DIY Yüksek Verimli 5V Çıkış Buck Dönüştürücü!: 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Elektronik projeler için LiPo paketlerinden (ve diğer kaynaklardan) 5V'a daha yüksek voltajları düşürmenin verimli bir yolunu istedim. Geçmişte eBay'den jenerik buck modülleri kullandım, ancak şüpheli kalite kontrol ve isimsiz elektrolitik kapasitörler beni güvenle doldurmadı.

Bu yüzden, sadece kendime meydan okumak için değil, aynı zamanda faydalı bir şeyler yapmak için kendi düşürücü dönüştürücümü yapmaya karar verdim!

Sonunda elde ettiğim şey, çok geniş bir giriş voltajı aralığına (6V - 50V girişe kadar) sahip olan ve tümü küçük bir form faktöründe 1A'ya kadar yük akımında 5V çıkış veren bir dönüştürücüdür. Ölçtüğüm en yüksek verim %94'tü, bu yüzden bu devre sadece küçük değil, aynı zamanda serin de kalıyor.

Adım 1: Bir Buck IC Seçme

Bir avuç op-amp ve diğer destekleyici bileşenlerle kesinlikle bir dönüştürücü yapabilirken, bunun yerine özel bir dönüştürücü IC seçerseniz daha iyi performans elde edersiniz ve kesinlikle çok fazla PCB alanından tasarruf edersiniz.

İhtiyaçlarınıza uygun bir IC bulmak için DigiKey, Mouser ve Farnell gibi sitelerdeki arama ve filtreleme işlevlerini kullanabilirsiniz. Yukarıdaki resimde, sadece birkaç tıklamayla göz korkutucu 16, 453 parçanın 12 seçeneğe daraltıldığını görebilirsiniz!

MAX17502F ile 3 mm x 2 mm'lik küçük bir pakette gittim, ancak bileşenleri elle lehimlemeyi planlıyorsanız, biraz daha büyük bir paket muhtemelen daha iyi olurdu. Bu IC'nin birçok özelliği vardır, bunların en dikkat çekeni 60V*'a kadar geniş giriş aralığı ve harici MOSFET veya Diyot gerekmediği anlamına gelen dahili güç FET'leridir.

*Girişte 50V giriş olduğunu belirttiğimi, ancak parçanın 60V'yi kaldırabileceğini unutmayın. Bunun nedeni giriş kapasitörleridir ve 60V girişe ihtiyacınız varsa devre uygun şekilde değiştirilebilir.

Adım 2: Seçtiğiniz IC'nin Veri Sayfasını Kontrol Edin

Çoğu zaman, veri sayfasında gösterilen ve elde etmeye çalıştığınız şeye çok benzeyen "Tipik Uygulama Devresi" adı verilen şey olacaktır. Bu benim durumum için geçerliydi ve kişi sadece bileşen değerlerini kopyalayıp bitmiş olarak adlandırabilse de, tasarım prosedürünü (varsa) izlemenizi tavsiye ederim.

İşte MAX17502F'nin veri sayfası:

12. sayfadan başlayarak, daha uygun bileşen değerleri seçmenize yardımcı olabilecek yaklaşık bir düzine çok basit denklem vardır ve ayrıca, minimum endüktans değeri gibi bazı eşik değerleri hakkında ayrıntılı bilgi sağlamaya yardımcı olur.

Adım 3: Devreniz İçin Bileşenleri Seçin

Bekle, bu kısmı zaten yaptığımızı sanıyordum? Pekala, önceki kısım ideal bileşen değerlerini bulmaktı, ancak gerçek dünyada ideal olmayan bileşenlere ve beraberinde gelen uyarılara razı olmalıyız.

Örnek olarak, giriş ve çıkış kapasitörleri için Çok Katmanlı Seramik Kondansatörler (MLCC'ler) kullanılır. MLCC'lerin elektrolitik kapasitörlere göre birçok avantajı vardır - özellikle DC/DC dönüştürücülerde - ancak DC Bias denen bir şeye tabidirler.

Bir MLCC'ye bir DC voltajı uygulandığında, kapasitans derecesi %60'a kadar düşebilir! Bu, 10µF kapasitörünüzün artık belirli bir DC voltajında sadece 4µF olduğu anlamına gelir. Bana inanmıyor musun? TDK web sitesine bir göz atın ve bu 10µF kapasitör için karakteristik veriler için aşağı kaydırın.

Bu tür bir sorun için kolay bir düzeltme basittir, sadece paralel olarak daha fazla MLCC kullanın. Bu aynı zamanda ESR azaltıldığından voltaj dalgalanmasını azaltmaya yardımcı olur ve sıkı voltaj düzenleme özelliklerini karşılaması gereken ticari ürünlerde çok sık görülür.

Yukarıdaki resimlerde MAX17502F Değerlendirme Kitinden şematik ve karşılık gelen Malzeme Listesi (BOM) vardır, bu nedenle iyi bir bileşen seçeneği bulamıyorsanız, denenmiş ve test edilmiş örneği kullanın:)

Adım 4: Şematik ve PCB Düzenini Doldurma

Seçtiğiniz gerçek bileşenlerle, bu bileşenleri yakalayan bir şema oluşturmanın zamanı geldi, bunun için daha önce olumlu sonuçlarla kullandığım EasyEDA'yı seçtim. Doğru boyutta ayak izine sahip olduklarından emin olarak bileşenlerinizi ekleyin ve daha önceki tipik uygulama devresi gibi bileşenleri birbirine bağlayın.

Bu tamamlandığında, "PCB'ye Dönüştür" düğmesine tıklayın ve aracın PCB Düzeni bölümüne getirileceksiniz. EasyEDA hakkında çevrimiçi birçok öğretici olduğundan emin değilseniz endişelenmeyin.

PCB yerleşimi çok önemlidir ve devrenin çalışıp çalışmaması arasında fark yaratabilir. Varsa, IC'nin veri sayfasındaki tüm yerleşim önerilerini izlemenizi şiddetle tavsiye ederim. Analog Devices, ilgilenenler için PCB Düzeni konusunda harika bir uygulama notuna sahiptir:

Adım 5: PCB'lerinizi Sipariş Edin

Eminim bu noktada çoğunuz JLCPCB ve PCBway için youtube videolarındaki tanıtım mesajlarını görmüşsünüzdür, bu yüzden benim de bu promosyon tekliflerinden birini kullanmam sürpriz olmamalı. PCB'lerimi JLCPCB'den sipariş ettim ve 2 haftadan biraz uzun bir süre sonra geldiler, yani sadece parasal açıdan oldukça iyiler.

PCB'lerin kalitesine gelince, kesinlikle hiçbir şikayetim yok, ancak buna siz karar verebilirsiniz:)

Adım 6: Montaj ve Test Etme

Tüm bileşenleri, bileşenler arasında bıraktığım fazladan boşlukla bile oldukça zor olan boş PCB'ye elle lehimledim, ancak JLCPCB ve diğer PCB satıcıları tarafından bu adıma olan ihtiyacı ortadan kaldıracak montaj hizmetleri var.

Giriş terminallerine güç bağlayıp çıkışı ölçerken, DMM tarafından görüldüğü gibi 5.02V ile karşılaştım. 5V çıkışını tüm voltaj aralığında doğruladıktan sonra, çıkışa 1A akım çekimine ayarlanmış bir elektronik yük bağladım.

Buck doğrudan bu 1A yük akımıyla başladı ve çıkış voltajını (karttaki) ölçtüğümde 5.01V'daydı, bu yüzden yük regülasyonu çok iyiydi. Bu kart için aklımdaki kullanım durumlarından biri olduğu için giriş voltajını 12V olarak ayarladım ve giriş akımını 0.476A olarak ölçtüm. Bu, kabaca %87,7'lik bir verimlilik sağlar, ancak ideal olarak verimlilik ölçümleri için dört DMM test yaklaşımı isteyebilirsiniz.

1A yük akımında verimliliğin beklenenden biraz daha düşük olduğunu fark ettim, bunun indüktördeki ve IC'deki (I^2 * R) kayıplardan kaynaklandığına inanıyorum. Bunu doğrulamak için yük akımını yarıya ayarladım ve %94 verim elde etmek için yukarıdaki ölçümü tekrarladım. Bu, çıkış akımını yarıya indirerek güç kayıplarının ~615mW'den ~300mW'a düşürüldüğü anlamına gelir. IC içindeki anahtarlama kayıpları ve sessiz akım gibi bazı kayıplar kaçınılmaz olacaktır, bu yüzden bu sonuçtan hala çok mutluyum.

Adım 7: Özel PCB'nizi Bazı Projelere Dahil Edin

Artık 2S ila 11S lityum pil paketinden veya 6V ile 50V arasında başka herhangi bir kaynaktan güç alabilen kararlı bir 5V 1A kaynağınız var, kendi elektronik projelerinizi nasıl çalıştıracağınız konusunda endişelenmenize gerek yok. Mikrodenetleyici tabanlı veya tamamen analog devre olsun, bu küçük para dönüştürücüsü hepsini yapabilir!

Umarım bu yolculuktan keyif almışsınızdır ve eğer buraya kadar geldiyseniz, okuduğunuz için çok teşekkür ederim!