Ontwerp van een High Power PDB (Power Distribution Board) voor een Pixhawk: 5 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Een PCB om ze allemaal van stroom te voorzien!

Momenteel zijn de meeste materialen die je nodig hebt om een drone te bouwen goedkoop verkrijgbaar op internet, dus het idee om een zelfontwikkelde PCB te maken is het helemaal niet waard, behalve in een paar gevallen waarin je een rare en krachtige drone wilt maken. In dat geval kun je maar beter vindingrijk zijn of er een Instructables-tutorial over hebben …;)

Stap 1: doelstellingen

De doelstellingen van dit printje (en redenen waarom het niet op internet te vinden is) zijn:

1.- Het moet de Pixhawk 4 van stroom voorzien met de huidige maat, de spanningsmaat en dezelfde connector.

2.- Het moet de I/O- en de FMU-connectoren naar de pinnen hebben gericht, de CAP & ADC is in mijn geval niet nodig.

3.- Het moet 5 motoren kunnen aandrijven met een gecombineerde maximale stroom van 200A, Yep, 0, 2 KiloAmperes!

Opmerking: het is nog steeds nuttig voor ontwerpen met minder motoren of minder stroom. Dit is gewoon mijn geval.

Stap 2: Schema's en componenten kiezen

Oké, nu weten we wat we willen doen. Om verder te gaan zullen we de schema's ontwerpen.

Als je de elektronica achter dit bord niet wilt begrijpen, kopieer dan gewoon het schema en ga naar de volgende stap.

Het schema kan in twee hoofddelen worden verdeeld, de DCDC om de pixhawk van stroom te voorzien en de stroomverdeling van de motoren.

Met de DCDC zou de gemakkelijkste manier zijn om een Traco Power DCDC te gebruiken en te voorkomen dat je hem hoeft te ontwerpen, maar omdat ik de gemakkelijke manier niet leuk vind, zal ik een LM5576MH van Texas Instruments gebruiken. Deze geïntegreerde is een DCDC die een output tot 3A kan beheren en het datablad vertelt u alle informatie over de benodigde verbindingen en componenten en het geeft de formules om de gewenste specificaties van de DCDC te krijgen door de gebruikte componenten te wijzigen.

Hiermee eindigt het ontwerp van de DCDC voor de Pixhawk in mijn geval zoals op de foto te zien is.

Aan de andere kant bestaat de stroomverdeling uit het meten van de stroom en spanning en de verdeling zelf die in de volgende stap zal worden overwogen.

De spanningsdetectie zal eenvoudigweg een spanningsdeler zijn die bij zijn maximale spanning van 60 V (maximale spanning ondersteund door de DCDC) een 3,3 V-signaal afgeeft.

De huidige detectie is een beetje ingewikkelder, zelfs als we nog steeds de wet van Ohm gebruiken. Om de stroom te voelen, gebruiken we shuntweerstanden. Om de hoeveelheid stroom die ze aankunnen te maximaliseren, zullen 10W-weerstanden worden gebruikt. Met dat vermogen waren de kleinste SMD-shuntweerstanden die ik kon vinden van 0,5mohm.

Door de vorige gegevens en de vermogensformule, W = I² × R, te combineren, is de maximale stroom 141A, wat niet genoeg is. Daarom worden twee parallelle shuntweerstanden gebruikt, zodat de equivalente weerstand 0,25 mohm is en dan de maximale stroom de gewenste 200A. Deze weerstanden zullen worden aangesloten op een INA169, ook van Texas Instruments, en, net als in de DCDC, zal het ontwerp worden gemaakt volgens de datasheet.

Tenslotte zijn de gebruikte connectoren uit de GHS serie van JST connectoren en wordt de pinout van pixhawk 4 gevolgd om de juiste aansluiting te maken.

Opmerking: ik had de INA169-component niet in Altium, dus gebruikte ik gewoon een spanningsregelaar met dezelfde footprint.

Opmerking 2: Merk op dat sommige componenten zijn geplaatst, maar de waarde zegt NEE, dat betekent dat ze niet zullen worden gebruikt tenzij iets in het ontwerp verkeerd werkt.

Stap 3: Ontwerp van de printplaat met Altium Designer

In deze stap wordt de routering van de pcb gedaan.

Eerst moeten de componenten worden geplaatst en de vorm van het bord worden bepaald. In dit geval worden twee verschillende gebieden gemaakt, de DCDC en connectoren, en de voedingszone.

In de powerzone zijn de pads uit het bord zodat er na het solderen wat krimpkous gebruikt kan worden en de verbinding goed beschermd blijft.

Als dat eenmaal is gebeurd, volgt de routering van de componenten, om ervoor te zorgen dat de twee lagen efficiënt worden gebruikt en grotere sporen worden gebruikt in de stroomverbindingen. En onthoud, geen rechte hoeken in de sporen!

Zodra de routering is voltooid en niet eerder, worden de polygonen toegepast, hier is er een GND-polygoon op de onderste laag en een andere op de bovenste laag, maar bedekt alleen de DCDC- en connectorenzone. De vermogenszone van de bovenste laag wordt gebruikt voor de spanningsingang zoals weergegeven in de derde afbeelding.

Ten slotte kon dit bord de 200A waarvoor het is ontworpen niet aan, dus sommige zones van de polygoon zullen worden belicht zonder zeefdruk, zoals te zien is in de laatste twee afbeeldingen, zodat daar een onbedekte draad wordt gesoldeerd en vervolgens de hoeveelheid stroom die kan door het bord gaan is meer dan genoeg om aan onze eisen te voldoen.

Stap 4: De Gerber-bestanden voor JLCPCB maken

Als het ontwerp klaar is, moet het werkelijkheid worden. Om dat te doen is JLCPCB de beste fabrikant waarmee ik heb gewerkt, ze controleren je bord nog voordat je ervoor betaalt, zodat als ze een fout vinden, je het kunt repareren zonder geld te verliezen, en geloof me, dit is een echte redder in nood.

Aangezien dit bord een tweelaags bord is en kleiner is dan 10x10 cm, kost 10 stuks slechts $ 2 + de verzendkosten, uiteraard een betere optie dan het zelf te doen, want voor een lage prijs krijg je perfecte kwaliteit.

Om het ontwerp naar hen te sturen, moet het worden geëxporteerd naar gerber-bestanden, ze hebben tutorials voor Altium, Eagle, Kikad en Diptrace.

Ten slotte hoeven deze bestanden alleen maar te worden geüpload naar hun offertewebsite.

Stap 5: Einde

En dat is het!

Wanneer de PCB's arriveren, komt het koele deel, het solderen en testen. En uiteraard! Ik zal meer foto's uploaden!

De komende week zal ik mijn prototype solderen en testen, dus als je dit project wilt doen, wacht dan tot beide volgende statusmarkeringen OK zijn. Hiermee voorkom ik dat je een mislukte baan of weerstandsvervanging krijgt

Soldeer: NOG NIET

Test: NOG NIET

Merk op dat dit SMD-solderen is, als het de eerste keer is dat je soldeert of als je geen mooie soldeerbout hebt, overweeg dan om een ander project te doen, omdat dit een bron van problemen kan zijn.

Als iemand twijfels heeft over het proces, twijfel dan niet om contact met mij op te nemen.

Ook als je het doet, alsjeblieft, ik zou het graag weten en zien!