hi hagi cap ondulació.

La resta de components són només auxiliars. El suport de la bateria s’utilitza per contenir la cèl·lula de la moneda i el port UCB es proporciona per connectar els cables USB directament al nostre mòdul boost perquè puguem alimentar fàcilment plaques de desenvolupament comuns com Arduino, ESP8266, ESP32 etc.

Disseny i fabricació de PCB amb Easy EDA

Ara que el circuit del convertidor Boost Cell Boost és a punt, és hora de fabricar-lo. Com que tots els components aquí només estan disponibles en paquets SMD, vaig haver de fabricar un PCB per al meu circuit. Per tant, com sempre, hem utilitzat l'eina EDA en línia anomenada EasyEDA per fabricar el nostre PCB perquè és molt còmode d'utilitzar, ja que té una bona col·lecció de petjades i és de codi obert.

Després de dissenyar el PCB, podem demanar les mostres de PCB pels seus serveis de fabricació de PCB de baix cost. També ofereixen un servei d’aprovisionament de components on tenen un gran estoc de components electrònics i els usuaris poden demanar els components necessaris juntament amb la comanda de PCB.

Mentre dissenyeu els vostres circuits i PCBs, també podeu fer públics els vostres dissenys de circuits i PCBs perquè altres usuaris puguin copiar-los o editar-los i aprofitar-se del vostre treball, també hem fet públics tots els dissenys de circuits i PCB d’aquest circuit. l'enllaç següent:

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

Podeu veure qualsevol capa (superior, inferior, topsilk, seda inferior, etc.) del PCB seleccionant la capa de la finestra "Capes". Recentment també han introduït una opció de visualització 3D perquè pugueu visualitzar el PCB de mesura de voltatge multicel·lular, sobre com quedarà després de la fabricació mitjançant el botó Vista 3D a EasyEDA:

Càlcul i ordenació de mostres en línia

Després de completar el disseny d’aquest circuit de reforç de cèl·lules de monedes de 5V, podeu demanar el PCB a través de JLCPCB.com. Per demanar el PCB a JLCPCB, necessiteu Gerber File. Per descarregar fitxers Gerber del vostre PCB, feu clic al botó Generar fitxer de fabricació de la pàgina de l'editor EasyEDA i, a continuació, descarregueu el fitxer Gerber des d'allà o podeu fer clic a Comanda a JLCPCB com es mostra a la imatge següent. Això us redirigirà a JLCPCB.com, on podreu seleccionar el nombre de PCB que voleu demanar, quantes capes de coure necessiteu, el gruix del PCB, el pes del coure i fins i tot el color del PCB, com la instantània que es mostra a continuació. Una altra bona notícia és que, ara, podeu obtenir tots els PCB de color al mateix preu de JLCPCB. Així que vaig decidir obtenir el meu de color negre només per tenir un aspecte estètic, ja que podeu triar el vostre color preferit.

Després de fer clic a la comanda al botó JLCPCB, us portarà al lloc web de JLCPCB, on podreu demanar qualsevol PCB de color amb una tarifa molt baixa, que és de $ 2 per a tots els colors. El seu temps de construcció també és molt inferior, és a dir, 48 hores amb un lliurament DHL de 3-5 dies, bàsicament obtindreu els vostres PCB en una setmana després de la comanda. A més, també ofereixen un descompte de 20 dòlars en l’enviament de la primera comanda.

Després de demanar el PCB, podeu comprovar el progrés de producció del PCB amb la data i l'hora. Per comprovar-ho, aneu a la pàgina del compte i feu clic a l'enllaç "Progrés de producció" sota el PCB, tal com es mostra a la imatge següent.

Després d’uns dies de demanar PCB, vaig obtenir les mostres de PCB en un bon embalatge, tal com es mostra a les imatges següents.

Preparant el PCB Boost Converter

Com es pot veure a les imatges anteriors, el tauler estava en molt bona forma amb totes les petjades i vies al seu lloc amb la mida exacta requerida. Per tant, vaig procedir a soldar tots els components SMD de la placa i després els de forat passant. En qüestió de minuts el meu PCB estarà llest per a l'acció. A continuació es mostra el meu tauler amb tots els components soldats i la cel·la de la moneda

Prova del mòdul Booster Cell Booster

Ara que el nostre mòdul està completament alimentat, podem començar a provar-lo. La sortida de 5 V augmentada de la placa es pot obtenir des del port USB o bé mitjançant el pin de capçalera masculí que hi ha a prop. Vaig utilitzar el meu multímetre per mesurar la tensió de sortida i, com podeu veure, era a prop de 5V. Per tant, podem concloure que el nostre mòdul boost funciona correctament.

Aquest mòdul ara es pot utilitzar per alimentar plaques de microcontroladors o per alimentar altres petits sensors o circuits. Tingueu en compte que la intensitat màxima que pot subministrar és de només 200 mA, de manera que no espereu que condueixi a càrregues pesades. Tot i això, vaig estar content d’alimentar les meves plaques Arduino i ESP amb aquest mòdul petit i compacte. Les imatges següents mostren el convertidor d’ alimentació que alimenta Arduino i STM.

Igual que l'anterior mòdul de subministrament d'alimentació de taulers, aquest mòdul de reforç de cèl·lules de monedes també s'afegirà al meu inventari perquè pugui utilitzar-los en tots els meus futurs projectes allà on necessiti una font d'alimentació compacta portàtil. Espero que us hagi agradat el projecte i hàgiu après alguna cosa útil en el procés de construcció d’aquest mòdul. El funcionament complet es pot trobar al vídeo enllaçat a continuació.

Si teniu algun problema per fer que les coses funcionin, no dubteu a deixar-les a la secció de comentaris o utilitzeu els nostres fòrums per a altres qüestions tècniques.