Un convertisseur presque universel sur le TPS63000, ou pour les plus petits

Bonjour à vous, chers geeks et sympathisants! Pour ceux qui aiment passer leur temps libre à développer des appareils électroniques portables uniques inutiles , la question de l'alimentation de ces mêmes appareils se pose chaque fois qu'un nouveau design est développé et nécessite une solution économique, efficace et compacte. De plus, lors de la mise à niveau de divers types d'appareils alimentés par batterie, la possibilité d'utiliser des batteries standard réduit la quantité et la durée du travail. L'appareil décrit ci-dessous résout le problème d'alimentation pour les appareils d'une puissance allant jusqu'à 3,5 watts.


Ainsi, pour commencer, nous formulons une liste d'exigences pour une source d'alimentation:

1. Tension de sortie réglable stable de 1,5 à 5,5 V
2. Tension d'entrée de 1,8 V (tension minimale de deux batteries NiMH connectées en série) à 5,5 V ( Tension maximale USB).
3. Puissance d'au moins trois watts.
4. Passez automatiquement du mode boost au mode buck et vice versa.
5. Haute efficacité - efficacité d'au moins 95%
6. Compacité - en tout cas, pas plus large que le diamètre d'un élément standard de taille AA
7. Dimensions minimales
8. Le nombre minimum de composants, l'absence de fiabilité et soumis à un vieillissement rapide des condensateurs électrolytiques.

Le circuit intégré TPS63000 répond à toutes ces exigences. La seule propriété relativement inconfortable de ce circuit intégré est son boîtier VSON SMD ultra-compact de 3x3 mm avec onze tampons sur la face inférieure. Le microcircuit n'a pas besoin d'une diode externe et les dimensions de la self de stockage en raison de la fréquence de conversion élevée sont très petites.

Ma version d'allumer le microcircuit ressemble à ceci:



Comme le montre le schéma ci-dessus, le nombre de composants est minime et ils existent tous dans la conception SMD.

Un peu sur les propriétés et les caractéristiques des composants:

Tous les condensateurs céramiques multicouches, taille 1206 avec matériau d'isolation X7R et tension nominale 10 V.

Pourquoi la taille 1206 au lieu de celle recommandée dans la fiche technique 0603? Le fait est que la compacité souhaitée du module et son emplacement dans un boîtier fermé peuvent conduire à un échauffement important de la carte de circuit imprimé et des composants. Les condensateurs multicouches en céramique peuvent perdre jusqu'à 70% de leur capacité lorsqu'ils sont chauffés. Dans cette publication fait référence à l'amélioration significative de la stabilité de la température des condensateurs de capacité avec la taille croissante. De plus, des composants plus gros sont plus faciles à souder à la carte (avec une soudure manuelle, bien sûr). Pourquoi la tension nominale est-elle de 10 V au lieu des 6,3 V recommandés? Parce que la paranoïa: pour moi, il vaut mieux surpayer quelques centimes, mais obtenir plus de fiabilité que de détruire votre système nerveux à cause d'un appareil qui ne fonctionne pas.

Passons maintenant à l'étranglement de stockage. Sa taille est légèrement augmentée par rapport à la documentation technique: 4018 a été utilisé au lieu de 4012. Il y a une explication à cela. L'un des paramètres les plus importants d'une self de stockage est le courant de saturation. En termes simples, il s'agit de la magnitude du courant, au moment où l'inductance de l'inductance commence à diminuer fortement, et avec une nouvelle augmentation du courant, il se transforme en un morceau de fil. Les conséquences négatives de ceci: augmentation de la charge sur les touches de commande du microcircuit, chauffage de l'accélérateur, efficacité réduite du convertisseur. Pour le 4012, le courant de saturation est de 2,3 A (diminution de l'inductance de 10%) à 2,5 A (diminution de l'inductance de 30%), et pour le LPS 4018 déjà de 2,7 A (10%) à 2,9 A ( 30%). Le TPS63000 a une limite de courant de 3 A sur les touches internes. Par conséquent, pour extraire tous les jusla pleine utilisation du potentiel de la puce est plus appropriée LPS4018. De plus, le 4018 a une résistance inférieure à 4012 (0,07 ohms contre 0,1 ohms).

Par conséquent, les pertes de chaleur dans l'inducteur seront également plus faibles. Soit dit en passant, le fait qu'avec l'augmentation de la température ce paramètre s'aggrave également en faveur du choix d'un réacteur à fort courant de saturation, et une certaine marge sera tout à fait hors de propos. Maintenant, sur le choix de l'inductance de l'inductance: dans la documentation technique, l'inductance de 2,2 μH est indiquée comme moyenne pour le cas moyen, il est mentionné qu'une augmentation de l'inductance réduit l'ondulation de la tension sur la charge, mais aggrave la réponse à un changement de charge. De plus, grâce à une dame sans cœur nommée physicienne, lorsque l'inductance augmente et que la taille est maintenue, le courant de saturation diminue et la résistance active augmente. En général, je n'ai pas augmenté l'amplitude de l'inductance. Comment puis-je évaluer le courant maximum qui pourrait théoriquement se produire dans l'inductance? J'utilise la méthode la plus primitive (enfer,Je suis juste sûr qu'il existe des formules spéciales pour cela!): Pour créer un "point de référence", nous prenons le mode le plus sévère - augmenter la tension à 5 V, avec une charge de 800 mA DC. En conséquence, la puissance de sortie est de 4 watts. Quatre watts à 1,8 V (tension d'entrée minimale TPS63000) signifie un courant constant de 2,2 A. Il semble qu'un inducteur 4012 devrait être suffisant en excès.

Mais dans ce cas, il faut tenir compte du fait que le convertisseur d'impulsions "pompe" l'accélérateur la moitié du temps, et l'autre moitié du temps "le décharge" dans la charge (c'est, bien sûr, une description très approximative du principe de fonctionnement, mais pour nos fins, cela suffit). En conséquence, pour fournir un courant d'entrée constant de 2,2 A, un courant pulsé de 4,4 A. Comme les touches internes du microcircuit sont limitées en courant à 3 A, vous pouvez oublier de convertir de 1,8 V et 2,2 A à 5 V et 800 mA. . Compte tenu des composants non idéaux, les pertes et l'échauffement, 700 mA à 5 V en sortie, respectivement 1,5 A à 2,3 V en entrée, seront réalistes. Si vous partez de 1,8 V de la tension d'entrée, le courant de sortie maximal à 5 ​​V sera de 500 mA. Il est facile de calculer que dans ce mode maximum «incommode» pour la puce, la puissance de sortie ne sera que de 2,5 watts.

Les éléments restants de l'appareil ne sont pas critiques, j'ai pris les résistances de taille 1206 et le condensateur 100 nF en raison de la commodité de l'installation.

Le circuit imprimé est conçu chez KiCAD. Elle est bilatérale, la face arrière est une couche continue de cuivre, faisant office de radiateur. Sur le site pour le contact du dissipateur thermique du microcircuit, des trous traversants avec métallisation sont faits pour transférer la chaleur à l'arrière de la carte.

Dessin de planche, taille 14x24 mm. Bien sûr, il pourrait être réduit de moitié, mais dans ce cas, la zone du dissipateur de chaleur pourrait être insuffisante. Je suis juste sûr que lors de la création de la carte, j'ai violé toutes les directives pour la création d'appareils à haute fréquence:



Exemple prêt à l'emploi:



l'appareil est complet, sur cette photo mes rations sont particulièrement dégoûtantes: par



rapport aux piles AA et 18650:



Les tests du convertisseur ont montré le fonctionnement complet de l'appareil, le courant de sortie maximal à 5 ​​V était de 720 mA, c'est-à-dire environ 3,6 watts. Ces paramètres n'étaient possibles qu'avec une tension d'entrée d'au moins 2,3 V (un volt de moins que celui indiqué dans la documentation technique). La carte chauffe jusqu'à 63 ° C, ce qui est tout à fait acceptable pour les composants utilisés dans l'appareil. Le réglage de la tension de sortie fonctionne bien. Aucune interférence avec l'appareil alimenté et l'équipement voisin n'a été constatée.

Voici le dossier du projet KiCAD.

Publié sous la licence WTFPL.

Eh bien, et traditionnel: amusez-vous!

Source: https://habr.com/ru/post/fr400617/