Enkelt celle boost konverter kredsløb ved hjælp af møntcelle - 5v output

Battericeller er den mest anvendte energikilde til at drive bærbar elektronik. Det være sig et simpelt vækkeur eller en IoT-sensorknude eller en kompleks mobiltelefon, alt er drevet af batterier. I de fleste tilfælde skal disse bærbare enheder have en lille formfaktor (pakningsstørrelse), og den drives derfor af et enkelt cellebatteri, som den populære CR2032 Lithium-celle eller den anden 3,7V lithiumpolymer eller 18650 celler. Disse celler pakker i høj energi for deres størrelse, men en almindelig ulempe med disse celler er med dens driftsspænding. Et typisk lithiumbatteri har en nominel spænding på 3,7 V, men denne spænding kan gå ned så lave som 2,8 V, når den er fuldt drænet og så høj som 4,2 V, når den er fuldt opladet, hvilket ikke er meget ønskeligt for vores elektronikdesign, som enten fungerer med reguleret 3.3 V eller 5V som driftsspænding.

Dette medfører behovet for en boostkonverter, der kan optage denne variabel 2,8V til 4,2V som indgangsspænding og regulere den til konstant 3,3V eller 5V. Heldigvis findes der en IC kaldet BL8530, som gør nøjagtigt det samme med meget minimale eksterne komponenter. Så i dette projekt vil vi opbygge et 5V boosterkredsløb til lav pris , der giver en konstant reguleret udgangsspænding på 5V fra en CR2032-møntcelle; Vi designer også et kompakt printkort til denne boostkonverter, så det kan bruges i alle vores fremtidige bærbare projekter. Boostkonverterens maksimale udgangsstrøm er 200mAhvilket er godt nok til at drive basale mikrokontroller og sensorer. En anden fordel ved dette kredsløb er, at hvis dit projekt kræver en reguleret 3.3V i stedet for 5V, kan det samme kredsløb også bruges til at regulere 3.3V ved blot at bytte en komponent. Dette kredsløb kan også fungere som Power Bank til at tænde for små tavler som Arduino, STM32, MSP430 osv. Vi har tidligere bygget en lignende boostkonverter ved hjælp af lithiumbatteri til at oplade en mobiltelefon.

Påkrævet materiale

BL8530-5V Booster IC (SOT89)
47uH induktor (5 mm SMD)
SS14-diode (SMD)
1000uF 16V Tantal kondensator (SMD)
Møntcelleholder
USB-hunstik

Overvejelser om design af enkeltcelle-boostkonverter

Konstruktionskravene til en enkeltcelle-boostkonverter vil være anderledes end en almindelig boost-konverter. Dette skyldes, at her styrkes energien fra et batteri (møntcelle) til udgangsspænding, så vores enhed fungerer. Så man skal være opmærksom på, at boosterkredsløbet udnytter det maksimale af batteriet med høj effektivitet for at holde enheden tændt så længe som muligt. Når du vælger booster IC til dine designs, kan du overveje følgende fire parametre. Du kan også læse artiklen om Boost Regulator Design for at vide mere om det.

Start-up Voltage: Dette er den minimum krævede indgangsspænding fra batteriet, for at boost-konverteren kan begynde at køre. Når du tænder boostkonverteren, skal batteriet i det mindste være i stand til at give denne opstartsspænding, så din booster kan fungere. I vores design er den krævede opstartsspænding 0,8 V, hvilket er langt under enhver fuldt afladet møntcellespænding.

Hold-on-spænding: Når enheden får strøm fra dit boost-kredsløb, begynder batterispændingen at falde, da den afgiver strøm. Spændingen, til hvilken en booster IC holder sin ydeevne, kaldes hold-on-spænding. Under denne spænding stopper IC-funktionen, og vi får ingen udgangsspænding. Bemærk, at holdespænding altid vil være mindre end opstartsspænding. Det vil sige, at IC'en vil kræve mere spænding for at begynde sin drift, og i løbet af sin kørende tilstand kan den dræne batteriet langt under det. Ventespændingen i vores kredsløb er 0,7V.

Hvilestrøm: Mængden af strøm, som vores boosterkredsløb trækker (spilder), selv når der ikke er tilsluttet nogen belastning på udgangssiden, kaldes hvilestrøm. Denne værdi skal være så lav som muligt, for vores IC er værdien af hvilestrøm mellem 4uA og 7uA. Det er meget vigtigt at have denne værdi lav eller nul, hvis enheden ikke skal forbindes til belastning i lang tid.

On-Resistance: Alt boost-konverter kredsløb vil involvere en switch-enhed som MOSFET eller andre FET'er i den. Hvis vi bruger en IC-konverter, vil denne switch-enhed være indlejret inde i IC. Det er vigtigt, at denne switch har meget lav modstand. For eksempel i vores design her har IC BL8530 en intern switch med on-modstand på 0,4Ω, hvilket er en anstændig værdi. Denne modstand vil falde en spænding over kontakten baseret på strømmen igennem den (Ohms lov) og derved mindske effektiviteten af modulet.

Der er mange måder at øge spændingen på, nogle af dem er demonstreret i vores Charger Circuit Series her.

Kredsløbsdiagram

Det komplette kredsløbsdiagram for 5V boosterkredsløbet er vist nedenfor, skemaerne blev tegnet ved hjælp af EasyEDA.

Som du kan se, kræver kredsløbet meget minimale komponenter, da alt hårdt arbejde trækkes af BL8530 IC. Der er mange versioner af BL8530 IC, den der bruges her “BL8530-50” hvor 50 repræsenterer udgangsspændingen 5V. Tilsvarende vil IC BL8530-33 have en udgangsspænding på 3,3 V, og ved blot at udskifte denne IC kan vi opnå den krævede udgangsspænding. Der er 2.5V, 3V, 4.2V, 5V og endda 6V version af denne IC tilgængelig på markedet. I denne vejledning vil vi fokusere på 5V-versionen. IC kræver kun en kondensator, induktor og diode sammen med den for at fungere, lad os se, hvordan man vælger komponenterne.

Valg af komponenter

Induktor: Det tilgængelige valg af induktorværdi for denne IC er form 3uH til 1mH. Brug af en høj induktorværdi giver høj udgangsstrøm og høj effektivitet. Ulempen er imidlertid, at det kræver en høj indgangsspænding fra cellen for at fungere, så brug af en høj induktorværdi får muligvis ikke boost-kredsløbet til at fungere, indtil batteriet er helt tømt. Derfor skal der foretages en afvejning mellem udgangsstrøm og minimum indgangsstrøm i ud design. Her har jeg brugt en værdi på 47uH, da jeg har brug for høj udgangsstrøm, du kan reducere denne værdi, hvis din belastningsstrøm vil være mindre for dit design. Det er også vigtigt at vælge en induktor med lav ESR-værdi for høj effektivitet i dit design.

Udgangskondensator: Den tilladte værdi af kondensator er fra 47uF til 220uF. Funktionen af denne udgangskondensator er at filtrere outputbølger. Værdien af dette skal bestemmes ud fra belastningens art. Hvis det er en induktiv belastning, anbefales kondensator med høj værdi til resistive belastninger som for mikrocontrollere eller de fleste sensorer, kondensator med lav værdi fungerer. Ulempen ved at bruge kondensator med høj værdi er øgede omkostninger, og det sænker også systemet. Her har jeg brugt en 100uF tantalkondensator, da tantalkondensatorer er bedre til rippelkontrol end keramiske kondensatorer.

Diode: Den eneste overvejelse med diode er, at den skal have et meget fremad lavt spændingsfald. Det er kendt, at Schottky-dioder har lave fremadspændingsfald end normale ensretterdioder. Derfor har vi brugt SS14D SMD-dioden, der har et fremadrettet spændingsfald på mindre end 0,2 V.

Indgangskondensator: På samme måde som udgangskondensatoren kan en indgangskondensator bruges til at styre krusningsspændingerne, inden du går ind i boost-kredsløbet. Men her, da vi bruger batteri som vores spændingskilder, behøver vi ikke en indgangskondensator til krusningskontrol. Fordi batterier af natur leverer ren jævnstrømsspænding uden nogen krusning i dem.

De andre komponenter er kun hjælpestykker. Batteriholderen bruges til at holde møntcellen, og UCB-porten er forsynet med at forbinde USB-kabler direkte til vores boost-modul, så vi nemt kan drive almindelige udviklingskort som Arduino, ESP8266, ESP32 osv.

Print og fabrikation af printkort ved hjælp af Easy EDA

Nu hvor kredsløbet til møntcelleforstærker er klar, er det tid til at få det fabrikeret. Da alle komponenter her kun er tilgængelige i SMD-pakke, måtte jeg fremstille et printkort til mit kredsløb. Så som altid har vi brugt online EDA-værktøjet kaldet EasyEDA til at få vores PCB fabrikeret, fordi det er meget praktisk at bruge, da det har en god samling fodspor, og det er open source.

Efter design af PCB kan vi bestille PCB-prøver ved hjælp af deres billige PCB-fabrikationstjenester. De tilbyder også komponentsourcingtjeneste, hvor de har et stort lager af elektroniske komponenter, og brugere kan bestille deres nødvendige komponenter sammen med printkortordren.

Mens du designer dine kredsløb og printkort, kan du også gøre dit kredsløb og printkortdesign offentligt, så andre brugere kan kopiere eller redigere dem og drage fordel af dit arbejde, vi har også gjort vores hele kredsløbs- og printkortlayouts offentlige for dette kredsløb, tjek nedenstående link:

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

Du kan se ethvert lag (Top, Bottom, Topsilk, bottomsilk osv.) På printkortet ved at vælge laget fra vinduet 'Layers'. For nylig har de også introduceret en 3D-visningsindstilling, så du også kan se Multicell-spændingsmåle-printkortet, hvordan det vil se ud efter fabrikation ved hjælp af 3D-visningsknappen i EasyEDA:

Beregning og bestilling af prøver online

Efter at have afsluttet designet af dette 5V møntcelleforstærkerkredsløb, kan du bestille printkortet via JLCPCB.com. For at bestille printkortet fra JLCPCB skal du have Gerber File. For at downloade Gerber-filer på din PCB skal du blot klikke på Generer fabrikationsfil-knappen på EasyEDA-redigeringssiden, og derefter downloade Gerber-filen derfra, eller du kan klikke på Bestil på JLCPCB som vist i billedet nedenfor. Dette omdirigerer dig til JLCPCB.com, hvor du kan vælge antallet af printkort, du vil bestille, hvor mange kobberlag du har brug for, PCB-tykkelsen, kobbervægt og endda PCB-farven, som det viste øjebliksbillede. En anden god nyhed er, at du nu kan få alle farve-printkort til samme pris fra JLCPCB. Så jeg besluttede at få min i sort farve bare for et æstetisk look, du kan vælge din yndlingsfarve.

Efter at have klikket på ordren ved JLCPCB-knappen, vil det tage dig til JLCPCB-webstedet, hvor du kan bestille enhver farve-printkort i meget lav pris, hvilket er $ 2 for alle farverne. Deres byggetid er også meget mindre, hvilket er 48 timer med DHL-levering på 3-5 dage, dybest set får du dine printkort inden for en uge efter bestilling. Desuden tilbyder de også 20 $ rabat på forsendelse til din første ordre.

Efter bestilling af printkortet kan du kontrollere produktionsforløbet for dit printkort med dato og klokkeslæt. Du tjekker det ved at gå til kontosiden og klikke på linket "Produktionsfremdrift" under printkortet som vist i billedet nedenfor.

Efter få dage med bestilling af printkort fik jeg printkortprøverne i pæn emballage som vist på nedenstående billeder.

Gør Boost Converter PCB klar

Som du kan se fra ovenstående billeder, var tavlen i en meget god form vil alle fodspor og vias på plads i den nøjagtige krævede størrelse. Så jeg fortsatte med lodning af alle SMD-komponenterne på tavlen og derefter gennem hullerne. Inden for få minutter er min PCB klar til handling. Mit kort med alle lodde komponenter og møntcellen er vist nedenfor

Test af møntcelleforstærkermodul

Nu hvor vores modul er klar og drevet, kan vi begynde at teste det. Den boostede 5V-output fra kortet kan enten opnås fra USB-porten eller fra den mandlige header-pin i nærheden af den. Jeg brugte mit multimeter til at måle udgangsspændingen, og som du kan se, var det tæt på 5V. Derfor kan vi konkludere, at vores boost-modul fungerer korrekt.

Dette modul kan nu bruges til at drive mikrokontrolkort eller til at drive andre små sensorer eller kredsløb. Husk, at den maksimale strøm, den kan levere, kun er 200 mA, så forvent ikke, at den kører tunge belastninger. Jeg var dog tilfreds med at tænde mine Arduino-kort og ESP-kort med dette lille og kompakte modul. Nedenstående billeder viser boostkonverteren, der driver Arduino og STM.

Ligesom det forrige strømforsyningsmodul til breadboard vil dette møntcelleforstærkermodul også blive føjet til min beholdning, så jeg kan bruge dem i alle mine fremtidige projekter, hvor jeg har brug for en bærbar kompakt strømkilde. Håber du kunne lide projektet og lærte noget nyttigt i processen med at opbygge dette modul. Det komplette arbejde kan findes i den linkede video nedenfor.

Hvis du har problemer med at få tingene til at fungere, er du velkommen til at droppe dem i kommentarfeltet eller bruge vores fora til andre tekniske spørgsmål.