Ein fast universeller Konverter für den TPS63000 oder für die Kleinsten

Guten Tag, liebe Geeks und Sympathisanten! Für diejenigen, die ihre Freizeit gerne mit der Entwicklung nutzloser, einzigartiger tragbarer elektronischer Geräte verbringen möchten, stellt sich bei jeder Entwicklung eines neuen Designs die Frage, ob dieselben Geräte mit Strom versorgt werden sollen, und erfordert eine wirtschaftliche, effiziente und kompakte Lösung. Darüber hinaus reduziert die Möglichkeit, Standardbatterien zu verwenden, beim Aufrüsten verschiedener Arten von batteriebetriebenen Geräten den Arbeitsaufwand und die Arbeitsdauer. Das unten beschriebene Gerät löst das Problem der Stromversorgung für Geräte mit einer Leistung von bis zu 3,5 Watt.


Zunächst formulieren wir eine Liste der Anforderungen an eine Stromquelle:

1. Stabil einstellbare Ausgangsspannung von 1,5 bis 5,5 V
2. Eingangsspannung von 1,8 V (Mindestspannung von zwei in Reihe geschalteten NiMH-Batterien) bis 5,5 V ( USB maximale Spannung).
3. Leistung mindestens drei Watt.
4. Wechseln Sie automatisch vom Boost- in den Buck-Modus und umgekehrt.
5. Hoher Wirkungsgrad - Wirkungsgrad von mindestens 95%
6. Kompaktheit - auf jeden Fall nicht breiter als der Durchmesser eines Standardelements der Größe AA
7. Mindestabmessungen
8. Die Mindestanzahl an Bauteilen, das Fehlen unzuverlässiger und schnell alternder Elektrolytkondensatoren.

Die integrierte Schaltung TPS63000 erfüllt alle diese Anforderungen. Die einzige relativ unangenehme Eigenschaft dieses IC ist sein ultrakompaktes 3 x 3 mm VSON SMD-Gehäuse mit elf Pads an der Unterseite. Die Mikroschaltung benötigt keine externe Diode und die Abmessungen der Speicherdrossel sind aufgrund der hohen Umwandlungsfrequenz sehr klein.

Meine Version zum Einschalten der Mikroschaltung sieht folgendermaßen aus:



Wie aus dem obigen schematischen Diagramm ersichtlich, ist die Anzahl der Komponenten minimal und sie sind alle in der SMD-Version vorhanden.

Ein wenig über die Eigenschaften und

Nennwerte der Komponenten: Alle mehrschichtigen Keramikkondensatoren, Größe 1206 mit Isoliermaterial X7R und Nennspannung 10 V.

Warum Größe 1206 anstelle der im Datenblatt 0603 empfohlenen? Tatsache ist, dass die gewünschte Kompaktheit des Moduls und seine Position in einem geschlossenen Gehäuse zu einer erheblichen Erwärmung der Leiterplatte und der Komponenten führen kann. Keramische Mehrschichtkondensatoren können beim Erhitzen bis zu 70% ihrer Kapazität verlieren. In dieser Publikation bezieht sich auf die signifikante Verbesserung der Temperaturstabilität von Kapazitätskondensatoren mit zunehmender Größe. Darüber hinaus lassen sich größere Komponenten leichter auf die Platine löten (natürlich mit manuellem Löten). Warum beträgt die Nennspannung 10 V anstelle der empfohlenen 6,3 V? Weil Paranoia: Für mich ist es besser, ein paar Cent zu viel zu bezahlen, aber zuverlässiger zu sein, als Ihr Nervensystem aufgrund eines funktionsunfähigen Geräts zu zerstören.

Fahren wir nun mit der Speicherdrossel fort. Seine Größe ist im Vergleich zur technischen Dokumentation leicht erhöht: 4018 wurde anstelle von 4012 verwendet. Dafür gibt es eine Erklärung. Einer der wichtigsten Parameter einer Speicherdrossel ist der Sättigungsstrom. Einfach ausgedrückt ist dies die Größe des Stroms, bei dessen Erreichen die Induktivität des Induktors stark abzunehmen beginnt und sich mit einem weiteren Anstieg des Stroms in ein Stück Draht verwandelt. Die negativen Folgen davon: erhöhte Belastung der Steuertasten des Mikrokreises, Erwärmung der Drosselklappe, verringerte Effizienz des Wandlers. Für 4012 beträgt der Sättigungsstrom 2,3 A (Abnahme der Induktivität um 10%) bis 2,5 A (Abnahme der Induktivität um 30%) und für LPS 4018 bereits 2,7 A (10%) bis 2,9 A ( 30%). TPS63000 hat eine Strombegrenzung von 3 A für interne Schlüssel, um alle Säfte herauszudrückenDie volle Ausschöpfung des Potentials des Chips ist für LPS4018 besser geeignet. Außerdem hat 4018 einen niedrigeren Widerstand als 4012 (0,07 Ohm gegenüber 0,1 Ohm).

Dementsprechend sind auch die Wärmeverluste in der Induktivität geringer. Übrigens verschlechtert sich die Tatsache, dass sich dieser Parameter mit zunehmender Temperatur auch zugunsten der Wahl eines Reaktors mit einem großen Sättigungsstrom verschlechtert, und ein gewisser Spielraum wird ziemlich fehl am Platz sein. Nun zur Wahl der Induktivität des Induktors: In der technischen Dokumentation wird die Induktivität von 2,2 μH als Durchschnitt für den Durchschnittsfall angegeben. Es wird erwähnt, dass eine Erhöhung der Induktivität die Welligkeit der Spannung an der Last verringert, aber die Reaktion auf eine Änderung der Last verschlechtert. Aufgrund einer herzlosen Frau, die als Physikerin bezeichnet wird, sinkt der Sättigungsstrom und der aktive Widerstand wächst, wenn die Induktivität zunimmt und die Größe beibehalten wird. Im Allgemeinen habe ich die Größe der Induktivität nicht erhöht. Wie bewerte ich den maximalen Strom, der theoretisch in der Induktivität auftreten könnte? Ich benutze die primitivste Methode (Hölle,Ich bin mir nur sicher, dass es dafür spezielle Formeln gibt!): Um einen „Referenzpunkt“ zu erstellen, verwenden wir den strengsten Modus - erhöhen Sie die Spannung auf 5 V bei einer Last von 800 mA DC. Dementsprechend beträgt die Ausgangsleistung 4 Watt. Vier Watt bei 1,8 V (minimale Eingangsspannung TPS63000) bedeuten einen konstanten Strom von 2,2 A. Es scheint, dass ein 4012-Induktor im Überschuss ausreichen sollte.

In diesem Fall muss jedoch berücksichtigt werden, dass der Impulswandler die Drosselklappe die Hälfte der Zeit „pumpt“ und die andere Hälfte der Zeit sie in die Last „entlädt“ (dies ist natürlich eine sehr grobe Beschreibung des Funktionsprinzips, aber für unsere Zwecke ist es ausreichend). Um einen konstanten Eingangsstrom von 2,2 A bereitzustellen, ist daher ein pulsierender Strom von 4,4 A erforderlich. Da die internen Schlüssel der Mikroschaltung auf 3 A strombegrenzt sind, können Sie die Umwandlung von 1,8 V und 2,2 A auf 5 V und 800 mA vergessen . Angesichts der nicht idealen Komponenten, Verluste und Erwärmung sind 700 mA bei 5 V am Ausgang bzw. 1,5 A bei 2,3 V am Eingang realistisch. Wenn Sie mit 1,8 V der Eingangsspannung beginnen, beträgt der maximale Ausgangsstrom bei 5 V 500 mA. Es ist leicht zu berechnen, dass in diesem maximal „unbequemen“ Modus für den Chip die Ausgangsleistung nur 2,5 Watt beträgt.

Die übrigen Elemente des Geräts sind nicht kritisch. Aufgrund der einfachen Installation habe ich die Widerstände der Größe 1206 und den Kondensator 100 nF verwendet.

Die Leiterplatte wurde bei KiCAD entwickelt. Es ist bilateral, die Rückseite ist eine durchgehende Kupferschicht, die als Heizkörper fungiert. An der Stelle für den Kühlkörperkontakt des Mikrokreises werden Durchgangslöcher mit Metallisierung hergestellt, um Wärme auf die Rückseite der Platine zu übertragen.

Brettzeichnung, Größe 14x24 mm. Natürlich könnte es halb so viel gemacht werden, aber in diesem Fall könnte der Kühlkörperbereich unzureichend sein. Ich bin mir nur sicher, dass ich beim Erstellen des Boards gegen alle Richtlinien zum Erstellen von Hochfrequenzgeräten verstoßen habe:



Vorgefertigte Instanz:



Das Gerät ist vollständig. Auf diesem Foto sehen meine Rationen besonders ekelhaft aus:



Im Vergleich zu AA- und 18650-Batterien:



Tests des Wandlers zeigten die vollständige Funktionsfähigkeit der Vorrichtung, der maximale Ausgangsstrom bei 5 V betrug 720 mA, d.h. etwa 3,6 Watt. Diese Parameter waren nur mit einer Eingangsspannung von mindestens 2,3 V möglich (ein Volt weniger als in der technischen Dokumentation angegeben). Die Platine erwärmt sich auf 63 ° C, was für die im Gerät verwendeten Komponenten durchaus akzeptabel ist. Das Einstellen der Ausgangsspannung funktioniert gut. Es wurden keine Störungen des mit Strom versorgten Geräts und benachbarter Geräte festgestellt.

Hier ist der KiCAD-Projektordner.

Veröffentlicht unter der WTFPL-Lizenz.

Gut und traditionell: Viel Spaß!

Source: https://habr.com/ru/post/de400617/