Um conversor quase universal no TPS63000 ou que atende aos menores

Bom dia a vocês, queridos geeks e simpatizantes! Para quem gosta de gastar seu tempo livre no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos únicos e inúteis , a questão de alimentar esses mesmos dispositivos surge sempre que um novo design é desenvolvido e requer uma solução econômica, eficiente e compacta. Além disso, ao atualizar vários tipos de dispositivos alimentados por bateria, a capacidade de usar baterias padrão reduz a quantidade e a duração do trabalho. O dispositivo descrito abaixo resolve o problema de energia para dispositivos com energia de até 3,5 watts.


Assim, para começar, formulamos uma lista de requisitos para uma fonte de energia:

1. Tensão de saída ajustável estável de 1,5 a 5,5 V
2. Tensão de entrada de 1,8 V (tensão mínima de duas baterias NiMH conectadas em série) a 5,5 V ( Tensão máxima USB).
3. Potência não inferior a três watts.
4. Alterne automaticamente do modo boost para buck e vice-versa.
5. Alta eficiência - eficiência de pelo menos 95%
6. Compacidade - em qualquer caso, não maior que o diâmetro de um elemento padrão de tamanho AA
7. Dimensões mínimas
8. O número mínimo de componentes, a ausência de confiabilidade e sujeito a capacitores eletrolíticos de envelhecimento rápido.

O circuito integrado TPS63000 atende a todos esses requisitos. A única propriedade relativamente desconfortável deste IC é seu pacote VSON SMD ultra compacto de 3x3 mm com onze almofadas na parte inferior. O microcircuito não precisa de um diodo externo, e as dimensões do bloqueador de armazenamento devido à alta frequência de conversão são muito pequenas.

Minha versão de ligar o microcircuito se parece com a seguinte:



Como pode ser visto no diagrama esquemático acima, o número de componentes é mínimo e todos eles existem na versão SMD.

Um pouco sobre as propriedades e classificações dos componentes:

Todos os capacitores de cerâmica multicamada, tamanho 1206 com material de isolamento X7R e tensão nominal de 10 V.

Por que dimensionar 1206 em vez do recomendado na folha de dados 0603? O fato é que a compacidade desejada do módulo e sua localização em um gabinete fechado podem levar a um aquecimento significativo da placa de circuito impresso e dos componentes. Capacitores de cerâmica multicamada podem perder até 70% de sua capacidade quando aquecidos. Em esta publicação refere-se a uma melhoria significativa na estabilidade da temperatura de condensadores com capacitâncias tamanho crescente. Além disso, componentes maiores são mais fáceis de soldar na placa (com solda manual, é claro). Por que a tensão nominal é de 10 V em vez dos 6,3 V recomendados? Por causa da paranóia: para mim, é melhor pagar em excesso alguns centavos, mas obtenha mais confiabilidade do que destruir o sistema nervoso devido a um dispositivo inoperante.

Agora vamos para o estrangulador de armazenamento. Seu tamanho é ligeiramente aumentado em comparação com a documentação técnica: 4018 foi usado em vez de 4012. Há uma explicação para isso. Um dos parâmetros mais importantes de um estrangulador de armazenamento é a corrente de saturação. Simplificando, essa é a magnitude da corrente, na qual a indutância do indutor começa a diminuir acentuadamente e, com um aumento adicional da corrente, ele se transforma em um pedaço de fio. As conseqüências negativas disso: aumento da carga nas teclas de controle do microcircuito, aquecimento do acelerador, eficiência reduzida do conversor. Para 4012, a corrente de saturação é de 2,3 A (redução da indutância em 10%) para 2,5 A (redução da indutância em 30%) e para o LPS 4018 já de 2,7 A (10%) para 2,9 A ( 30%). O TPS63000 possui um limite de corrente de 3 A. Nas teclas internas, portanto, para espremer todos os sucosuso total do potencial do chip é mais adequado LPS4018. Além disso, 4018 tem uma resistência menor que 4012 (0,07 ohms versus 0,1 ohms).

Consequentemente, as perdas de calor no indutor também serão menores. A propósito, o fato de que, com o aumento da temperatura, esse parâmetro também piora a favor da escolha de um reator com uma grande corrente de saturação, e alguma margem ficará fora do lugar. Agora, sobre a escolha da indutância do indutor: na documentação técnica, a indutância de 2,2 μH é indicada como média para o caso médio, é mencionado que um aumento na indutância reduz a ondulação da tensão na carga, mas piora a resposta a uma mudança na carga. Além disso, devido a uma mulher sem coração chamada física, quando a indutância aumenta e o tamanho é mantido, a corrente de saturação diminui e a resistência ativa aumenta. Em geral, não aumentei a magnitude da indutância. Como avalio a corrente máxima que teoricamente poderia ocorrer no indutor? Eu uso o método mais primitivo (inferno,Tenho certeza de que existem fórmulas especiais para isso!): Para criar um "ponto de referência", adotamos o modo mais severo - aumentamos a tensão para 5 V, com uma carga de 800 mA DC. Por conseguinte, a potência de saída é de 4 watts. Quatro watts a 1,8 V (tensão de entrada mínima TPS63000) significa uma corrente constante de 2,2 A. Parece que um indutor 4012 deve ser suficiente em excesso.

Mas, neste caso, é necessário levar em consideração que o conversor de pulso "bombeia" o acelerador na metade do tempo e a outra metade do tempo "descarrega" na carga (essa, é claro, é uma descrição muito aproximada do princípio de operação, mas, para nossos propósitos, é suficiente). Portanto, para fornecer uma corrente de entrada constante de 2,2 A, é necessária uma corrente pulsante de 4,4 A. Como as teclas internas do microcircuito são limitadas a 3 A, é possível esquecer a conversão de 1,8 V e 2,2 A para 5 V e 800 mA . Dados os componentes não ideais, perdas e aquecimento, 700 mA a 5 V na saída, respectivamente 1,5 A a 2,3 V na entrada, serão realistas. Se você iniciar a partir de 1,8 V da tensão de entrada, a corrente máxima de saída em 5 V será 500 mA. É fácil calcular que, neste modo “inconveniente” máximo para o chip, a potência de saída será de apenas 2,5 watts.

Os elementos restantes do dispositivo não são críticos, tomei os resistores de tamanho 1206 e capacitor de 100 nF devido à conveniência da instalação.

A placa de circuito foi projetada no KiCAD. É bilateral, o verso é uma camada contínua de cobre, atuando como um radiador. No local do contato do dissipador de calor do microcircuito, são feitos orifícios com metalização para transferir o calor para a parte traseira da placa.

Desenho de cartão, tamanho 14x24 mm. Obviamente, poderia ser feito metade disso, mas nesse caso a área do dissipador de calor poderia ser insuficiente. Tenho certeza de que, ao criar a placa, violei todas as diretrizes para a criação de dispositivos de alta frequência:



Instância pronta:



O dispositivo está completo, nesta foto minhas rações parecem especialmente nojentas:



Comparadas às pilhas AA e 18650:



Testes do conversor mostraram a operacionalidade completa do dispositivo, a corrente de saída máxima em 5 V foi de 720 mA, ou seja, cerca de 3,6 watts. Esses parâmetros eram possíveis apenas com uma tensão de entrada de pelo menos 2,3 V (um volt a menos que o indicado na documentação técnica). A placa aquece até 63 ° C, o que é bastante aceitável para os componentes usados ​​no dispositivo. Ajustar a tensão de saída funciona bem. Nenhuma interferência no dispositivo energizado e no equipamento vizinho foi observada.

Aqui está a pasta do projeto KiCAD.

Publicado sob a licença WTFPL.

Bem, e tradicional: divirta-se!

Source: https://habr.com/ru/post/pt400617/