¡Convertidor buck de salida de 5 V de alta eficiencia para bricolaje !: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Quería una forma eficiente de reducir los voltajes más altos de los paquetes LiPo (y otras fuentes) a 5V para proyectos de electrónica. En el pasado, he usado módulos de dólar genéricos de eBay, pero el control de calidad cuestionable y los condensadores electrolíticos sin nombre no me llenaron de confianza.

Entonces, decidí que haría mi propio convertidor reductor no solo para desafiarme a mí mismo, ¡sino también para hacer algo útil!

Lo que terminé con es un convertidor reductor que tiene un rango de voltaje de entrada muy amplio (entrada de 6 V a 50 V) y emite 5 V a una corriente de carga de hasta 1 A, todo en un factor de forma pequeño. La eficiencia máxima que medí fue del 94%, por lo que este circuito no solo es pequeño, sino que también se mantiene fresco.

Paso 1: elegir un CI Buck

Si bien ciertamente puede hacer un convertidor buck con un puñado de amplificadores operacionales y otros componentes de soporte, obtendrá un mejor rendimiento y ciertamente ahorrará una gran cantidad de área de PCB si en su lugar elige un IC convertidor buck dedicado.

Puede utilizar las funciones de búsqueda y filtrado en sitios como DigiKey, Mouser y Farnell para encontrar un IC adecuado para sus necesidades. En la imagen de arriba, puede ver un abrumador número de 16, 453 piezas que se reducen a 12 opciones con solo unos pocos clics.

Fui con el MAX17502F en un pequeño paquete de 3 mm x 2 mm, pero un paquete un poco más grande probablemente sería mejor si planea soldar los componentes a mano. Este IC tiene muchas características, la más notable de las cuales es el gran rango de entrada de hasta 60 V * y los FET de potencia internos que significan que no se necesita ningún diodo o MOSFET externo.

* Tenga en cuenta que en la introducción dije que era una entrada de 50 V, pero ¿la pieza puede manejar 60 V? Esto se debe a los condensadores de entrada y, si necesita una entrada de 60 V, el circuito se puede modificar para adaptarlo.

Paso 2: Verifique la hoja de datos de su IC elegido

La mayoría de las veces, habrá lo que se llama un "circuito de aplicación típico" que se muestra en la hoja de datos que será muy similar a lo que está tratando de lograr. Esto fue cierto para mi caso y, aunque uno podría simplemente copiar los valores de los componentes y llamarlo hecho, recomendaría seguir el procedimiento de diseño (si se proporciona).

Aquí está la hoja de datos del MAX17502F:

A partir de la página 12, hay alrededor de una docena de ecuaciones muy simples que pueden ayudarlo a elegir valores de componentes más adecuados y también ayudan a proporcionar detalles sobre algunos de los valores de umbral, como el valor mínimo de inductancia.

Paso 3: elija los componentes para su circuito

Espera, ¿pensé que ya hicimos esta parte? Bueno, la parte anterior fue encontrar los valores de los componentes ideales, pero en el mundo real tenemos que conformarnos con componentes no ideales y las advertencias que vienen con ellos.

Como ejemplo, los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) se utilizan para los condensadores de entrada y salida. Los MLCC tienen muchos beneficios sobre los condensadores electrolíticos, especialmente en los convertidores CC / CC, pero están sujetos a algo llamado DC Bias.

Cuando se aplica un voltaje de CC a un MLCC, la capacidad nominal puede caer hasta en un 60%. Esto significa que su capacitor de 10 µF ahora es de solo 4 µF a un cierto voltaje de CC. ¿No me crees? Eche un vistazo al sitio web de TDK y desplácese hacia abajo para ver los datos característicos de este condensador de 10 µF.

Una solución fácil para este tipo de problema es simple, solo use más MLCC en paralelo. Esto también ayuda a reducir la fluctuación de voltaje a medida que se reduce la ESR y es muy común verlo en productos comerciales que deben cumplir con estrictas especificaciones de regulación de voltaje.

En las imágenes de arriba hay una lista de materiales (BOM) esquemática y correspondiente del kit de evaluación MAX17502F, por lo que si parece que no puede encontrar una buena opción de componente, siga el ejemplo probado:)

Paso 4: rellenar el esquema y el diseño de la placa de circuito impreso

Con sus componentes reales elegidos es hora de crear un esquema que capture estos componentes, para esto elegí EasyEDA ya que lo he usado antes con resultados positivos. Simplemente agregue sus componentes, asegurándose de que tengan el tamaño adecuado y conecte los componentes como en el circuito de aplicación típico anteriormente.

Una vez que esté completo, haga clic en el botón "Convertir a PCB" y será llevado a la sección Diseño de PCB de la herramienta. No se preocupe si no está seguro de algo, ya que hay muchos tutoriales en línea sobre EasyEDA.

El diseño de la PCB es muy importante y puede marcar la diferencia entre el funcionamiento del circuito o no. Recomiendo encarecidamente seguir todos los consejos de diseño en la hoja de datos del IC, cuando estén disponibles. Analog Devices tiene una excelente nota de aplicación sobre el tema del diseño de PCB si alguien está interesado:

Paso 5: ¡Pida sus PCB

Estoy seguro de que la mayoría de ustedes en este momento han visto los mensajes promocionales en los videos de YouTube para JLCPCB y PCBway, por lo que no debería sorprender que también haya utilizado una de estas ofertas promocionales. Pedí mis PCB a JLCPCB y llegaron poco más de 2 semanas después, así que solo desde un punto de vista monetario son bastante buenos.

En cuanto a la calidad de los PCB, no tengo absolutamente ninguna queja, pero puedes ser el juez de eso:)

Paso 6: Montaje y prueba

Solté a mano todos los componentes en la PCB en blanco, lo cual fue bastante complicado incluso con el espacio adicional que dejé entre los componentes, pero hay servicios de ensamblaje de JLCPCB y otros proveedores de PCB que eliminarían la necesidad de este paso.

Conectando la energía a los terminales de entrada y midiendo la salida, fui recibido por 5.02V como lo ve el DMM. Una vez que verifiqué la salida de 5V en todo el rango de voltaje, conecté una carga electrónica a través de la salida que se ajustó al consumo de corriente de 1A.

El Buck comenzó directamente con esta corriente de carga de 1A y cuando medí el voltaje de salida (en el tablero) estaba en 5.01V, por lo que la regulación de carga fue muy buena. Configuré el voltaje de entrada en 12V ya que este era uno de los casos de uso que tenía en mente para esta placa y medí la corriente de entrada como 0.476A. Esto proporciona una eficiencia de aproximadamente el 87,7%, pero lo ideal es que desee un enfoque de prueba de cuatro DMM para las mediciones de eficiencia.

Con una corriente de carga de 1A, noté que la eficiencia era un poco más baja de lo esperado, creo que esto se debe a las pérdidas (I ^ 2 * R) en el inductor y en el propio IC. Para confirmar esto, configuré la corriente de carga a la mitad y repetí la medición anterior para obtener una eficiencia del 94%. Esto significa que al reducir a la mitad la corriente de salida, las pérdidas de potencia se redujeron de ~ 615 mW a ~ 300 mW. Algunas pérdidas serán inevitables, como las pérdidas de conmutación dentro del IC, así como la corriente de reposo, por lo que todavía estoy muy contento con este resultado.

Paso 7: ¡Incluya su PCB personalizado en algunos proyectos

Ahora que tiene un suministro estable de 5V 1A que se puede alimentar desde un paquete de baterías de litio de 2S a 11S, o cualquier otra fuente entre 6V y 50V, no hay necesidad de preocuparse por cómo alimentar sus propios proyectos electrónicos. Ya sea un circuito basado en microcontroladores o puramente analógico, ¡este pequeño convertidor puede hacerlo todo!

Espero que hayas disfrutado este viaje y si has llegado hasta aquí, ¡muchas gracias por leer!