Схема одноэлементного повышающего преобразователя с использованием плоской ячейки - выход 5 В

Батарейные элементы - наиболее часто используемый источник энергии для питания портативной электроники. Будь то простой будильник, сенсорный узел Интернета вещей или сложный мобильный телефон, все работает от батарей. В большинстве случаев эти портативные устройства должны иметь малый форм-фактор (размер корпуса) и, следовательно, питаться от одноячеечной батареи, такой как популярный литиевый элемент CR2032 или другой литиево-полимерный аккумулятор на 3,7 В или 18650 элементов. Эти элементы обладают высокой энергией для своего размера, но общим недостатком этих элементов является их рабочее напряжение. Типичная литиевая батарея имеет номинальное напряжение 3,7 В, но это напряжение может упасть до 2,8 В при полной разрядке и до 4,2 В при полной зарядке, что не очень желательно для наших электронных устройств, которые работают с регулируемым напряжением 3,3. В или 5В в качестве рабочего напряжения.

Это вызывает необходимость в повышающем преобразователе, который может принимать эту переменную от 2,8 В до 4,2 В в качестве входного напряжения и регулировать его до постоянного значения 3,3 В или 5 В. К счастью, существует IC под названием BL8530, которая делает то же самое с минимальным количеством внешних компонентов. Итак, в этом проекте мы построим недорогую схему повышения напряжения 5 В, которая обеспечивает постоянное регулируемое выходное напряжение 5 В от плоского элемента CR2032; Мы также разработаем компактную печатную плату для этого повышающего преобразователя, чтобы его можно было использовать во всех наших будущих портативных проектах. Максимальный выходной ток повышающего преобразователя будет 200 мА.которого достаточно для питания основных микроконтроллеров и датчиков. Еще одним преимуществом этой схемы является то, что если вашему проекту требуется регулируемое напряжение 3,3 В вместо 5 В, ту же схему можно использовать для регулирования 3,3 В, просто поменяв местами один компонент. Эта схема также может работать как Power Bank для питания небольших плат, таких как Arduino, STM32, MSP430 и т. Д. Мы ранее создавали подобный тип повышающего преобразователя с использованием литиевой батареи для зарядки сотового телефона.

Необходимые материалы

Бустерная микросхема BL8530-5V (SOT89)
Индуктор 47uH (5 мм SMD)
SS14 Диод (SMD)
Танталовый конденсатор 1000 мкФ 16 В (SMD)
Держатель кюветы для монет
Женский разъем USB

Рекомендации по проектированию повышающего преобразователя с одной ячейкой

Требования к конструкции повышающего преобразователя с одной ячейкой будут отличаться от требований к обычному повышающему преобразователю. Это связано с тем, что здесь энергия от батареи (плоского элемента) повышается до выходного напряжения для работы нашего устройства. Поэтому следует позаботиться о том, чтобы схема усилителя использовала максимум батареи с высокой эффективностью, чтобы устройство оставалось включенным как можно дольше. При выборе микросхемы бустера для ваших проектов вы можете учитывать следующие четыре параметра. Вы также можете прочитать статью о конструкции регулятора повышения мощности, чтобы узнать больше об этом.

Пусковое напряжение: это минимальное необходимое входное напряжение от батареи для начала работы повышающего преобразователя. Когда вы включаете повышающий преобразователь, батарея должна по крайней мере обеспечивать это пусковое напряжение для работы вашего усилителя. В нашей конструкции необходимое пусковое напряжение составляет 0,8 В, что намного ниже любого напряжения полностью разряженного плоского элемента.

Удерживаемое напряжение: после того, как устройство будет запитано от вашей цепи повышения, напряжение батареи начнет снижаться, поскольку оно выдает мощность. Напряжение, до которого интегральная схема усилителя будет поддерживать свою работоспособность, называется напряжением удержания. Ниже этого напряжения ИС прекратит работу, и мы не получим выходного напряжения. Обратите внимание, что удерживающее напряжение всегда будет меньше пускового напряжения. То есть IC потребует больше напряжения, чтобы начать свою работу, и в рабочем состоянии она может разрядить батарею намного ниже этого значения. Напряжение удержания в нашей цепи составляет 0,7 В.

Ток покоя: величина тока, которую наша схема усилителя потребляет (расходует впустую), даже когда на выходной стороне не подключена нагрузка, называется током покоя. Это значение должно быть как можно ниже, для нашей ИС значение тока покоя составляет от 4 до 7 мкА. Очень важно, чтобы это значение было низким или нулевым, если устройство не будет подключаться к нагрузке в течение длительного времени.

Сопротивление включения : вся схема повышающего преобразователя будет включать в себя переключающее устройство, такое как MOSFET или другие полевые транзисторы. Если мы используем преобразователь IC, то это коммутационное устройство будет встроено в IC. Важно, чтобы этот переключатель имел очень низкое сопротивление в открытом состоянии. Например, в нашем дизайне IC BL8530 имеет внутренний переключатель с сопротивлением во включенном состоянии 0,4 Ом, что является приличным значением. Это сопротивление понижает напряжение на переключателе в зависимости от проходящего через него тока (закон Ома), тем самым снижая эффективность модуля.

Есть много способов повысить напряжение, некоторые из них продемонстрированы здесь в нашей серии схем зарядного устройства.

Принципиальная электрическая схема

Полная принципиальная схема усилителя 5 В показана ниже, схема была нарисована с помощью EasyEDA.

Как видите, для схемы требуется минимальное количество компонентов, поскольку всю тяжелую работу выполняет микросхема BL8530. Существует много версий микросхемы BL8530, здесь используется «BL8530-50», где 50 соответствует выходному напряжению 5 В. Аналогично, микросхема BL8530-33 будет иметь выходное напряжение 3,3 В, поэтому, просто заменив эту микросхему, мы можем получить требуемое выходное напряжение. На рынке доступны версии этой ИС с напряжением 2,5 В, 3 В, 4,2, 5 и даже 6 В. В этом уроке мы сосредоточимся на версии 5V. Для работы ИС требуется только конденсатор, катушка индуктивности и диод, давайте посмотрим, как выбрать компоненты.

Выбор компонентов

Индуктор: для этой ИС можно выбрать номинал индуктивности от 3uH до 1mH. Использование большой индуктивности обеспечит высокий выходной ток и высокую эффективность. Однако обратная сторона заключается в том, что для работы требуется высокое входное напряжение от элемента, поэтому использование высокого значения индуктивности может не заставить схему повышения напряжения работать, пока батарея полностью не разрядится. Следовательно, при проектировании выхода необходимо найти компромисс между выходным током и минимальным входным током. Здесь я использовал значение 47 мкГн, поскольку мне нужен высокий выходной ток, вы можете уменьшить это значение, если ток нагрузки будет меньше для вашей конструкции. Также важно выбрать индуктор с низким значением ESR для высокой эффективности вашей конструкции.

Выходной конденсатор: допустимая емкость конденсатора от 47 до 220 мкФ. Функция этого выходного конденсатора - фильтровать пульсации на выходе. Величина этого должна определяться в зависимости от характера нагрузки. Если это индуктивная нагрузка, то для резистивных нагрузок, таких как микроконтроллеры, рекомендуется использовать конденсатор высокой емкости, или конденсатор малой емкости большинства датчиков будет работать. Недостатком использования дорогостоящего конденсатора является повышенная стоимость, а также замедление работы системы. Здесь я использовал танталовый конденсатор емкостью 100 мкФ, поскольку танталовые конденсаторы лучше контролируют пульсации, чем керамические конденсаторы.

Диод: Единственное, что нужно учитывать при выборе диода - это то, что он должен иметь очень низкое прямое падение напряжения. Известно, что диоды Шоттки имеют меньшее прямое падение напряжения, чем обычные выпрямительные диоды. Поэтому мы использовали SMD-диод SS14D с прямым падением напряжения менее 0,2 В.

Входной конденсатор: Подобно выходному конденсатору, входной конденсатор может использоваться для управления пульсациями напряжения перед входом в цепь повышения. Но здесь, поскольку мы используем батарею в качестве источников напряжения, нам не понадобится входной конденсатор для контроля пульсаций. Потому что батареи по своей природе обеспечивают чистое постоянное напряжение без каких-либо пульсаций в них.

Остальные компоненты - вспомогательные. Держатель батареи используется для удержания монетоприемника, а порт UCB предназначен для подключения USB-кабелей напрямую к нашему модулю повышения, чтобы мы могли легко запитать общие платы разработки, такие как Arduino, ESP8266, ESP32 и т. Д.

Проектирование и изготовление печатных плат с использованием Easy EDA

Теперь, когда схема повышающего преобразователя с монетоприемником готова, пришло время ее изготовить. Поскольку все компоненты здесь доступны только в SMD-корпусе, мне пришлось изготовить печатную плату для своей схемы. Итак, как всегда, мы использовали онлайн-инструмент EDA под названием EasyEDA для изготовления нашей печатной платы, потому что он очень удобен в использовании, так как он имеет хорошую коллекцию посадочных мест и является открытым исходным кодом.

После проектирования печатной платы мы можем заказать образцы печатной платы в их недорогих услугах по изготовлению печатных плат. Они также предлагают услуги по подбору компонентов, если у них есть большой запас электронных компонентов, и пользователи могут заказать необходимые компоненты вместе с заказом печатной платы.

При разработке схем и печатных плат вы также можете сделать общедоступными свои схемы и конструкции печатных плат, чтобы другие пользователи могли их копировать или редактировать и извлекать выгоду из вашей работы. Мы также сделали общедоступными макеты всех схем и печатных плат для этой схемы, проверьте ссылка ниже:

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

Вы можете просмотреть любой слой (верхний, нижний, верхний, нижний, шелковый и т. Д.) Печатной платы, выбрав слой в окне «Слои». Недавно они также представили опцию 3D-просмотра, так что вы также можете просмотреть печатную плату для измерения напряжения Multicell, как она будет выглядеть после изготовления, используя кнопку 3D View в EasyEDA:

Расчет и заказ образцов онлайн

После завершения проектирования этой схемы усилителя 5V типа « таблетка» вы можете заказать печатную плату на сайте JLCPCB.com. Чтобы заказать печатную плату в JLCPCB, вам потребуется файл Gerber. Чтобы загрузить файлы Gerber для вашей печатной платы, просто нажмите кнопку Generate Fabrication File на странице редактора EasyEDA, затем загрузите файл Gerber оттуда или вы можете щелкнуть Order at JLCPCB, как показано на изображении ниже. Это перенаправит вас на JLCPCB.com, где вы можете выбрать количество плат, которые вы хотите заказать, сколько слоев меди вам нужно, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы, как на снимке, показанном ниже. Еще одна хорошая новость заключается в том, что теперь вы можете получить все цветные печатные платы по той же цене от JLCPCB. Поэтому я решил купить свой в черном цвете просто для эстетического вида, вы можете выбрать свой любимый цвет.

После нажатия кнопки «Заказать» на кнопке JLCPCB вы попадете на веб-сайт JLCPCB, где сможете заказать печатную плату любого цвета по очень низкой цене, которая составляет 2 доллара США за все цвета. Их время сборки также очень мало, что составляет 48 часов с доставкой DHL 3-5 дней, в основном вы получите свои печатные платы в течение недели с момента заказа. Более того, они также предлагают скидку 20 долларов на доставку вашего первого заказа.

После заказа печатной платы вы можете проверить ход производства вашей печатной платы с указанием даты и времени. Вы можете проверить это, перейдя на страницу учетной записи и щелкнув ссылку «Production Progress» под печатной платой, как показано на изображении ниже.

После нескольких дней заказа печатных плат я получил образцы печатных плат в красивой упаковке, как показано на рисунках ниже.

Подготовка печатной платы повышающего преобразователя

Как видно из приведенных выше изображений, плата была в очень хорошем состоянии, все посадочные места и переходные отверстия на месте и имеют точный требуемый размер. Итак, я приступил к пайке всех SMD-компонентов на плате, а затем и сквозных. Через несколько минут моя печатная плата будет готова к работе. Моя плата со всеми припаянными компонентами и монетоприемником показана ниже.

Тестирование бустерного модуля Coin Cell

Теперь, когда наш модуль настроен и запитан, мы можем приступить к его тестированию. Повышенный выход 5 В с платы может быть получен либо через порт USB, либо через штырь штекера рядом с ним. Я использовал свой мультиметр для измерения выходного напряжения, и, как вы можете видеть, оно было близко к 5В. Отсюда можно сделать вывод, что наш модуль наддува работает правильно.

Теперь этот модуль можно использовать для питания плат микроконтроллеров или для питания других небольших датчиков или схем. Имейте в виду, что максимальный ток, который он может выдать, составляет всего 200 мА, поэтому не ожидайте, что он будет управлять большими нагрузками. Однако я был доволен питанием моих плат Arduino и плат ESP с помощью этого небольшого и компактного модуля. На изображениях ниже показан повышающий преобразователь, питающий Arduino и STM.

Так же, как и предыдущий макетный модуль питания, этот бустерный модуль для монетных элементов также будет добавлен в мой инвентарь, чтобы я мог использовать их во всех своих будущих проектах, где бы мне ни потребовался портативный компактный источник питания. Надеюсь, вам понравился проект и вы узнали что-то полезное в процессе создания этого модуля. Полную работу можно найти в видео по ссылке ниже.

Если у вас есть какие-либо проблемы с тем, чтобы что-то работало, не стесняйтесь оставлять их в разделе комментариев или использовать наш форум для других технических вопросов.