Convertisseur Buck de sortie 5V haute efficacité bricolage ! : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Je voulais un moyen efficace de réduire les tensions plus élevées des packs LiPo (et d'autres sources) à 5V pour les projets électroniques. Dans le passé, j'ai utilisé des modules buck génériques d'eBay, mais le contrôle de qualité douteux et les condensateurs électrolytiques sans nom ne m'ont pas mis en confiance.

J'ai donc décidé de créer mon propre convertisseur abaisseur non seulement pour me mettre au défi, mais aussi pour faire quelque chose d'utile !

Ce que j'ai obtenu est un convertisseur abaisseur qui a une très large plage de tension d'entrée (entrée 6V jusqu'à 50V) et produit 5V à un courant de charge jusqu'à 1A, le tout dans un petit facteur de forme. L'efficacité maximale que j'ai mesurée était de 94%, donc non seulement ce circuit est petit, mais il reste également froid.

Étape 1: Choisir un Buck IC

Bien que vous puissiez certainement créer un convertisseur buck avec une poignée d'amplificateurs opérationnels et d'autres composants de support, vous obtiendrez de meilleures performances et économiserez certainement beaucoup de surface PCB si vous choisissez plutôt un circuit intégré de convertisseur buck dédié.

Vous pouvez utiliser les fonctions de recherche et de filtrage sur des sites tels que DigiKey, Mouser et Farnell pour trouver un circuit intégré adapté à vos besoins. Dans l'image ci-dessus, vous pouvez voir un nombre impressionnant de 16 453 pièces réduites à 12 options en quelques clics !

J'ai choisi le MAX17502F dans un petit boîtier de 3 mm x 2 mm, mais un boîtier légèrement plus grand serait probablement mieux si vous prévoyez de souder les composants à la main. Ce circuit intégré présente de nombreuses fonctionnalités, dont la plus notable est la large plage d'entrée jusqu'à 60 V* et les FET de puissance internes qui signifient qu'aucun MOSFET ou diode externe n'est nécessaire.

*Notez que dans l'intro, j'ai dit qu'il s'agissait d'une entrée de 50 V, mais que la partie peut gérer 60 V ? Cela est dû aux condensateurs d'entrée et si vous avez besoin d'une entrée de 60 V, le circuit peut être modifié en conséquence.

Étape 2: Vérifiez la fiche technique de votre circuit intégré choisi

Le plus souvent, il y aura ce qu'on appelle un "circuit d'application typique" affiché dans la fiche technique qui sera très similaire à ce que vous essayez de réaliser. C'était vrai pour mon cas et bien que l'on puisse simplement copier les valeurs des composants et l'appeler terminé, je recommanderais de suivre la procédure de conception (si elle est fournie).

Voici la fiche technique du MAX17502F:

À partir de la page 12, il existe environ une douzaine d'équations très simples qui peuvent vous aider à choisir des valeurs de composants plus appropriées et qui permettent également de fournir des détails sur certaines des valeurs de seuil, telles que la valeur d'inductance minimale.

Étape 3: Choisissez les composants de votre circuit

Attends je pensais qu'on avait déjà fait cette partie ? Eh bien, la partie précédente consistait à trouver les valeurs idéales des composants, mais dans le monde réel, nous devons nous contenter de composants non idéaux et des mises en garde qui les accompagnent.

À titre d'exemple, des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont utilisés pour les condensateurs d'entrée et de sortie. Les MLCC présentent de nombreux avantages par rapport aux condensateurs électrolytiques - en particulier dans les convertisseurs DC/DC - mais ils sont soumis à quelque chose appelé DC Bias.

Lorsqu'une tension continue est appliquée à un MLCC, la capacité nominale peut chuter jusqu'à 60 % ! Cela signifie que votre condensateur de 10 µF n'est plus que de 4 µF à une certaine tension continue. Ne me croyez pas ? Jetez un œil au site Web de TDK et faites défiler vers le bas pour les données caractéristiques de ce condensateur de 10 µF.

Une solution facile à ce type de problème est simple, il suffit d'utiliser plus de MLCC en parallèle. Cela aide également à réduire l'ondulation de tension car l'ESR est réduit et est très courant dans les produits commerciaux qui doivent répondre à des spécifications strictes de régulation de tension.

Dans les images ci-dessus, il y a une nomenclature schématique et correspondante (BOM) du kit d'évaluation MAX17502F.

Étape 4: Remplir le schéma et la disposition PCB

Avec vos composants réels choisis, il est temps de créer un schéma qui capture ces composants, pour cela j'ai choisi EasyEDA car je l'ai déjà utilisé avec des résultats positifs. Ajoutez simplement vos composants, en vous assurant qu'ils ont la bonne taille d'empreinte et connectez les composants ensemble comme le circuit d'application typique précédemment.

Une fois cela terminé, cliquez sur le bouton "Convertir en PCB" et vous serez amené à la section PCB Layout de l'outil. Ne vous inquiétez pas si vous n'êtes pas sûr de quelque chose car il existe de nombreux tutoriels en ligne sur EasyEDA.

La disposition des circuits imprimés est très importante et peut faire la différence entre le fonctionnement du circuit ou non. Je conseillerais fortement de suivre tous les conseils de mise en page dans la fiche technique de l'IC lorsqu'ils sont disponibles. Analog Devices a une excellente note d'application sur le sujet de la disposition des circuits imprimés si quelqu'un est intéressé:

Étape 5: Commandez vos PCB

Je suis sûr que la plupart d'entre vous à ce stade ont vu les messages promotionnels dans les vidéos youtube pour JLCPCB et PCBway, il ne devrait donc pas être surprenant que j'aie également utilisé l'une de ces offres promotionnelles. J'ai commandé mes PCB à JLCPCB et ils sont arrivés un peu plus de 2 semaines plus tard, donc du point de vue financier, ils sont plutôt bons.

Quant à la qualité des PCB, je n'ai absolument rien à redire, mais vous pouvez en juger:)

Étape 6: Assemblage et test

J'ai soudé à la main tous les composants sur le PCB vierge, ce qui était assez délicat même avec l'espace supplémentaire que je laissais entre les composants, mais il existe des services d'assemblage par JLCPCB et d'autres fournisseurs de PCB qui élimineraient le besoin de cette étape.

En branchant l'alimentation aux bornes d'entrée et en mesurant la sortie, j'ai été accueilli par 5,02 V vu par le multimètre numérique. Une fois que j'ai vérifié la sortie 5V sur toute la plage de tension, j'ai connecté une charge électronique à travers la sortie qui a été ajustée à une consommation de courant de 1A.

Le Buck a démarré directement avec ce courant de charge de 1A et lorsque j'ai mesuré la tension de sortie (sur la carte), elle était à 5,01V, donc la régulation de charge était très bonne. J'ai réglé la tension d'entrée sur 12V car c'était l'un des cas d'utilisation que j'avais en tête pour cette carte et j'ai mesuré le courant d'entrée à 0,476A. Cela donne une efficacité d'environ 87,7%, mais idéalement, vous voudriez une approche de test à quatre DMM pour les mesures d'efficacité.

À un courant de charge de 1A, j'ai remarqué que l'efficacité était un peu inférieure à celle attendue, je pense que cela est dû aux pertes (I^2 * R) dans l'inducteur et dans le circuit intégré lui-même. Pour confirmer cela, j'ai réglé le courant de charge à la moitié et répété la mesure ci-dessus pour obtenir un rendement de 94%. Cela signifie qu'en réduisant de moitié le courant de sortie, les pertes de puissance ont été réduites de ~615mW à ~300mW. Certaines pertes seront inévitables, telles que les pertes de commutation à l'intérieur du circuit intégré ainsi que le courant de repos, je suis donc toujours très satisfait de ce résultat.

Étape 7: Incluez votre PCB personnalisé dans certains projets

Maintenant que vous disposez d'une alimentation 5V 1A stable qui peut être alimentée par une batterie au lithium 2S à 11S, ou toute autre source entre 6V et 50V, vous n'avez plus à vous soucier de la façon d'alimenter vos propres projets électroniques. Qu'il s'agisse de circuits basés sur un microcontrôleur ou purement analogiques, ce petit convertisseur buck peut tout faire !

J'espère que vous avez apprécié ce voyage et si vous êtes arrivé jusqu'ici, merci beaucoup d'avoir lu !