Tự làm Bộ chuyển đổi Buck đầu ra 5V hiệu quả cao !: 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Tôi muốn một cách hiệu quả để giảm điện áp cao hơn từ các gói LiPo (và các nguồn khác) xuống 5V cho các dự án điện tử. Trong quá khứ, tôi đã sử dụng các mô-đun buck chung từ eBay, nhưng việc kiểm soát chất lượng có vấn đề và không có tên tụ điện không khiến tôi tự tin.

Vì vậy, tôi quyết định rằng tôi sẽ tạo ra bộ chuyển đổi bước xuống của riêng mình để không chỉ thử thách bản thân mà còn để tạo ra thứ gì đó hữu ích nữa!

Những gì tôi kết thúc với là một bộ chuyển đổi buck có dải điện áp đầu vào rất rộng (đầu vào 6V lên đến 50V) và đầu ra 5V ở dòng tải lên đến 1A, tất cả đều ở dạng nhỏ. Hiệu suất cao nhất mà tôi đo được là 94% vì vậy mạch này không chỉ nhỏ mà còn mát.

Bước 1: Chọn một IC Buck

Mặc dù bạn chắc chắn có thể tạo ra một bộ chuyển đổi buck với một số op-amps và các thành phần hỗ trợ khác, bạn sẽ có được hiệu suất tốt hơn và chắc chắn tiết kiệm rất nhiều diện tích PCB nếu thay vào đó bạn chọn một IC chuyển đổi buck chuyên dụng.

Bạn có thể sử dụng chức năng tìm kiếm và lọc trên các trang như DigiKey, Mouser và Farnell để tìm một IC phù hợp với nhu cầu của mình. Trong hình trên, bạn có thể thấy 16, 453 phần khó khăn bị thu hẹp xuống còn 12 tùy chọn chỉ trong vài cú nhấp chuột!

Tôi đã sử dụng MAX17502F trong một gói nhỏ 3mm x 2mm, nhưng một gói lớn hơn một chút có lẽ sẽ tốt hơn nếu bạn có kế hoạch hàn thủ công các thành phần. IC này có rất nhiều tính năng, trong đó đáng chú ý nhất là dải đầu vào lớn lên đến 60V * và các FET nguồn bên trong có nghĩa là không cần MOSFET hoặc Diode bên ngoài.

* Lưu ý rằng trong phần giới thiệu tôi đã nói đó là đầu vào 50V nhưng phần có thể xử lý 60V? Điều này là do các tụ điện đầu vào và nếu bạn cần đầu vào 60V, mạch có thể được sửa đổi cho phù hợp.

Bước 2: Kiểm tra Datasheet của IC đã chọn của bạn

Thường xuyên hơn không, sẽ có những gì được gọi là "Mạch ứng dụng điển hình" được hiển thị trong biểu dữ liệu sẽ rất giống với những gì bạn đang cố gắng đạt được. Điều này đúng với trường hợp của tôi và mặc dù người ta có thể sao chép các giá trị thành phần và gọi là xong, tôi khuyên bạn nên làm theo quy trình thiết kế (nếu được cung cấp).

Đây là biểu dữ liệu của MAX17502F:

Bắt đầu từ trang 12, có khoảng một tá phương trình rất đơn giản có thể giúp bạn chọn các giá trị thành phần phù hợp hơn và nó cũng giúp cung cấp chi tiết về một số giá trị ngưỡng - chẳng hạn như giá trị điện cảm tối thiểu.

Bước 3: Chọn các thành phần cho mạch của bạn

Chờ đã, tôi nghĩ rằng chúng tôi đã làm phần này? Chà, phần trước là tìm các giá trị thành phần lý tưởng, nhưng trong thế giới thực, chúng ta phải giải quyết các thành phần không lý tưởng và những lưu ý đi kèm.

Ví dụ, tụ điện gốm nhiều lớp (MLCC) được sử dụng cho các tụ điện đầu vào và đầu ra. MLCC có nhiều lợi ích so với tụ điện - đặc biệt là trong bộ chuyển đổi DC / DC - nhưng chúng phải tuân theo một thứ gọi là DC Bias.

Khi đặt điện áp một chiều vào MLCC, định mức điện dung có thể giảm tới 60%! Điều này có nghĩa là tụ điện 10µF của bạn bây giờ chỉ là 4µF ở một điện áp DC nhất định. Không tin tôi? Hãy xem trang web TDK và cuộn xuống để biết dữ liệu đặc trưng cho tụ điện 10µF này.

Cách khắc phục dễ dàng cho loại vấn đề này rất đơn giản, chỉ cần sử dụng song song nhiều MLCC hơn. Điều này cũng giúp giảm độ gợn sóng điện áp do ESR giảm và rất thường thấy trong các sản phẩm thương mại cần đáp ứng các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt về quy định điện áp.

Trong các hình ảnh trên có một Hóa đơn nguyên vật liệu (BOM) sơ đồ và tương ứng từ Bộ công cụ đánh giá MAX17502F, vì vậy nếu bạn dường như không thể tìm thấy lựa chọn thành phần tốt thì hãy làm với ví dụ đã thử và đã thử nghiệm:)

Bước 4: Điền sơ đồ và bố cục PCB

Với các thành phần thực tế của bạn đã chọn, đã đến lúc tạo một giản đồ ghi lại các thành phần này, vì điều này, tôi đã chọn EasyEDA vì tôi đã sử dụng nó trước đây với kết quả khả quan. Chỉ cần thêm các thành phần của bạn vào, đảm bảo chúng có kích thước phù hợp và kết nối các thành phần với nhau giống như mạch ứng dụng điển hình trước đây.

Sau khi hoàn tất, hãy nhấp vào nút "Chuyển đổi sang PCB" và bạn sẽ được đưa đến phần Bố trí PCB của công cụ. Đừng lo lắng nếu bạn không chắc chắn về điều gì đó vì có rất nhiều hướng dẫn trực tuyến về EasyEDA.

Bố trí PCB rất quan trọng và nó có thể tạo ra sự khác biệt giữa mạch hoạt động hay không. Tôi thực sự khuyên bạn nên làm theo tất cả các lời khuyên về cách bố trí trong biểu dữ liệu của IC nếu có. Analog Devices có một ghi chú ứng dụng tuyệt vời về chủ đề Bố trí PCB nếu ai quan tâm:

Bước 5: Đặt hàng PCB của bạn

Tôi chắc rằng hầu hết các bạn tại thời điểm này đều đã xem các thông điệp quảng cáo trong các video trên youtube cho JLCPCB và PCBway, vì vậy không có gì ngạc nhiên khi tôi cũng sử dụng một trong những khuyến mại này. Tôi đã đặt mua PCB của mình từ JLCPCB và họ đã đến chỉ hơn 2 tuần sau đó, vì vậy chỉ từ quan điểm tiền tệ, chúng khá tốt.

Đối với chất lượng của PCB, tôi hoàn toàn không có khiếu nại, nhưng bạn có thể là người đánh giá điều đó:)

Bước 6: Lắp ráp và kiểm tra

Tôi đã hàn thủ công tất cả các thành phần lên PCB trống, điều này khá khó khăn ngay cả khi tôi còn thừa khoảng trống giữa các thành phần, nhưng có các dịch vụ lắp ráp của JLCPCB và các nhà cung cấp PCB khác sẽ loại bỏ sự cần thiết của bước này.

Kết nối nguồn điện với các thiết bị đầu cuối đầu vào và đo đầu ra, tôi đã được chào đón bởi 5,02V như được thấy bởi DMM. Khi tôi đã xác minh đầu ra 5V trên toàn bộ dải điện áp, tôi đã kết nối tải điện tử trên đầu ra đã được điều chỉnh thành dòng điện 1A.

Buck bắt đầu chạy thẳng với dòng tải 1A này và khi tôi đo điện áp đầu ra (tại bảng) nó là 5,01V, vì vậy điều chỉnh tải rất tốt. Tôi đặt điện áp đầu vào thành 12V vì đây là một trong những trường hợp sử dụng tôi đã lưu ý đối với bảng này và tôi đo dòng điện đầu vào là 0,476A. Điều này mang lại hiệu suất khoảng 87,7% nhưng lý tưởng nhất là bạn muốn có phương pháp kiểm tra bốn DMM để đo hiệu quả.

Ở dòng tải 1A, tôi đã nhận thấy hiệu suất thấp hơn một chút so với mong đợi, tôi tin rằng điều này là do (I ^ 2 * R) tổn thất trong cuộn cảm và trong chính vi mạch. Để xác nhận điều này, tôi đặt dòng tải xuống một nửa và lặp lại phép đo trên để đạt hiệu suất 94%. Điều này có nghĩa là bằng cách giảm một nửa dòng điện đầu ra, tổn thất điện năng đã giảm từ ~ 615mW xuống ~ 300mW. Một số tổn thất sẽ không thể tránh khỏi, chẳng hạn như tổn thất chuyển mạch bên trong IC cũng như dòng điện tĩnh, vì vậy tôi vẫn rất hài lòng với kết quả này.

Bước 7: Đưa PCB tùy chỉnh của bạn vào một số dự án

Giờ đây, bạn đã có nguồn điện 5V 1A ổn định có thể được cấp nguồn từ bộ pin lithium 2S đến 11S hoặc bất kỳ nguồn nào khác từ 6V đến 50V, không cần phải lo lắng về cách cấp nguồn cho các dự án điện tử của riêng bạn. Có thể là dựa trên vi điều khiển hoặc hoàn toàn là mạch tương tự, bộ chuyển đổi buck nhỏ này có thể làm tất cả!

Tôi hy vọng bạn thích cuộc hành trình này và nếu bạn đã đi được xa như vậy, cảm ơn bạn rất nhiều vì đã đọc!