Eencellige boost-convertercircuit met behulp van knoopcel - 5V-uitgang

Batterijcellen zijn de meest gebruikte energiebron om draagbare elektronica van stroom te voorzien. Of het nu gaat om een simpele wekker, een IoT-sensorknooppunt of een complexe mobiele telefoon, alles werkt op batterijen. In de meeste gevallen moeten deze draagbare apparaten een kleine vormfactor hebben (pakketgrootte) en daarom worden ze gevoed door een eencellige batterij, zoals de populaire CR2032-lithiumcel of de andere 3,7 V lithium-polymeer- of 18650-cellen. Deze cellen verpakken zich vanwege hun grootte met hoge energie, maar een gemeenschappelijk nadeel van deze cellen is de bedrijfsspanning. Een typische lithiumbatterij heeft een nominale spanning van 3,7 V, maar deze spanning kan dalen tot 2,8 V als deze volledig leeg is en tot 4,2 V als deze volledig is opgeladen, wat niet erg wenselijk is voor onze elektronica-ontwerpen die ofwel werken met gereguleerde 3.3 V of 5V als bedrijfsspanning.

Dit brengt de behoefte aan een boost-omzetter met zich mee die deze variabele 2,8 V tot 4,2 V als ingangsspanning kan opnemen en deze kan regelen naar constante 3,3 V of 5 V. Gelukkig bestaat er echter een IC genaamd BL8530 die precies hetzelfde doet met een minimum aan externe componenten. In dit project zullen we dus een goedkope 5V-booster-schakeling bouwen die een constante gereguleerde uitgangsspanning van 5V levert vanuit een CR2032-knoopcel; we zullen ook een compacte printplaat ontwerpen voor deze boost converter zodat deze gebruikt kan worden in al onze toekomstige draagbare projecten. De maximale uitgangsstroom van de boost-omzetter is 200mAwat goed genoeg is om standaard microcontrollers en sensoren van stroom te voorzien. Een ander voordeel van dit circuit is dat, als uw project een gereguleerde 3.3V vereist in plaats van 5V, hetzelfde circuit ook kan worden gebruikt om 3.3V te regelen door slechts één component te verwisselen. Dit circuit kan ook werken als Power Bank om kleine printplaten zoals Arduino, STM32, MSP430 enz. Van stroom te voorzien. We hebben eerder een vergelijkbare soort boost-omzetter gebouwd met een lithiumbatterij om een mobiele telefoon op te laden.

Vereiste materialen

BL8530-5V Booster IC (SOT89)
47uH spoel (5 mm SMD)
SS14-diode (SMD)
1000uF 16V Tantaalcondensator (SMD)
Coin Cell houder
USB vrouwelijke connector

Overwegingen bij het ontwerp van de Single Cell Boost Converter

De ontwerpvereisten voor een eencellige boost-omzetter zullen verschillen van die van een gewone boost-omzetter. Dit komt omdat hier de energie van een batterij (knoopcel) wordt opgevoerd tot uitgangsspanning zodat ons apparaat kan werken. Er moet dus voor worden gezorgd dat het boostercircuit het maximale uit de batterij gebruikt met een hoog rendement om het apparaat zo lang mogelijk ingeschakeld te houden. Bij het selecteren van de booster-IC voor uw ontwerpen kunt u rekening houden met de volgende vier parameters. U kunt ook het artikel over Boost Regulator Design lezen om er meer over te weten.

Opstartspanning: dit is de minimaal vereiste ingangsspanning van de accu om de boost-omvormer te laten werken. Als je de boost converter inschakelt, moet de accu in ieder geval deze startspanning kunnen leveren zodat je booster kan werken. In ons ontwerp is de vereiste opstartspanning 0,8V, wat ver onder een volledig ontladen knoopcel-spanning ligt.

Hold-on Voltage: zodra het apparaat wordt gevoed met uw boost-circuit, zal de batterijspanning beginnen af te nemen omdat het stroom afgeeft. De spanning waarop een booster-IC zijn prestatie zal behouden, wordt de hold-on-spanning genoemd. Beneden deze spanning stopt de IC met werken en krijgen we geen uitgangsspanning. Merk op dat de aanhoudspanning altijd lager zal zijn dan de opstartspanning. Dat wil zeggen dat het IC meer spanning nodig heeft om te beginnen met werken en tijdens zijn lopende staat kan het de batterij ver daaronder leegmaken. De hold-on spanning in ons circuit is 0,7V.

Ruststroom: de hoeveelheid stroom die ons boostercircuit trekt (verspilt), zelfs als er geen belasting is aangesloten aan de uitgangszijde, wordt ruststroom genoemd. Deze waarde moet zo laag mogelijk zijn, voor onze IC ligt de waarde van de ruststroom tussen 4uA en 7uA. Het is erg belangrijk om deze waarde laag of nul te hebben als het apparaat lange tijd niet zal worden aangesloten om te laden.

On-Resistance: Alle boost-convertercircuits zullen een schakelapparaat zoals MOSFET of andere FET's bevatten. Als we een converter-IC gebruiken, wordt dit schakelapparaat in het IC ingebed. Het is belangrijk dat deze schakelaar een zeer lage inschakelweerstand heeft. In ons ontwerp hier heeft de IC BL8530 bijvoorbeeld een interne schakelaar met een aan-weerstand van 0.4Ω, wat een behoorlijke waarde is. Deze weerstand zal een spanning over de schakelaar laten vallen op basis van de stroom erdoorheen (wet van Ohm), waardoor de efficiëntie van de module afneemt.

Er zijn veel manieren om de spanning te verhogen, enkele hiervan worden hier gedemonstreerd in onze Charger Circuit Series.

Schakelschema

Het volledige schakelschema voor het 5V- boostercircuit wordt hieronder weergegeven, het schema is getekend met EasyEDA.

Zoals u kunt zien, vereist het circuit zeer minimale componenten, aangezien al het harde werk wordt getrokken door de BL8530 IC. Er zijn veel versies van BL8530 IC, degene die hier wordt gebruikt "BL8530-50" waar 50 staat voor de uitgangsspanning 5V. Evenzo zal de IC BL8530-33 een uitgangsspanning van 3.3V hebben, dus door alleen dit IC te vervangen, kunnen we de vereiste uitgangsspanning verkrijgen. Er zijn 2.5V, 3V, 4.2V, 5V en zelfs 6V versies van dit IC op de markt. In deze tutorial zullen we ons concentreren op de 5V-versie. Het IC heeft alleen een condensator, inductor en diode nodig om te werken, laten we eens kijken hoe we de componenten kunnen selecteren.

Selectie van componenten

Inductor: De beschikbare inductorwaarde voor dit IC is van 3uH tot 1mH. Het gebruik van een hoge inductor zorgt voor een hoge uitgangsstroom en een hoog rendement. Het nadeel is echter dat het een hoge ingangsspanning van de cel vereist om te werken, dus het gebruik van een hoge inductorwaarde zorgt ervoor dat het boostcircuit mogelijk niet werkt totdat de batterij volledig leeg is. Daarom moet een afweging worden gemaakt tussen uitgangsstroom en minimale ingangsstroom in het ontwerp. Hier heb ik een waarde van 47uH gebruikt, omdat ik een hoge uitgangsstroom nodig heb, je kunt deze waarde verlagen als je belastingsstroom minder zal zijn voor je ontwerp. Het is ook belangrijk om een inductor met een lage ESR-waarde te selecteren voor een hoog rendement van uw ontwerp.

Uitgangscondensator: de toegestane waarde van de condensator is van 47uF tot 220uF. De functie van deze uitgangscondensator is het filteren van uitgangsrimpelingen. De waarde hiervan moet worden bepaald op basis van de aard van de belasting. Als het een inductieve belasting is, wordt een condensator met een hoge waarde aanbevolen voor resistieve belastingen zoals voor microcontrollers of de meeste sensoren met een lage condensator zullen werken. Het nadeel van het gebruik van een hoogwaardige condensator zijn de hogere kosten en het vertraagt ook het systeem. Hier heb ik een 100uF tantaalcondensator gebruikt, omdat tantaalcondensatoren beter in rimpelregeling zijn dan keramische condensatoren.

Diode: De enige overweging bij een diode is dat deze een zeer lage spanningsval moet hebben. Het is bekend dat Schottky-diodes een lage voorwaartse spanningsval hebben dan normale gelijkrichterdiodes. Daarom hebben we de SS14D SMD-diode gebruikt met een voorwaartse spanningsval van minder dan 0,2 V.

Ingangscondensator: vergelijkbaar met de uitgangscondensator kan een ingangscondensator worden gebruikt om de rimpelspanningen te regelen voordat deze het boostcircuit binnengaat. Maar hier, omdat we de batterij gebruiken als onze spanningsbronnen, hebben we geen ingangscondensator nodig voor rimpelregeling. Omdat batterijen van nature pure gelijkspanning leveren zonder enige rimpel erin.

De andere componenten zijn slechts hulpcomponenten. De batterijhouder wordt gebruikt om de knoopcel vast te houden en de UCB-poort is bedoeld om USB-kabels rechtstreeks op onze boostmodule aan te sluiten, zodat we eenvoudig veelgebruikte ontwikkelborden zoals Arduino, ESP8266, ESP32 enz. Kunnen voeden.

PCB-ontwerp en fabricage met behulp van Easy EDA

Nu het Coin Cell Boost Converter-circuit klaar is, is het tijd om het te laten fabriceren. Omdat alle componenten hier alleen in SMD-verpakking beschikbaar zijn, moest ik een PCB voor mijn circuit maken. Dus zoals altijd hebben we de online EDA-tool EasyEDA gebruikt om onze PCB te laten fabriceren, omdat het erg handig is in gebruik omdat het een goede verzameling footprints heeft en het open-source is.

Na het ontwerpen van de PCB, kunnen we de PCB-monsters bestellen via hun goedkope PCB-fabricagediensten. Ze bieden ook een service voor het sourcen van componenten, waarbij ze een grote voorraad elektronische componenten hebben en gebruikers hun vereiste componenten samen met de PCB-bestelling kunnen bestellen.

Terwijl u uw circuits en PCB's ontwerpt, kunt u ook uw circuit- en PCB-ontwerpen openbaar maken, zodat andere gebruikers ze kunnen kopiëren of bewerken en kunnen profiteren van uw werk.We hebben ook onze hele circuit- en PCB-lay-outs openbaar gemaakt voor dit circuit. de onderstaande link:

easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter

U kunt elke laag (bovenzijde, onderzijde, bovenzijde, onderzijde enz.) Van de PCB bekijken door de laag te selecteren in het venster 'Lagen'. Onlangs hebben ze ook een 3D-weergave-optie geïntroduceerd, zodat u ook de Multicell-spanningsmeetprintplaat kunt bekijken, hoe deze er na fabricage uitziet met behulp van de 3D-weergaveknop in EasyEDA:

Monsters online berekenen en bestellen

Nadat u het ontwerp van dit 5V-knoopcelboostercircuit hebt voltooid, kunt u de printplaat bestellen via JLCPCB.com. Om de print bij JLCPCB te bestellen heeft u Gerber File nodig. Om Gerber-bestanden van uw PCB te downloaden, klikt u op de Generate Fabrication File-knop op de EasyEDA-editorpagina en downloadt u het Gerber-bestand van daaruit of u kunt op Order at JLCPCB klikken, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding. Dit zal u doorverwijzen naar JLCPCB.com, waar u het aantal PCB's dat u wilt bestellen, het aantal koperlagen dat u nodig heeft, de PCB-dikte, het kopergewicht en zelfs de PCB-kleur kunt selecteren, zoals de onderstaande momentopname. Een ander goed nieuws is dat u nu alle kleuren-PCB's voor dezelfde prijs bij JLCPCB kunt krijgen. Dus besloot ik om de mijne in zwarte kleur te krijgen, alleen voor een esthetische look, je kunt je favoriete kleur kiezen.

Nadat u op de knop bestellen op de JLCPCB-knop hebt geklikt, gaat u naar de JLCPCB-website waar u elke kleurenprintplaat kunt bestellen tegen een zeer lage prijs, namelijk $ 2 voor alle kleuren. Hun bouwtijd is ook erg kort, dat is 48 uur met een DHL-levering van 3-5 dagen, in principe ontvangt u uw PCB's binnen een week na bestelling. Bovendien bieden ze ook een korting van $ 20 op de verzendkosten voor uw eerste bestelling.

Nadat u de print heeft besteld, kunt u de productievoortgang van uw print met datum en tijd controleren. U controleert het door naar de accountpagina te gaan en op de link "Productie Voortgang" onder de printplaat te klikken, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

Na een paar dagen PCB's te hebben besteld, kreeg ik de PCB-samples in een mooie verpakking, zoals te zien is op onderstaande foto's.

De Boost Converter PCB gereed maken

Zoals je kunt zien op de bovenstaande afbeeldingen was het bord in een zeer goede staat, alle voetafdrukken en doorgangen op hun plaats op de exacte vereiste grootte. Dus ging ik verder met het solderen van alle SMD-componenten op het bord en vervolgens met de doorlopende. Binnen enkele minuten is mijn PCB klaar voor actie. Mijn bord met alle gesoldeerde componenten en de knoopcel is hieronder weergegeven

Coin Cell Booster Module testen

Nu onze module helemaal is ingesteld en van stroom wordt voorzien, kunnen we beginnen met het testen ervan. De versterkte 5V-uitvoer van het bord kan worden verkregen via de USB-poort of via de mannelijke headerpin erbij. Ik heb mijn multimeter gebruikt om de uitgangsspanning te meten en zoals je kunt zien was het bijna 5V. Daarom kunnen we concluderen dat onze boost-module naar behoren werkt.

Deze module kan nu worden gebruikt om microcontrollerborden van stroom te voorzien of om andere kleine sensoren of circuits van stroom te voorzien. Houd er rekening mee dat de maximale stroom die het kan leveren slechts 200mA is, dus verwacht niet dat het zware lasten zal aandrijven. Ik was echter blij met het voeden van mijn Arduino-kaarten en ESP-kaarten met deze kleine en compacte module. De onderstaande afbeeldingen tonen de boost-converter die Arduino en STM voedt.

Net als de vorige breadboard-voedingsmodule zal deze knoopcel-booster-module ook aan mijn inventaris worden toegevoegd, zodat ik ze kan gebruiken in al mijn toekomstige projecten waar ik een draagbare compacte voedingsbron nodig heb. Ik hoop dat je het project leuk vond en iets nuttigs hebt geleerd tijdens het bouwen van deze module. De volledige werking is te vinden in de onderstaande video.

Als je een probleem hebt om dingen werkend te krijgen, kun je ze achterlaten in het commentaargedeelte of onze forums gebruiken voor andere technische vragen.