Un convertidor casi universal en el TPS63000 o apto para los más pequeños.

¡Buenos días, queridos geeks y simpatizantes! Para aquellos a quienes les gusta dedicar su tiempo libre a desarrollar dispositivos electrónicos portátiles inútiles únicos, la cuestión de alimentar estos mismos dispositivos surge cada vez que se desarrolla un nuevo diseño y requiere una solución económica, eficiente y compacta. Además, al actualizar varios tipos de dispositivos que funcionan con baterías, la capacidad de usar baterías estándar reduce la cantidad y la duración del trabajo. El dispositivo que se describe a continuación resuelve el problema de la energía para dispositivos con una potencia de hasta 3.5 vatios.


Entonces, para comenzar, formulamos una lista de requisitos para una fuente de energía:

1. Voltaje de salida estable estable de 1.5 a 5.5 V
2. Voltaje de entrada de 1.8 V (voltaje mínimo de dos baterías NiMH conectadas en serie) a 5.5 V ( Tensión máxima USB).
3. Potencia no inferior a tres vatios.
4. Cambie automáticamente del modo boost al modo buck y viceversa.
5. Alta eficiencia - eficiencia de al menos 95%
6. Compacidad - en cualquier caso, no más ancho que el diámetro de un elemento estándar de tamaño AA
7. Dimensiones mínimas
8. El número mínimo de componentes, la ausencia de condensadores electrolíticos no confiables y sujetos a envejecimiento rápido.

El circuito integrado TPS63000 cumple con todos estos requisitos. La única propiedad relativamente incómoda de este IC es su paquete VSON SMD ultracompacto de 3x3 mm con once almohadillas en la parte inferior. El microcircuito no necesita un diodo externo, y las dimensiones del estrangulador de almacenamiento debido a la alta frecuencia de conversión son muy pequeñas.

Mi versión de encender el microcircuito se ve así:



como se puede ver en el diagrama esquemático anterior, el número de componentes es mínimo, y todos existen en la versión SMD.

Un poco sobre las propiedades y clasificaciones de los componentes:

todos los condensadores de cerámica multicapa, tamaño 1206 con material de aislamiento X7R y voltaje nominal de 10 V.

¿Por qué el tamaño 1206 en lugar del recomendado en la hoja de datos 0603? El hecho es que la compacidad deseada del módulo y su ubicación en una caja cerrada puede conducir a un calentamiento significativo de la placa de circuito impreso y los componentes. Los condensadores de cerámica multicapa pueden perder hasta el 70% de su capacidad cuando se calientan. En esta publicación se refiere a la mejora significativa en la estabilidad de la temperatura de los condensadores de capacitancia con el aumento de tamaño. Además, los componentes más grandes son más fáciles de soldar a la placa (con soldadura manual, por supuesto). ¿Por qué la tensión nominal es de 10 V en lugar de la recomendada de 6,3 V? Porque paranoia: para mí, es mejor pagar un par de centavos, pero obtener más confiabilidad que destruir su sistema nervioso debido a un dispositivo que no funciona.

Ahora pasemos al estrangulador de almacenamiento. Su tamaño se incrementa ligeramente en comparación con la documentación técnica: se utilizó 4018 en lugar de 4012. Hay una explicación para esto. Uno de los parámetros más importantes de un estrangulador de almacenamiento es la corriente de saturación. En pocas palabras, esta es la magnitud de la corriente, a la cual la inductancia del inductor comienza a disminuir bruscamente, y con un aumento adicional de la corriente se convierte en un trozo de cable. Las consecuencias negativas de esto: aumento de la carga en las teclas de control del microcircuito, calentamiento del acelerador, reducción de la eficiencia del convertidor. Para 4012, la corriente de saturación es de 2.3 A (disminución de la inductancia en un 10%) a 2.5 A (disminución de la inductancia en un 30%), y para LPS 4018 ya de 2.7 A (10%) a 2.9 A ( 30%). TPS63000 tiene un límite de corriente de 3 A en las teclas internas. En consecuencia, exprimir todos los jugosEl uso completo del potencial del chip es más adecuado LPS4018. Además, 4018 tiene una resistencia inferior a 4012 (0.07 ohmios versus 0.1 ohmios).

En consecuencia, las pérdidas de calor en el inductor también serán menores. Por cierto, el hecho de que con el aumento de la temperatura este parámetro también empeora en favor de elegir un reactor con una gran corriente de saturación, y algún margen estará bastante fuera de lugar. Ahora sobre la elección de la inductancia del inductor: la documentación técnica indica la inductancia de 2.2 μH como el promedio para el caso promedio, mientras se menciona que un aumento en la inductancia reduce la fluctuación de voltaje en la carga, pero empeora la respuesta a un cambio en la carga. Además, debido a una mujer despiadada llamada física, cuando la inductancia aumenta y se mantiene el tamaño, la corriente de saturación disminuye y la resistencia activa aumenta. En general, no aumenté la magnitud de la inductancia. ¿Cómo evalúo la corriente máxima que teóricamente podría ocurrir en el inductor? Yo uso el método más primitivo (demonios,¡Estoy seguro de que hay fórmulas especiales para esto!): Para crear un "punto de referencia" tomamos el modo más severo: aumente el voltaje a 5 V, con una carga de 800 mA CC. En consecuencia, la potencia de salida es de 4 vatios. Cuatro vatios a 1.8 V (voltaje de entrada mínimo TPS63000) significa una corriente constante de 2.2 A. Parece que el inductor 4012 debería ser suficiente en exceso.

Pero en este caso es necesario tener en cuenta que el convertidor de pulso "bombea" el acelerador la mitad del tiempo, y la otra mitad del tiempo lo "descarga" en la carga (esto, por supuesto, es una descripción muy aproximada del principio de funcionamiento, pero para nuestros propósitos es suficiente). En consecuencia, para proporcionar una corriente de entrada constante de 2.2 A, se requiere una corriente pulsante de 4.4 A. Como las teclas internas del microcircuito están limitadas a 3 A, puede olvidarse de convertir de 1.8 V y 2.2 A a 5 V y 800 mA . Dados los componentes no ideales, pérdidas y calentamiento, 700 mA a 5 V en la salida, respectivamente 1.5 A a 2.3 V en la entrada, serán realistas. Si comienza desde 1.8 V del voltaje de entrada, la corriente de salida máxima a 5 V será de 500 mA. Es fácil calcular que en este modo "inconveniente" máximo para el chip, la potencia de salida será de solo 2.5 vatios.

Los elementos restantes del dispositivo no son críticos, tomé las resistencias de tamaño 1206 y el condensador de 100 nF debido a la conveniencia de la instalación.

La placa de circuito está diseñada en KiCAD. Es bilateral, la parte posterior es una capa continua de cobre, que actúa como un radiador. En el sitio para el contacto del disipador de calor del microcircuito, se hacen orificios pasantes con metalización para transferir calor al lado posterior de la placa.

Dibujo de tablero, tamaño 14x24 mm. Por supuesto, podría hacerse la mitad, pero en este caso el área del disipador de calor podría ser insuficiente. Estoy seguro de que al crear la placa violé todas las pautas para crear dispositivos de alta frecuencia:



Instancia preparada:



el dispositivo está completo, en esta foto mis raciones parecen especialmente desagradables: en



comparación con las baterías AA y 18650:



Las pruebas del convertidor mostraron la operabilidad completa del dispositivo, la corriente de salida máxima a 5 V fue de 720 mA, es decir alrededor de 3,6 vatios. Estos parámetros solo fueron posibles con un voltaje de entrada de al menos 2.3 V (un voltio menos que el indicado en la documentación técnica). La placa se calienta hasta 63 ° C, lo cual es bastante aceptable para los componentes utilizados en el dispositivo. El ajuste del voltaje de salida funciona bien. No se ha notado ninguna interferencia en el dispositivo alimentado y el equipo vecino.

Aquí está la carpeta del proyecto KiCAD.

Publicado bajo la licencia WTFPL.

Bueno, y tradicional: ¡Diviértete!

Source: https://habr.com/ru/post/es400617/