DIY High Efficiency 5V Output Buck Converter! - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Ik wilde een efficiënte manier om hogere spanningen van LiPo-packs (en andere bronnen) naar 5V te verlagen voor elektronicaprojecten. In het verleden heb ik generieke buck-modules van eBay gebruikt, maar de twijfelachtige kwaliteitscontrole en de naamloze elektrolytische condensatoren gaven me geen vertrouwen.

Dus besloot ik dat ik mijn eigen step-down converter zou maken om niet alleen mezelf uit te dagen, maar ook iets nuttigs te maken!

Waar ik uiteindelijk mee eindigde, is een buck-converter met een zeer breed ingangsspanningsbereik (6V tot 50V ingang) en 5V uitgangen tot 1A belastingsstroom, alles in een kleine vormfactor. Het piekrendement dat ik heb gemeten was 94%, dus dit circuit is niet alleen klein, maar het blijft ook koel.

Stap 1: Een Buck IC kiezen

Hoewel je zeker een buck-converter kunt maken met een handvol op-amps en andere ondersteunende componenten, zul je betere prestaties krijgen en zeker veel PCB-ruimte besparen als je in plaats daarvan een speciale buck-converter-IC kiest.

U kunt de zoek- en filterfuncties op sites als DigiKey, Mouser en Farnell gebruiken om een geschikte IC voor uw behoeften te vinden. In de bovenstaande afbeelding ziet u een ontmoedigende 16, 453 onderdelen die met slechts een paar klikken worden teruggebracht tot 12 opties!

Ik ging met de MAX17502F in een klein pakket van 3 mm x 2 mm, maar een iets groter pakket zou waarschijnlijk beter zijn als je van plan bent de componenten met de hand te solderen. Dit IC heeft veel functies, waarvan de meest opvallende het grote ingangsbereik tot 60V* en de interne power-FET's zijn, waardoor er geen externe MOSFET of diode nodig is.

* Merk op dat ik in de intro zei dat het 50V-invoer was, maar het onderdeel kan 60V aan? Dit komt door de ingangscondensatoren en als u 60V-ingang nodig hebt, kan het circuit naar wens worden aangepast.

Stap 2: Controleer de datasheet van uw gekozen IC

Vaker wel dan niet, zal er een zogenaamd "Typisch toepassingscircuit" worden weergegeven in de datasheet dat erg lijkt op wat u probeert te bereiken. Dit gold voor mijn geval en hoewel men gewoon de componentwaarden kon kopiëren en het klaar kon noemen, zou ik aanraden de ontwerpprocedure te volgen (indien aanwezig).

Hier is de datasheet van de MAX17502F:

Vanaf pagina 12 zijn er ongeveer een dozijn zeer eenvoudige vergelijkingen die u kunnen helpen bij het kiezen van meer geschikte componentwaarden en het helpt ook om details te geven over enkele van de drempelwaarden - zoals de minimale inductantiewaarde.

Stap 3: Kies componenten voor uw circuit

Wacht, ik dacht dat we dit deel al hadden gedaan? Welnu, het vorige deel was om de ideale componentwaarden te vinden, maar in de echte wereld moeten we genoegen nemen met niet-ideale componenten en de voorbehouden die daarbij horen.

Als voorbeeld worden meerlagige keramische condensatoren (MLCC's) gebruikt voor de ingangs- en uitgangscondensatoren. MLCC's hebben veel voordelen ten opzichte van elektrolytische condensatoren - vooral in DC/DC-converters - maar ze zijn onderhevig aan iets dat DC Bias wordt genoemd.

Wanneer een gelijkspanning wordt toegepast op een MLCC, kan de capaciteitsclassificatie tot 60% dalen! Dit betekent dat uw 10 µF condensator nu slechts 4 µF is bij een bepaalde gelijkspanning. Geloof me niet? Kijk op de TDK website en scroll naar beneden voor karakteristieke data voor deze 10µF condensator.

Een gemakkelijke oplossing voor dit soort problemen is eenvoudig, gebruik gewoon meer MLCC parallel. Dit helpt ook om de spanningsrimpel te verminderen, omdat de ESR wordt verlaagd en dit is heel gebruikelijk in commerciële producten die moeten voldoen aan strikte specificaties voor spanningsregulering.

In de bovenstaande afbeeldingen is er een schematische en bijbehorende stuklijst (BOM) van de MAX17502F Evaluation Kit, dus als u geen goede componentkeuze kunt vinden, gebruik dan het beproefde voorbeeld:)

Stap 4: Het schema en de PCB-lay-out invullen

Met je daadwerkelijke componenten gekozen, is het tijd om een schema te maken dat deze componenten vastlegt, hiervoor heb ik EasyEDA gekozen zoals ik het eerder heb gebruikt met positieve resultaten. Voeg eenvoudig uw componenten toe, zorg ervoor dat ze de juiste afmetingen hebben en verbind de componenten met elkaar, net als het typische toepassingscircuit eerder.

Zodra dat is voltooid, klikt u op de knop "Converteren naar PCB" en wordt u naar het gedeelte PCB-layout van de tool gebracht. Maak je geen zorgen als je ergens niet zeker van bent, want er zijn veel tutorials online over EasyEDA.

De lay-out van PCB's is erg belangrijk en kan het verschil maken tussen het wel of niet werken van het circuit. Ik zou sterk adviseren om alle lay-outadviezen in de datasheet van de IC op te volgen, indien beschikbaar. Analog Devices heeft een geweldige toepassingsnota over het onderwerp PCB-layout als iemand geïnteresseerd is:

Stap 5: Bestel uw PCB's

Ik weet zeker dat de meesten van jullie op dit moment de promotionele berichten in YouTube-video's voor JLCPCB en PCBway hebben gezien, dus het zou geen verrassing moeten zijn dat ik ook een van deze promotionele aanbiedingen heb gebruikt. Ik bestelde mijn PCB's bij JLCPCB en ze kwamen iets meer dan 2 weken later aan, dus alleen vanuit monetair oogpunt zijn ze redelijk goed.

Wat betreft de kwaliteit van de PCB's heb ik absoluut geen klachten, maar daar mag je over oordelen:)

Stap 6: Montage en testen

Ik heb alle componenten met de hand op de lege PCB gesoldeerd, wat behoorlijk onhandig was, zelfs met de extra ruimte die ik tussen de componenten had gelaten, maar er zijn assemblagediensten door JLCPCB en andere PCB-leveranciers die de noodzaak voor deze stap zouden elimineren.

Door de stroom aan te sluiten op de ingangsklemmen en de uitgang te meten, werd ik begroet door 5.02V zoals gezien door de DMM. Nadat ik de 5V-uitgang over het gehele spanningsbereik had geverifieerd, heb ik een elektronische belasting over de uitgang aangesloten die was aangepast tot 1A stroomafname.

De Buck begon recht omhoog met deze 1A-laadstroom en toen ik de uitgangsspanning (op het bord) meette, was deze 5,01V, dus de belastingsregeling was erg goed. Ik heb de ingangsspanning ingesteld op 12V omdat dit een van de use-cases was die ik in gedachten had voor dit bord en ik heb de ingangsstroom gemeten als 0,476A. Dit geeft een efficiëntie van ongeveer 87,7%, maar idealiter zou je een vier DMM-testbenadering willen voor efficiëntiemetingen.

Bij 1A laadstroom merkte ik dat de efficiëntie iets lager was dan verwacht, ik geloof dat dit te wijten is aan (I^2 * R) verliezen in de inductor en in de IC zelf. Om dit te bevestigen, heb ik de belastingsstroom op de helft gezet en de bovenstaande meting herhaald om een efficiëntie van 94% te krijgen. Dit betekent dat door de uitgangsstroom te halveren de vermogensverliezen werden verminderd van ~615mW tot ~300mW. Sommige verliezen zullen onvermijdelijk zijn, zoals schakelverliezen in het IC en ruststroom, dus ik ben nog steeds erg blij met dit resultaat.

Stap 7: Neem uw aangepaste PCB op in sommige projecten

Nu hebt u een stabiele 5V 1A-voeding die kan worden gevoed door een 2S tot 11S lithiumbatterijpak, of een andere bron tussen 6V en 50V, u hoeft zich geen zorgen te maken over het voeden van uw eigen elektronicaprojecten. Of het nu gaat om microcontrollers of puur analoge circuits, deze kleine buck-converter kan het allemaal!

Ik hoop dat je genoten hebt van deze reis en als je zo ver bent gekomen, heel erg bedankt voor het lezen!