Konverter yang hampir universal pada TPS63000, atau melayani yang terkecil

Hari baik untukmu, Geeks dan simpatisan tersayang! Bagi mereka yang suka menghabiskan waktu luangnya untuk mengembangkan perangkat elektronik unik yang tidak dapat dipakai, pertanyaan untuk memberi daya pada perangkat yang sama ini muncul setiap kali desain baru dikembangkan dan membutuhkan solusi yang ekonomis, efisien, dan ringkas. Selain itu, ketika memutakhirkan berbagai jenis perangkat bertenaga baterai, kemampuan untuk menggunakan baterai standar mengurangi jumlah dan durasi kerja. Perangkat yang dijelaskan di bawah ini memecahkan masalah daya untuk perangkat dengan daya hingga 3,5 watt.


Jadi, untuk memulainya, kami merumuskan daftar persyaratan untuk sumber daya:

1. Tegangan output yang dapat disesuaikan dari 1,5 hingga 5,5 V
2. Tegangan input dari 1,8 V (tegangan minimum dua baterai NiMH yang terhubung secara seri) menjadi 5,5 V ( Tegangan maksimum USB).
3. Daya tidak kurang dari tiga watt.
4. Secara otomatis beralih dari mode boost ke buck dan sebaliknya.
5. Efisiensi tinggi - efisiensi minimal 95%
6. Kekompakan - dalam hal apa pun, tidak lebih lebar dari diameter elemen standar ukuran AA
7. Dimensi minimum
8. Jumlah minimum komponen, tidak adanya komponen yang dapat diandalkan dan tergantung pada kapasitor elektrolitik yang cepat menua.

Sirkuit terintegrasi TPS63000 memenuhi semua persyaratan ini. Satu-satunya properti yang relatif tidak nyaman dari IC ini adalah paket VSON SMD 3x3 mm ultra-kompak dengan sebelas bantalan di bagian bawah. Microcircuit tidak memerlukan dioda eksternal, dan dimensi penyimpanan tersedak karena frekuensi konversi yang tinggi sangat kecil.

Versi saya menyalakan microcircuit terlihat seperti ini:



Seperti dapat dilihat dari diagram skematik di atas, jumlah komponen minimal, dan semuanya ada dalam versi SMD.

Sedikit tentang sifat dan peringkat komponen:

Semua kapasitor keramik multilayer, ukuran 1206 dengan bahan insulasi X7R dan tegangan pengenal 10 V.

Mengapa ukuran 1206 bukannya yang direkomendasikan di datasheet 0603? Faktanya adalah bahwa kekompakan modul yang diinginkan dan lokasinya dalam kasing tertutup dapat menyebabkan pemanasan signifikan pada papan sirkuit cetak dan komponen. Kapasitor multilayer keramik dapat kehilangan hingga 70% dari kapasitasnya saat dipanaskan. Dalam hal ini publikasi mengacu pada peningkatan yang signifikan dalam stabilitas suhu kapasitor kapasitansi dengan meningkatnya ukuran. Selain itu, komponen yang lebih besar lebih mudah disolder ke papan tulis (dengan solder manual, tentu saja). Mengapa tegangan pengenal 10 V dan bukannya 6.3 V yang disarankan? Karena paranoia: bagi saya, lebih baik membayar lebih dari beberapa sen, tetapi dapatkan keandalan yang lebih daripada menghancurkan sistem saraf Anda karena perangkat yang tidak beroperasi.

Sekarang mari kita beralih ke choke penyimpanan. Ukurannya sedikit meningkat dibandingkan dengan dokumentasi teknis: 4018 digunakan sebagai ganti 4012. Ada penjelasan untuk ini. Salah satu parameter terpenting choke penyimpanan adalah arus saturasi. Sederhananya, ini adalah besarnya arus, setelah mencapai mana induktansi induktor mulai menurun tajam, dan dengan peningkatan lebih lanjut dalam arus, itu berubah menjadi sepotong kawat. Konsekuensi negatif dari ini: peningkatan beban pada kunci kontrol dari sirkuit mikro, pemanasan throttle, mengurangi efisiensi konverter. Untuk 4012, arus jenuh adalah dari 2,3 A (penurunan induktansi sebesar 10%) menjadi 2,5 A (penurunan induktansi sebesar 30%), dan untuk LPS 4018 sudah dari 2,7 A (10%) menjadi 2,9 A ( 30%). TPS63000 memiliki batas saat ini dari 3 pada kunci internal. Dengan demikian, untuk memeras semua juspenggunaan penuh potensi chip lebih cocok LPS4018. Selain itu, 4018 memiliki resistansi lebih rendah dari 4012 (0,07 ohm dibandingkan 0,1 ohm).

Dengan demikian, kehilangan panas dalam induktor juga akan lebih rendah. Ngomong-ngomong, fakta bahwa dengan naiknya suhu parameter ini juga memburuk karena memilih reaktor dengan arus saturasi yang besar, dan beberapa margin akan cukup tidak pada tempatnya. Sekarang tentang pilihan induktansi induktor: dokumentasi teknis menunjukkan induktansi 2,2 μH sebagai rata-rata untuk kasus rata-rata, sementara disebutkan bahwa peningkatan induktansi mengurangi riak tegangan pada beban, tetapi memperburuk respons terhadap perubahan beban. Selain itu, karena seorang wanita tak berperasaan bernama seorang fisikawan, ketika induktansi meningkat dan ukurannya dipertahankan, arus saturasi turun dan resistensi aktif tumbuh. Secara umum, saya tidak meningkatkan besarnya induktansi. Bagaimana cara saya mengevaluasi arus maksimum yang secara teoritis dapat terjadi pada induktor? Saya menggunakan metode yang paling primitif (neraka,Saya yakin ada rumus khusus untuk ini!): Untuk membuat "titik referensi" kami menggunakan mode yang paling parah - menambah tegangan hingga 5 V, dengan beban 800 mA DC. Dengan demikian, daya output adalah 4 watt. Empat watt pada 1,8 V (tegangan input minimum TPS63000) berarti arus konstan 2,2 A. Tampaknya induktor 4012 harus cukup berlebih.

Tetapi dalam hal ini perlu diperhitungkan bahwa konverter pulsa “memompa” throttle separuh waktu, dan separuh waktu lainnya “melepaskan” ke dalam beban (ini, tentu saja, adalah deskripsi yang sangat kasar dari prinsip operasi, tetapi untuk keperluan kami itu sudah cukup). Oleh karena itu, untuk memberikan arus input konstan 2,2 A, diperlukan arus berdenyut 4,4 A. Karena kunci internal rangkaian mikro dibatasi hingga 3 A, Anda dapat melupakan konversi dari 1,8 V dan 2,2 A ke 5 V dan 800 mA . Mengingat komponen yang tidak ideal, kehilangan dan pemanasan, 700 mA pada 5 V pada output, masing-masing 1,5 A pada 2,3 V pada input, akan realistis. Jika Anda mulai dari 1,8 V tegangan input, maka arus output maksimum pada 5 V adalah 500 mA. Sangat mudah untuk menghitung bahwa dalam mode "tidak nyaman" maksimum untuk chip ini, daya output akan hanya 2,5 watt.

Elemen-elemen yang tersisa dari perangkat tidak kritis, saya mengambil ukuran 1206 resistor dan kapasitor 100 nF karena kemudahan instalasi.

Papan sirkuit dirancang di KiCAD. Ini bilateral, sisi belakang adalah lapisan tembaga yang kontinu, bertindak sebagai radiator. Di situs untuk kontak heat sink dari sirkuit mikro, melalui lubang dengan metalisasi dibuat untuk mentransfer panas ke sisi belakang papan.

Gambar papan, ukuran 14x24 mm. Tentu saja, itu bisa dibuat setengah dari itu, tetapi dalam hal ini area pendingin mungkin tidak cukup. Saya hanya yakin bahwa ketika membuat papan, saya melanggar semua pedoman untuk membuat perangkat frekuensi tinggi:



Contoh siap pakai:



Perangkat ini lengkap, dalam foto ini jatah saya terlihat sangat menjijikkan:



Dibandingkan dengan baterai AA dan 18650:



Pengujian konverter menunjukkan operabilitas lengkap perangkat, arus keluaran maksimum pada 5 V adalah 720 mA, yaitu. sekitar 3,6 watt. Parameter ini hanya mungkin dengan tegangan input minimal 2,3 V (satu volt kurang dari yang ditunjukkan dalam dokumentasi teknis). Papan memanas hingga 63 ° C, yang cukup dapat diterima untuk komponen yang digunakan dalam perangkat. Menyesuaikan tegangan output berfungsi dengan baik. Tidak ada gangguan pada perangkat bertenaga dan peralatan tetangga telah diperhatikan.

Ini adalah folder proyek KiCAD.

Diterbitkan di bawah lisensi WTFPL.

Nah, dan tradisional: Selamat bersenang-senang!

Source: https://habr.com/ru/post/id400617/