Konverter Buck Output 5V Efisiensi Tinggi DIY!: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Saya menginginkan cara yang efisien untuk menurunkan voltase yang lebih tinggi dari paket LiPo (dan sumber lainnya) ke 5V untuk proyek elektronik. Di masa lalu saya telah menggunakan modul buck generik dari eBay, tetapi kontrol kualitas yang dipertanyakan dan kapasitor elektrolit tanpa nama tidak membuat saya percaya diri.

Jadi, saya memutuskan bahwa saya akan membuat konverter step down saya sendiri untuk tidak hanya menantang diri saya sendiri tetapi juga untuk membuat sesuatu yang berguna!

Apa yang saya dapatkan adalah konverter uang yang memiliki rentang tegangan input yang sangat lebar (input 6V hingga 50V) dan output 5V hingga arus beban 1A semuanya dalam faktor bentuk kecil. Efisiensi puncak yang saya ukur adalah 94% jadi sirkuit ini tidak hanya kecil tetapi juga tetap dingin.

Langkah 1: Memilih IC Buck

Meskipun Anda pasti dapat membuat buck converter dengan beberapa op-amp dan komponen pendukung lainnya, Anda akan mendapatkan kinerja yang lebih baik dan tentu saja menghemat banyak area PCB jika Anda memilih IC konverter buck khusus.

Anda dapat menggunakan fungsi pencarian dan penyaringan di situs-situs seperti DigiKey, Mouser, dan Farnell untuk menemukan IC yang sesuai dengan kebutuhan Anda. Pada gambar di atas Anda dapat melihat 16, 453 bagian yang menakutkan dipersempit menjadi 12 opsi hanya dalam beberapa klik!

Saya menggunakan MAX17502F dalam paket kecil 3mm x 2mm, tetapi paket yang sedikit lebih besar mungkin akan lebih baik jika Anda berencana menyolder komponen dengan tangan. IC ini memiliki banyak fitur, yang paling menonjol adalah rentang input yang besar hingga 60V* dan FET daya internal yang berarti tidak diperlukan MOSFET atau Dioda eksternal.

*Perhatikan bahwa di intro saya menyatakan itu adalah input 50V namun bagian tersebut dapat menangani 60V? Ini karena kapasitor input dan jika Anda membutuhkan input 60V, rangkaian dapat dimodifikasi agar sesuai.

Langkah 2: Periksa Lembar Data IC Pilihan Anda

Lebih sering daripada tidak, akan ada apa yang disebut "Sirkuit Aplikasi Khas" yang ditampilkan di lembar data yang akan sangat mirip dengan apa yang ingin Anda capai. Ini berlaku untuk kasus saya dan meskipun seseorang hanya dapat menyalin nilai komponen dan menyebutnya selesai, saya akan merekomendasikan mengikuti prosedur desain (jika tersedia).

Berikut adalah lembar data MAX17502F:

Mulai dari halaman 12 ada sekitar selusin persamaan yang sangat sederhana yang dapat membantu Anda memilih nilai komponen yang lebih sesuai dan juga membantu memberikan detail tentang beberapa nilai ambang - seperti nilai induktansi minimum.

Langkah 3: Pilih Komponen untuk Sirkuit Anda

Tunggu, saya pikir kita sudah melakukan bagian ini? Nah, bagian sebelumnya adalah untuk menemukan nilai komponen ideal, tetapi di dunia nyata kita harus puas dengan komponen non-ideal dan peringatan yang menyertainya.

Sebagai contoh, Multi-Layered Ceramic Capacitors (MLCCs) digunakan untuk kapasitor input dan output. MLCC memiliki banyak manfaat dibandingkan kapasitor elektrolitik - terutama pada konverter DC/DC - tetapi mereka tunduk pada sesuatu yang disebut Bias DC.

Ketika tegangan DC diterapkan ke MLCC, peringkat kapasitansi bisa turun hingga 60%! Ini berarti kapasitor 10µF Anda sekarang hanya 4µF pada tegangan DC tertentu. Tidak percaya padaku? Lihat situs web TDK dan gulir ke bawah untuk data karakteristik kapasitor 10µF ini.

Perbaikan mudah untuk jenis masalah ini sederhana, cukup gunakan lebih banyak MLCC secara paralel. Ini juga membantu mengurangi riak tegangan karena ESR berkurang dan sangat umum terlihat pada produk komersial yang harus memenuhi spesifikasi regulasi tegangan yang ketat.

Pada gambar di atas ada skema dan Bill of Materials (BOM) yang sesuai dari Kit Evaluasi MAX17502F, jadi jika Anda tidak dapat menemukan pilihan komponen yang baik, ikuti contoh yang telah dicoba dan diuji:)

Langkah 4: Mengisi Skema dan Tata Letak PCB

Dengan komponen Anda yang sebenarnya dipilih, inilah saatnya untuk membuat skema yang menangkap komponen-komponen ini, untuk ini saya memilih EasyEDA karena saya telah menggunakannya sebelumnya dengan hasil yang positif. Cukup tambahkan komponen Anda, pastikan mereka memiliki ukuran tapak yang tepat dan hubungkan komponen bersama-sama seperti rangkaian aplikasi tipikal sebelumnya.

Setelah selesai, klik tombol "Konversi ke PCB" dan Anda akan dibawa ke bagian Tata Letak PCB alat. Jangan khawatir jika Anda tidak yakin tentang sesuatu karena ada banyak tutorial online tentang EasyEDA.

Tata letak PCB sangat penting dan dapat membuat perbedaan antara rangkaian berfungsi atau tidak. Saya sangat menyarankan untuk mengikuti semua saran tata letak di lembar data IC jika tersedia. Perangkat Analog memiliki catatan aplikasi yang bagus tentang topik Tata Letak PCB jika ada yang tertarik:

Langkah 5: Pesan PCB Anda

Saya yakin sebagian besar dari Anda saat ini telah melihat pesan promosi di video youtube untuk JLCPCB dan PCBway, jadi tidak mengherankan jika saya menggunakan salah satu dari penawaran promosi ini juga. Saya memesan PCB saya dari JLCPCB dan mereka tiba lebih dari 2 minggu kemudian, jadi hanya dari sudut pandang moneter mereka cukup bagus.

Adapun kualitas PCB saya sama sekali tidak memiliki keluhan, tetapi Anda bisa menilai itu:)

Langkah 6: Perakitan dan Pengujian

Saya menyolder semua komponen ke PCB kosong yang cukup rumit bahkan dengan ruang ekstra yang saya tinggalkan di antara komponen, tetapi ada layanan perakitan oleh JLCPCB dan vendor PCB lainnya yang akan menghilangkan kebutuhan untuk langkah ini.

Menghubungkan daya ke terminal input dan mengukur output, saya disambut oleh 5.02V seperti yang terlihat oleh DMM. Setelah saya memverifikasi output 5V di seluruh rentang tegangan, saya menghubungkan beban elektronik di seluruh output yang disesuaikan dengan penarikan arus 1A.

Buck mulai lurus dengan arus beban 1A ini dan ketika saya mengukur tegangan keluaran (di papan) itu pada 5,01V, jadi pengaturan beban sangat baik. Saya mengatur tegangan input ke 12V karena ini adalah salah satu kasus penggunaan yang saya pikirkan untuk papan ini dan saya mengukur arus input sebagai 0,476A. Ini memberikan efisiensi sekitar 87,7% tetapi idealnya Anda menginginkan pendekatan pengujian empat DMM untuk pengukuran efisiensi.

Pada arus beban 1A saya melihat efisiensinya sedikit lebih rendah dari yang diharapkan, saya yakin ini disebabkan oleh kerugian (I^2 * R) pada induktor dan IC itu sendiri. Untuk mengkonfirmasi ini, saya mengatur arus beban menjadi setengah dan mengulangi pengukuran di atas untuk mendapatkan efisiensi 94%. Ini berarti bahwa dengan mengurangi separuh arus keluaran, rugi-rugi daya berkurang dari ~615mW menjadi ~300mW. Beberapa kerugian tidak dapat dihindari, seperti kerugian switching di dalam IC serta arus diam, jadi saya masih sangat senang dengan hasil ini.

Langkah 7: Sertakan PCB Kustom Anda Ke Beberapa Proyek

Sekarang Anda memiliki pasokan 5V 1A stabil yang dapat ditenagai dari baterai lithium 2S hingga 11S, atau sumber lain antara 6V dan 50V, tidak perlu khawatir tentang cara memberi daya pada proyek elektronik Anda sendiri. Baik itu berbasis mikrokontroler atau sirkuit analog murni, konverter uang kecil ini dapat melakukan semuanya!

Saya harap Anda menikmati perjalanan ini dan jika Anda telah sampai sejauh ini, terima kasih banyak telah membaca!