Circuito convertitore boost a cella singola con cella a bottone - uscita 5v

Le celle della batteria sono la fonte di energia più comunemente utilizzata per alimentare l'elettronica portatile. Che si tratti di una semplice sveglia o di un nodo di sensori IoT o di un telefono cellulare complesso, tutto è alimentato da batterie. Nella maggior parte dei casi questi dispositivi portatili devono avere un fattore di forma ridotto (dimensioni del pacchetto) e quindi è alimentato da una batteria a cella singola, come la popolare cella al litio CR2032 o l'altra batteria ai polimeri di litio da 3,7 V o 18650 celle. Queste celle si accumulano in alta energia per le sue dimensioni, ma uno svantaggio comune con queste celle è con la sua tensione di funzionamento. Una tipica batteria al litio ha una tensione nominale di 3,7 V, ma questa tensione può scendere fino a 2,8 V quando è completamente scarica e fino a 4,2 V quando è completamente carica, il che non è molto desiderabile per i nostri progetti elettronici che funzionano con 3.3 regolato V o 5 V come tensione di esercizio.

Ciò comporta la necessità di un convertitore boost che possa prendere questa variabile da 2,8 V a 4,2 V come tensione di ingresso e regolarla a 3,3 V o 5 V costanti. Per fortuna però esiste un IC chiamato BL8530 che fa esattamente lo stesso con componenti esterni minimi. Quindi, in questo progetto costruiremo un circuito booster da 5V a basso costo che fornisce una tensione di uscita regolata costante di 5V da una cella a bottone CR2032; progetteremo anche un PCB compatto per questo convertitore boost in modo che possa essere utilizzato in tutti i nostri futuri progetti portatili. La corrente di uscita massima del convertitore boost sarà di 200 mAche è abbastanza buono per alimentare microcontrollori e sensori di base. Un altro vantaggio di questo circuito è che, se il tuo progetto richiede un 3,3 V regolato invece di 5 V, lo stesso circuito può essere utilizzato anche per regolare 3,3 V semplicemente sostituendo un componente. Questo circuito può anche funzionare come Power Bank per alimentare piccole schede come Arduino, STM32, MSP430 ecc. In precedenza abbiamo costruito un tipo simile di convertitore boost utilizzando la batteria al litio per caricare un telefono cellulare.

Materiali richiesti

CI Booster BL8530-5V (SOT89)
Induttore 47uH (5mm SMD)
Diodo SS14 (SMD)
Condensatore al tantalio 1000uF 16V (SMD)
Porta celle a bottone
Connettore USB femmina

Considerazioni sulla progettazione del convertitore boost a cella singola

I requisiti di progettazione per un convertitore boost a cella singola saranno diversi da quelli di un normale convertitore boost. Questo perché qui l'energia di una batteria (cella a bottone) viene potenziata nella tensione di uscita affinché il nostro dispositivo funzioni. Quindi è necessario prestare attenzione che il circuito ausiliario utilizzi il massimo della batteria con alta efficienza per mantenere il dispositivo acceso il più a lungo possibile. Quando si seleziona l'IC booster per i propri progetti, è possibile considerare i seguenti quattro parametri. Puoi anche leggere l'articolo su Boost Regulator Design per saperne di più.

Tensione di avvio: è la tensione di ingresso minima richiesta dalla batteria affinché il convertitore boost inizi a funzionare. Quando si accende il convertitore boost, la batteria dovrebbe almeno essere in grado di fornire questa tensione di avvio affinché il booster funzioni. Nel nostro progetto la tensione di avvio richiesta è di 0,8 V, che è inferiore a qualsiasi tensione di cella a bottone completamente scarica.

Tensione di mantenimento: una volta che il dispositivo è alimentato con il circuito boost, la tensione della batteria inizierà a diminuire poiché emette energia. La tensione fino alla quale un circuito integrato booster manterrà le sue prestazioni è chiamata tensione di mantenimento. Al di sotto di questa tensione l'IC smetterà di funzionare e non otterremo alcuna tensione di uscita. Notare che la tensione di mantenimento sarà sempre inferiore alla tensione di avvio. Questo è l'IC richiederà più tensione per iniziare il suo funzionamento e durante il suo stato di funzionamento può scaricare la batteria molto al di sotto di quella. La tensione di mantenimento nel nostro circuito è di 0,7 V.

Corrente di riposo: la quantità di corrente che il nostro circuito booster assorbe (spreca) anche quando nessun carico è collegato sul lato di uscita viene chiamata corrente di riposo. Questo valore dovrebbe essere il più basso possibile, per il nostro IC il valore della corrente di quiescenza è compreso tra 4uA e 7uA. È molto importante avere questo valore basso o zero se il dispositivo non verrà collegato al carico per un lungo periodo.

Resistenza: tutto il circuito del convertitore boost coinvolgerà un dispositivo di commutazione come MOSFET o altri FET in esso. Se stiamo usando un convertitore IC, questo dispositivo di commutazione sarà incorporato all'interno dell'IC. È importante che questo interruttore abbia una resistenza di accensione molto bassa. Ad esempio, nel nostro progetto qui, l'IC BL8530 ha un interruttore interno con resistenza di accensione di 0,4 Ω che è un valore decente. Questa resistenza farà cadere una tensione attraverso l'interruttore in base alla corrente che lo attraversa (legge di Ohm) diminuendo così l'efficienza del modulo.

Ci sono molti modi per aumentare la tensione, alcuni dei quali sono dimostrati nella nostra serie di circuiti caricatori qui.

Schema elettrico

Di seguito è mostrato lo schema elettrico completo per il circuito booster da 5V, lo schema è stato disegnato usando EasyEDA.

Come puoi vedere, il circuito richiede componenti minimi poiché tutto il duro lavoro è tirato dall'IC BL8530. Ci sono molte versioni di BL8530 IC, quella usata qui "BL8530-50" dove 50 rappresenta la tensione di uscita 5V. Allo stesso modo l'IC BL8530-33 avrà una tensione di uscita di 3,3 V, quindi sostituendo semplicemente questo IC possiamo ottenere la tensione di uscita richiesta. Sono disponibili sul mercato versioni da 2,5 V, 3 V, 4,2 V, 5 V e persino 6 V di questo circuito integrato. In questo tutorial ci concentreremo sulla versione 5V. L'IC richiede solo un condensatore, induttore e diodo insieme ad esso per funzionare, vediamo come selezionare i componenti.

Selezione dei componenti

Induttore: la scelta disponibile del valore dell'induttore per questo CI va da 3uH a 1mH. L'uso di un valore elevato dell'induttore fornirà un'elevata corrente di uscita e un'elevata efficienza. Tuttavia, lo svantaggio è che richiede un'elevata tensione di ingresso dalla cella per funzionare, quindi l'utilizzo di un valore di induttore elevato potrebbe non far funzionare il circuito boost finché la batteria non è completamente scarica. Quindi è necessario fare un compromesso tra la corrente di uscita e la corrente di ingresso minima nella progettazione. Qui ho usato un valore di 47uH poiché ho bisogno di una corrente di uscita elevata, puoi ridurre questo valore se la tua corrente di carico sarà inferiore per il tuo progetto. È anche importante selezionare un induttore con un valore ESR basso per un'elevata efficienza del progetto.

Condensatore di uscita: il valore consentito del condensatore va da 47uF a 220uF. La funzione di questo condensatore di uscita è quella di filtrare le ondulazioni di uscita. Il valore di questo dovrebbe essere deciso in base alla natura del carico. Se si tratta di un carico induttivo, il condensatore di alto valore è consigliato per carichi resistivi come per i microcontrollori o la maggior parte dei sensori funzionerà un condensatore di valore basso. Lo svantaggio dell'utilizzo di condensatori di alto valore è l'aumento dei costi e rallenta anche il sistema. Qui ho usato un condensatore al tantalio da 100uF, poiché i condensatori al tantalio sono migliori nel controllo dell'ondulazione rispetto ai condensatori ceramici.

Diodo: L'unica considerazione con il diodo è che dovrebbe avere una caduta di tensione molto diretta. È noto che i diodi Schottky hanno basse cadute di tensione diretta rispetto ai normali diodi raddrizzatori. Quindi abbiamo utilizzato il diodo SMD SS14D che ha una caduta di tensione diretta inferiore a 0,2 V.

Condensatore di ingresso: simile al condensatore di uscita, è possibile utilizzare un condensatore di ingresso per controllare le tensioni di ondulazione prima di entrare nel circuito boost. Ma qui poiché utilizziamo la batteria come fonte di tensione, non avremo bisogno di un condensatore di ingresso per il controllo dell'ondulazione. Perché le batterie per natura forniscono una tensione CC pura senza alcuna ondulazione.

Gli altri componenti sono solo ausiliari. Il supporto della batteria viene utilizzato per contenere la cella a bottone e la porta UCB è fornita per collegare i cavi USB direttamente al nostro modulo boost in modo da poter alimentare facilmente schede di sviluppo comuni come Arduino, ESP8266, ESP32 ecc.

Progettazione e fabbricazione di PCB utilizzando Easy EDA

Ora che il circuito Coin Cell Boost Converter è pronto, è il momento di farlo fabbricare. Poiché tutti i componenti qui sono disponibili solo nel pacchetto SMD, ho dovuto fabbricare un PCB per il mio circuito. Quindi, come sempre, abbiamo utilizzato lo strumento EDA online chiamato EasyEDA per fabbricare il nostro PCB perché è molto comodo da usare poiché ha una buona raccolta di impronte ed è open-source.

Dopo aver progettato il PCB, possiamo ordinare i campioni di PCB tramite i loro servizi di fabbricazione di PCB a basso costo. Offrono anche un servizio di approvvigionamento dei componenti in cui hanno un ampio stock di componenti elettronici e gli utenti possono ordinare i componenti richiesti insieme all'ordine PCB.

Durante la progettazione dei tuoi circuiti e PCB, puoi anche rendere pubblici i tuoi progetti di circuiti e PCB in modo che altri utenti possano copiarli o modificarli e possano trarre vantaggio dal tuo lavoro, abbiamo anche reso pubblici tutti i nostri layout di circuiti e PCB per questo circuito, controlla il link sottostante:

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

È possibile visualizzare qualsiasi strato (Top, Bottom, Topsilk, Bottomsilk ecc.) Del PCB selezionando il layer dalla finestra "Layers". Recentemente hanno anche introdotto un'opzione di visualizzazione 3D in modo da poter visualizzare anche il PCB di misurazione della tensione multicella, su come si occuperà della fabbricazione utilizzando il pulsante Vista 3D in EasyEDA:

Calcolo e ordinazione di campioni online

Dopo aver completato la progettazione di questo circuito booster a bottone da 5 V, è possibile ordinare il PCB tramite JLCPCB.com. Per ordinare il PCB da JLCPCB, è necessario Gerber File. Per scaricare i file Gerber del tuo PCB, fai clic sul pulsante Genera file di fabbricazione nella pagina dell'editor EasyEDA, quindi scarica il file Gerber da lì oppure puoi fare clic su Ordina su JLCPCB come mostrato nell'immagine sottostante. Questo ti reindirizzerà a JLCPCB.com, dove puoi selezionare il numero di PCB che desideri ordinare, quanti strati di rame ti servono, lo spessore del PCB, il peso del rame e persino il colore del PCB, come l'istantanea mostrata di seguito. Un'altra buona notizia è che ora puoi ottenere tutti i PCB a colori allo stesso prezzo da JLCPCB. Quindi ho deciso di ottenere il mio in colore nero solo per un aspetto estetico, puoi scegliere il tuo colore preferito.

Dopo aver fatto clic su ordine sul pulsante JLCPCB, ti porterà al sito Web JLCPCB dove puoi ordinare qualsiasi PCB a colori a un prezzo molto basso che è $ 2 per tutti i colori. Anche il loro tempo di costruzione è molto inferiore, ovvero 48 ore con consegna DHL di 3-5 giorni, in pratica riceverai i tuoi PCB entro una settimana dall'ordine. Inoltre, offrono anche uno sconto di $ 20 sulla spedizione per il tuo primo ordine.

Dopo aver ordinato il PCB, puoi controllare lo stato di avanzamento della produzione del tuo PCB con data e ora. Lo controlli andando sulla pagina Account e fai clic sul collegamento "Avanzamento produzione" sotto il PCB come mostrato nell'immagine sottostante.

Dopo pochi giorni dall'ordinazione di PCB, ho ricevuto i campioni di PCB in una bella confezione come mostrato nelle immagini sottostanti.

Preparare il PCB del convertitore Boost

Come puoi vedere dalle immagini sopra, la tavola era in una forma molto buona con tutte le impronte e le vie in posizione nella dimensione esatta richiesta. Quindi, ho proceduto con la saldatura di tutti i componenti SMD presenti sulla scheda e poi di quelli passanti. In pochi minuti il mio PCB è pronto per l'azione. Di seguito è mostrata la mia scheda con tutti i componenti saldati e la cella a bottone

Test del modulo booster a celle a bottone

Ora che il nostro modulo è pronto e alimentato, possiamo iniziare a testarlo. L'uscita potenziata a 5V dalla scheda può essere ottenuta dalla porta USB o tramite il pin di intestazione maschio vicino ad essa. Ho usato il mio multimetro per misurare la tensione di uscita e come puoi vedere era vicino a 5V. Quindi possiamo concludere che il nostro modulo boost funziona correttamente.

Questo modulo può ora essere utilizzato per alimentare schede microcontrollore o per alimentare altri piccoli sensori o circuiti. Tieni presente che la corrente massima che può fornire è di soli 200 mA, quindi non aspettarti che guidi carichi pesanti. Tuttavia ero contento di alimentare le mie schede Arduino e ESP con questo modulo piccolo e compatto. Le immagini seguenti mostrano il convertitore boost che alimenta Arduino e STM.

Proprio come il precedente modulo di alimentazione della breadboard, anche questo modulo booster a celle a bottone verrà aggiunto al mio inventario in modo che possa utilizzarli in tutti i miei progetti futuri ovunque sia necessaria una fonte di alimentazione compatta portatile. Spero che il progetto ti sia piaciuto e abbia imparato qualcosa di utile nel processo di creazione di questo modulo. La lavorazione completa la trovate nel video linkato di seguito.

Se hai problemi a far funzionare le cose, sentiti libero di lasciarle nella sezione commenti o usa i nostri forum per altre domande tecniche.