DIY High Efficiency 5V Output Buck Converter! - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Ich wollte eine effiziente Möglichkeit, höhere Spannungen von LiPo-Packs (und anderen Quellen) für Elektronikprojekte auf 5 V zu senken. In der Vergangenheit habe ich generische Buck-Module von eBay verwendet, aber die fragwürdige Qualitätskontrolle und No-Name-Elektrolytkondensatoren erfüllten mich nicht mit Vertrauen.

Also beschloss ich, meinen eigenen Abwärtswandler zu machen, um nicht nur mich selbst herauszufordern, sondern auch etwas Nützliches zu machen!

Am Ende habe ich einen Abwärtswandler mit einem sehr weiten Eingangsspannungsbereich (6 V bis 50 V Eingang) und 5 V bei einem Laststrom von bis zu 1 A in einem kleinen Formfaktor. Der von mir gemessene Spitzenwirkungsgrad betrug 94%, daher ist diese Schaltung nicht nur klein, sondern bleibt auch kühl.

Schritt 1: Auswahl eines Buck-ICs

Während Sie sicherlich einen Abwärtswandler mit einer Handvoll Operationsverstärkern und anderen unterstützenden Komponenten herstellen können, erhalten Sie eine bessere Leistung und sparen mit Sicherheit viel Leiterplattenfläche, wenn Sie sich stattdessen für einen dedizierten Abwärtswandler-IC entscheiden.

Sie können die Such- und Filterfunktionen auf Websites wie DigiKey, Mouser und Farnell verwenden, um einen geeigneten IC für Ihre Anforderungen zu finden. Im obigen Bild sehen Sie, wie einschüchternde 16.453 Teile mit nur wenigen Klicks auf 12 Optionen reduziert werden!

Ich habe den MAX17502F in einem winzigen 3 mm x 2 mm Gehäuse verwendet, aber ein etwas größeres Gehäuse wäre wahrscheinlich besser, wenn Sie die Komponenten von Hand löten möchten. Dieser IC verfügt über viele Funktionen, von denen der große Eingangsbereich von bis zu 60 V* und die internen Leistungs-FETs am bemerkenswertesten sind, sodass kein externer MOSFET oder keine Diode benötigt wird.

*Beachten Sie, dass ich im Intro angegeben habe, dass es sich um einen 50-V-Eingang handelt, das Teil jedoch 60 V verarbeiten kann? Dies liegt an den Eingangskondensatoren und wenn Sie einen 60-V-Eingang benötigen, kann die Schaltung entsprechend modifiziert werden.

Schritt 2: Überprüfen Sie das Datenblatt Ihres gewählten ICs

In den meisten Fällen wird im Datenblatt ein sogenannter "typischer Anwendungsschaltkreis" angezeigt, der dem, was Sie erreichen möchten, sehr ähnlich ist. Dies war in meinem Fall der Fall und obwohl man einfach die Komponentenwerte kopieren und als erledigt bezeichnen könnte, würde ich empfehlen, das Designverfahren zu befolgen (falls vorhanden).

Hier ist das Datenblatt des MAX17502F:

Ab Seite 12 gibt es ungefähr ein Dutzend sehr einfacher Gleichungen, die Ihnen bei der Auswahl geeigneterer Komponentenwerte helfen können, und es hilft auch, Details zu einigen der Schwellenwerte bereitzustellen - wie zum Beispiel den minimalen Induktivitätswert.

Schritt 3: Wählen Sie Komponenten für Ihre Schaltung

Warte, ich dachte, wir haben diesen Teil schon gemacht? Nun, der vorherige Teil bestand darin, die idealen Komponentenwerte zu finden, aber in der realen Welt müssen wir uns mit nicht idealen Komponenten und den damit verbundenen Einschränkungen zufrieden geben.

Als Beispiel werden Multi-Layered Ceramic Capacitors (MLCCs) für die Eingangs- und Ausgangskondensatoren verwendet. MLCCs haben viele Vorteile gegenüber Elektrolytkondensatoren – insbesondere in DC/DC-Wandlern – aber sie unterliegen einem sogenannten DC Bias.

Beim Anlegen einer Gleichspannung an einen MLCC kann die Nennkapazität um bis zu 60 % sinken! Dies bedeutet, dass Ihr 10µF-Kondensator bei einer bestimmten Gleichspannung jetzt nur noch 4µF beträgt. Glauben Sie mir nicht? Werfen Sie einen Blick auf die TDK-Website und scrollen Sie nach unten, um die charakteristischen Daten für diesen 10µF-Kondensator zu erhalten.

Eine einfache Lösung für diese Art von Problem ist einfach, verwenden Sie einfach mehr MLCC parallel. Dies trägt auch dazu bei, die Spannungswelligkeit zu reduzieren, da der ESR reduziert wird und ist bei kommerziellen Produkten, die strenge Spannungsregulierungsspezifikationen erfüllen müssen, sehr häufig anzutreffen.

In den obigen Bildern finden Sie einen Schaltplan und eine entsprechende Stückliste (BOM) aus dem MAX17502F-Evaluierungskit. Wenn Sie also keine gute Komponentenauswahl finden können, verwenden Sie das bewährte Beispiel:)

Schritt 4: Auffüllen des Schaltplans und des PCB-Layouts

Wenn Sie Ihre tatsächlichen Komponenten ausgewählt haben, ist es an der Zeit, einen Schaltplan zu erstellen, der diese Komponenten erfasst. Dafür habe ich EasyEDA gewählt, wie ich es zuvor mit positiven Ergebnissen verwendet habe. Fügen Sie einfach Ihre Komponenten hinzu, stellen Sie sicher, dass sie die richtige Größe haben, und verbinden Sie die Komponenten wie bei der typischen Anwendungsschaltung zuvor.

Sobald dies abgeschlossen ist, klicken Sie auf die Schaltfläche "In PCB konvertieren" und Sie gelangen zum Abschnitt PCB-Layout des Tools. Machen Sie sich keine Sorgen, wenn Sie sich bei etwas nicht sicher sind, denn online gibt es viele Tutorials zu EasyEDA.

Das PCB-Layout ist sehr wichtig und kann den Unterschied machen, ob die Schaltung funktioniert oder nicht. Ich würde dringend raten, alle Layout-Hinweise im Datenblatt des ICs zu befolgen, sofern verfügbar. Analog Devices hat bei Interesse eine tolle Application Note zum Thema PCB Layout:

Schritt 5: Bestellen Sie Ihre Leiterplatten

Ich bin mir sicher, dass die meisten von Ihnen zu diesem Zeitpunkt die Werbebotschaften in YouTube-Videos für JLCPCB und PCBway gesehen haben, daher sollte es nicht überraschen, dass ich auch eines dieser Werbeangebote genutzt habe. Ich habe meine Leiterplatten bei JLCPCB bestellt und sie kamen etwas mehr als 2 Wochen später an, also sind sie nur aus monetärer Sicht ziemlich gut.

Was die Qualität der Leiterplatten angeht, habe ich absolut keine Beschwerden, aber das können Sie selbst beurteilen:)

Schritt 6: Montage und Prüfung

Ich habe alle Komponenten von Hand auf die leere Platine gelötet, was trotz des zusätzlichen Platzes, den ich zwischen den Komponenten gelassen habe, ziemlich fummelig war, aber es gibt Montagedienste von JLCPCB und anderen PCB-Anbietern, die diesen Schritt überflüssig machen würden.

Als ich die Eingangsklemmen mit Strom versorgte und den Ausgang maß, wurde ich von 5,02 V begrüßt, wie vom DMM gesehen. Nachdem ich den 5-V-Ausgang über den gesamten Spannungsbereich überprüft hatte, schloss ich eine elektronische Last über den Ausgang, die auf 1A Stromaufnahme eingestellt war.

Der Buck startete direkt mit diesem 1A Laststrom und als ich die Ausgangsspannung (an der Platine) gemessen habe, lag sie bei 5,01V, also war die Lastregelung sehr gut. Ich habe die Eingangsspannung auf 12 V eingestellt, da dies einer der Anwendungsfälle war, die ich für dieses Board im Sinn hatte, und ich habe den Eingangsstrom mit 0,476 A gemessen. Dies ergibt eine Effizienz von ungefähr 87,7%, aber idealerweise möchten Sie einen Testansatz mit vier DMMs für Effizienzmessungen.

Bei 1A Laststrom habe ich festgestellt, dass die Effizienz etwas niedriger war als erwartet, ich glaube, dies liegt an (I^2 * R) Verlusten in der Induktivität und im IC selbst. Um dies zu bestätigen, habe ich den Laststrom auf die Hälfte gesetzt und die obige Messung wiederholt, um einen Wirkungsgrad von 94% zu erhalten. Dies bedeutet, dass durch die Halbierung des Ausgangsstroms die Verlustleistung von ~615mW auf ~300mW reduziert wurde. Einige Verluste werden unvermeidbar sein, wie Schaltverluste im IC sowie Ruhestrom, daher bin ich mit diesem Ergebnis immer noch sehr zufrieden.

Schritt 7: Beziehen Sie Ihre benutzerdefinierte Leiterplatte in einige Projekte ein

Jetzt haben Sie eine stabile 5V 1A-Versorgung, die von einem 2S bis 11S Lithium-Akku oder jeder anderen Quelle zwischen 6V und 50V betrieben werden kann. Ob Mikrocontroller-basierte oder rein analoge Schaltungen, dieser kleine Abwärtswandler kann alles!

Ich hoffe, Ihnen hat diese Reise gefallen und wenn Sie es bis hierher geschafft haben, vielen Dank fürs Lesen!