Encellet boost-omformerkrets ved bruk av myntcelle - 5v utgang

Battericeller er den mest brukte energikilden for å drive bærbar elektronikk. Det være seg en enkel vekkerklokke eller en IoT-sensorenode eller en kompleks mobiltelefon, alt er drevet av batterier. I de fleste tilfeller må disse bærbare enhetene ha en liten formfaktor (pakningsstørrelse), og den drives derfor av et enkeltcellebatteri, som den populære CR2032-litiumcellen eller den andre 3,7V litiumpolymeren eller 18650-celler. Disse cellene pakker inn høy energi for størrelsen, men en vanlig ulempe med disse cellene er med driftsspenningen. Et typisk litiumbatteri har en nominell spenning på 3,7 V, men denne spenningen kan gå ned så lave som 2,8 V når den er helt tømt og så høy som 4,2 V når den er fulladet, noe som ikke er veldig ønskelig for våre elektronikkdesigner som enten fungerer med regulert 3.3 V eller 5V som driftsspenning.

Dette medfører behovet for en boost-omformer som kan ta inn denne variabelen 2.8V til 4.2V som inngangsspenning og regulere den til konstant 3,3V eller 5V. Heldigvis eksisterer det en IC kalt BL8530 som gjør nøyaktig det samme med svært lave eksterne komponenter. Så i dette prosjektet vil vi bygge en billig 5V boosterkrets som gir en konstant regulert utgangsspenning på 5V fra en CR2032 myntcelle; Vi vil også designe en kompakt PCB for denne boost-omformeren slik at den kan brukes i alle våre fremtidige bærbare prosjekter. Den maksimale utgangsstrømmen til boost-omformeren vil være 200mAsom er god nok til å drive grunnleggende mikrokontrollere og sensorer. En annen fordel med denne kretsen er at hvis prosjektet ditt krever en regulert 3.3V i stedet for 5V, kan den samme kretsen også brukes til å regulere 3.3V ved å bare bytte en komponent. Denne kretsen kan også fungere som Power Bank for å slå på små tavler som Arduino, STM32, MSP430 etc. Vi har tidligere laget en lignende boost-omformer ved hjelp av litiumbatteri for å lade en mobiltelefon.

Materialer som kreves

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• 47uH induktor (5mm SMD)
• SS14-diode (SMD)
• 1000uF 16V tantalkondensator (SMD)
• Myntcelleholder
• USB kvinnelig kontakt

Hensyn til utforming av enkeltcelleboostkonverterere

Utformingskravene til en enkeltcelle Boost-omformer vil være forskjellige fra en vanlig boost-omformer. Dette er fordi her energien fra et batteri (myntcelle) økes til utgangsspenning for at enheten vår skal fungere. Du må derfor være forsiktig med at boosterkretsen bruker maksimalt batteriet med høy effektivitet for å holde enheten slått på så lenge som mulig. Når du velger booster IC for designene dine, kan du vurdere følgende fire parametere. Du kan også lese artikkelen om Boost Regulator Design for å vite mer om den.

Oppstartspenning: Dette er den minste nødvendige inngangsspenningen fra batteriet for at boost-omformeren skal begynne å fungere. Når du slår på boost-omformeren, bør batteriet i det minste være i stand til å gi denne oppstartspenningen for at booster skal fungere. I vårt design er oppstartsspenningen som kreves 0,8 V, noe som er under en fullstendig utladet myntcellespenning.

Hold-on-spenning: Når enheten får strøm fra boost-kretsen, vil batterispenningen begynne å synke siden den gir ut strøm. Spenningen til hvilken en booster IC holder ytelsen, kalles hold-on-spenning. Under denne spenningen stopper IC-funksjonen, og vi får ingen utgangsspenning. Merk at ventespenningen alltid vil være mindre enn oppstartspenningen. Det vil si at IC vil kreve mer spenning for å starte driften, og i løpet av sin driftstilstand kan den tømme batteriet langt under det. Hold-on-spenningen i kretsen vår er 0,7V.

Hvilestrøm: Mengden strøm som vår booster-krets trekker (kaster bort) selv når ingen belastning er koblet til på utgangssiden, kalles hvilestrøm. Denne verdien skal være så lav som mulig, for vår IC er verdien av hvilestrøm mellom 4uA og 7uA. Det er veldig viktig å ha denne verdien lav eller null hvis enheten ikke skal kobles til for belastning på lenge.

On-Resistance: Alle boost-omformerkretser vil involvere en bryterenhet som MOSFET eller andre FET-er i den. Hvis vi bruker en IC-omformer, vil denne bytteenheten være innebygd i IC-en. Det er viktig at denne bryteren har veldig lav motstand. For eksempel i vårt design her har IC BL8530 en intern bryter med på-motstand på 0,4Ω, noe som er en anstendig verdi. Denne motstanden vil slippe en spenning over bryteren basert på strømmen gjennom den (Ohms lov) og derved redusere effektiviteten til modulen.

Det er mange måter å øke spenningen, noen av dem er demonstrert i vår Charger Circuit Series her.

Kretsdiagram

Det komplette kretsskjemaet for 5V booster krets er vist nedenfor, skjemaene ble tegnet ved hjelp av EasyEDA.

Som du kan se, krever kretsen svært minimale komponenter siden alt hardt arbeid blir trukket av BL8530 IC. Det er mange versjoner av BL8530 IC, den som brukes her “BL8530-50” hvor 50 representerer utgangsspenningen 5V. Tilsvarende vil IC BL8530-33 ha en utgangsspenning på 3,3V, og ved å bare erstatte denne IC kan vi oppnå den nødvendige utgangsspenningen. Det er 2,5V, 3V, 4,2V, 5V og til og med 6V-versjon av denne IC tilgjengelig i markedet. I denne opplæringen vil vi fokusere på 5V-versjonen. IC krever bare en kondensator, induktor og diode sammen med den for å fungere, la oss se hvordan du velger komponentene.

Valg av komponenter

Induktor: Det tilgjengelige valget av induktorverdi for denne IC er form 3uH til 1mH. Å bruke en høy induktor vil gi høy utgangsstrøm og høy effektivitet. Ulempen er imidlertid at det krever en høy inngangsspenning fra cellen for å fungere, så bruk av høy induktorverdi vil kanskje ikke få boost-kretsen til å fungere før batteriet er helt tømt. Derfor må det foretas en avveining mellom utgangsstrøm og minimum inngangsstrøm i design. Her har jeg brukt en verdi på 47uH siden jeg trenger høy utgangsstrøm, kan du redusere denne verdien hvis belastningsstrømmen vil være mindre for designet ditt. Det er også viktig å velge en induktor med lav ESR-verdi for høy effektivitet i designet.

Utgangskondensator: Den tillatte verdien av kondensatoren er fra 47uF til 220uF. Funksjonen til denne utgangskondensatoren er å filtrere utgangskrusninger. Verdien av dette bør bestemmes ut fra lastens art. Hvis det er en induktiv belastning, anbefales høyverdikondensator for motstandsbelastninger som for mikrokontrollere eller de fleste sensorer med lavverdikondensator. Ulempen med å bruke kondensator med høy verdi er økte kostnader, og det reduserer også systemet. Her har jeg brukt en 100uF tantal kondensator, siden tantal kondensatorer er bedre i ringkontroll enn keramiske kondensatorer.

Diode: Den eneste betraktningen med dioden er at den skal ha et veldig lavt spenningsfall. Det er kjent at Schottky-dioder har lave fremoverspenningsfall enn normale likeretterdioder. Derfor har vi brukt SS14D SMD-dioden som har fremover spenningsfall mindre enn 0,2 V.

Inngangskondensator: I likhet med utgangskondensatoren kan en inngangskondensator brukes til å kontrollere rippelspenningene før du går inn i boost-kretsen. Men siden vi bruker batteri som spenningskilder, trenger vi ikke en inngangskondensator for ringkontroll. Fordi batterier av natur gir ren likestrøm uten krusninger i dem.

De andre komponentene er bare tilleggskomponenter. Batteriholderen brukes til å holde myntcellen, og UCB-porten er gitt for å koble USB-kabler direkte til boost-modulen vår, slik at vi enkelt kan drive vanlige utviklingskort som Arduino, ESP8266, ESP32 osv.

PCB-design og fabrikasjon ved bruk av Easy EDA

Nå som Coin Cell Boost Converter-kretsen er klar, er det på tide å lage den. Siden alle komponentene her bare er tilgjengelige i SMD-pakke, måtte jeg lage et PCB for kretsen min. Så som alltid har vi brukt det elektroniske EDA-verktøyet kalt EasyEDA for å få produsert PCB-en fordi det er veldig praktisk å bruke, siden det har en god samling fotavtrykk og det er åpen kildekode.

Etter å ha designet PCB, kan vi bestille PCB-prøvene med deres lave pris på PCB-fabrikasjonstjenester. De tilbyr også komponent sourcing-tjenester der de har et stort lager av elektroniske komponenter og brukere kan bestille de nødvendige komponentene sammen med PCB-bestillingen.

Mens du designer kretsene og kretskortene dine, kan du også gjøre krets- og kretskortsdesign offentlig, slik at andre brukere kan kopiere eller redigere dem og dra nytte av arbeidet ditt, vi har også gjort hele krets- og kretskortoppsett offentlig for denne kretsen, sjekk lenken nedenfor:

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

Du kan se hvilket som helst lag (topp, bunn, overflatemelk, bunnmelk osv.) På PCB ved å velge laget fra vinduet "Lag". Nylig har de også introdusert et 3D-visningsalternativ, slik at du også kan se multicell spenningsmåling PCB, for hvordan det vil se ut etter fabrikasjon ved hjelp av 3D View- knappen i EasyEDA:

Beregning og bestilling av prøver online

Etter å ha fullført utformingen av denne 5V myntcelleforsterkerkretsen, kan du bestille PCB via JLCPCB.com. For å bestille PCB fra JLCPCB, trenger du Gerber File. For å laste ned Gerber-filer på PCB-en klikker du bare på Generer fabrikasjonsfil-knappen på EasyEDA-redigeringssiden, og deretter laster du ned Gerber-filen derfra, eller du kan klikke på Bestill på JLCPCB som vist i bildet nedenfor. Dette vil omdirigere deg til JLCPCB.com, hvor du kan velge antall PCB du vil bestille, hvor mange kobberlag du trenger, PCB-tykkelsen, kobbervekten og til og med PCB-fargen, som øyeblikksbildet vist nedenfor. En annen god nyhet er at nå kan du få alle fargekort til samme pris fra JLCPCB. Så jeg bestemte meg for å få min i svart farge bare for noe estetisk utseende, du kan velge din favorittfarge.

Etter å ha klikket på bestillingen ved JLCPCB-knappen, tar den deg til JLCPCB-nettstedet hvor du kan bestille hvilken som helst fargekort i veldig lav pris, som er $ 2 for alle farger. Byggetiden deres er også veldig mindre, som er 48 timer med DHL-levering på 3-5 dager, i utgangspunktet får du PCB-ene dine innen en uke etter bestilling. Videre tilbyr de også 20 $ rabatt på frakt for din første bestilling.

Etter at du har bestilt PCB, kan du kontrollere produksjonsfremdriften til PCB med dato og klokkeslett. Du sjekker det ved å gå til kontosiden og klikke på "Produksjonsfremdrift" -linken under PCB som vist på bildet nedenfor.

Etter noen dager med bestilling av PCB fikk jeg PCB-prøvene i fin emballasje som vist på bildene nedenfor.

Gjør Boost Converter PCB klar

Som du kan se fra de ovennevnte bildene, var brettet i en veldig god form, alle fotavtrykk og vias på plass i nøyaktig ønsket størrelse. Så jeg fortsatte med lodding av alle SMD-komponentene på brettet og deretter de gjennomgående hullene. I løpet av få minutter er min PCB klar til handling. Brettet mitt med alle loddede komponenter og myntcellen er vist nedenfor

Testing av myntcelleforsterkermodul

Nå som modulen vår er klar og drevet, kan vi begynne å teste den. Den forsterkede 5V-utgangen fra brettet kan enten fås fra USB-porten eller fra den mannlige toppteksten i nærheten. Jeg brukte multimeteret mitt for å måle utgangsspenningen, og som du ser var det nær 5V. Derfor kan vi konkludere med at boost-modulen vår fungerer som den skal.

Denne modulen kan nå brukes til å drive mikrokontrollerkort eller til å drive andre små sensorer eller kretser. Husk at den maksimale strømmen den kan levere er bare 200 mA, så ikke forvent at den kjører tung last. Imidlertid var jeg fornøyd med å drive Arduino-kortene og ESP-kortene med denne lille og kompakte modulen. Bildene nedenfor viser boost-omformeren som driver Arduino og STM.

Akkurat som den forrige strømforsyningsmodulen for brødbrett, vil denne myntcelleforsterkermodulen også bli lagt til i beholdningen min, slik at jeg kan bruke dem i alle mine fremtidige prosjekter der jeg trenger en bærbar kompakt strømkilde. Håper du likte prosjektet og lærte noe nyttig i prosessen med å bygge denne modulen. Komplett arbeid finner du i videoen som er lenket nedenfor.

Hvis du har problemer med å få ting til å fungere, kan du slippe dem i kommentarseksjonen eller bruke forumene våre for andre tekniske spørsmål.