Conception d'un PDB (Power Distribution Board) haute puissance pour un Pixhawk : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Un PCB pour les alimenter tous !

Actuellement, la plupart des matériaux dont vous avez besoin pour construire un drone sont disponibles à bas prix sur Internet, donc l'idée de fabriquer un PCB auto-développé n'en vaut pas la peine, sauf dans quelques cas où vous voulez fabriquer un drone étrange et puissant. Dans ce cas, vous feriez mieux d'être débrouillard ou d'avoir un tutoriel Instructables à ce sujet…;)

Étape 1: Objectifs

Les objectifs de ce PCB (et les raisons pour lesquelles il ne peut pas être trouvé sur Internet) sont:

1.- Il doit alimenter le Pixhawk 4 avec la mesure de courant, la mesure de tension et le même connecteur.

2.- Il doit avoir les connecteurs I/O et FMU dirigés vers les broches, le CAP&ADC n'est pas nécessaire dans mon cas.

3.- Il doit être capable d'alimenter 5 moteurs avec un courant maximum combiné de 200A, oui, 0, 2 KiloAmperes !

Remarque: Il est toujours utile pour les conceptions avec moins de moteurs ou moins de courant. C'est juste mon cas.

Étape 2: Schémas et choix des composants

OK, maintenant nous savons ce que nous voulons faire. Pour continuer, nous allons concevoir les schémas.

Si vous ne voulez pas comprendre l'électronique derrière cette carte, copiez simplement les schémas et passez à l'étape suivante.

Les schémas peuvent être divisés en deux parties principales, le DCDC pour alimenter le pixhawk et la distribution de puissance des moteurs.

Avec le DCDC, le moyen le plus simple serait d'utiliser un Traco Power DCDC et d'éviter d'avoir à le concevoir, mais comme je n'aime pas le moyen le plus simple, j'utiliserai un LM5576MH de Texas Instruments. Cet intégré est un DCDC qui peut gérer une sortie jusqu'à 3A et sa fiche technique vous indique toutes les informations sur les connexions et les composants nécessaires et il donne les formules pour obtenir les spécifications souhaitées du DCDC en modifiant les composants utilisés.

Avec cela, la conception du DCDC pour le Pixhawk, dans mon cas, se termine comme sur la photo.

De l'autre côté, la distribution de puissance consiste en la détection du courant et de la tension et de la distribution elle-même qui sera considérée à l'étape suivante.

La détection de tension sera simplement un diviseur de tension qui, à sa tension maximale de 60 V (tension maximale prise en charge par le DCDC), émet un signal de 3,3 V.

La détection de courant est un peu plus complexe même si nous utiliserons toujours la loi d'Ohm. Pour détecter le courant, nous utiliserons des résistances shunt. Pour maximiser la quantité de courant qu'ils peuvent gérer, des résistances de 10 W seront utilisées. Avec cette puissance, les plus petites résistances shunt CMS que j'ai pu trouver de 0,5 mohm.

En combinant les données précédentes et la formule de puissance, W = I² × R, le courant maximum est de 141A, ce qui n'est pas suffisant. C'est pourquoi deux résistances shunt en parallèle seront utilisées pour que la résistance équivalente soit de 0,25 mohm puis le courant maximum le 200A souhaité. Ces résistances seront connectées à un INA169 également de Texas instruments et, comme dans le DCDC, sa conception sera faite suivant la fiche technique.

Enfin, les connecteurs utilisés sont de la série GHS des connecteurs JST et le brochage de pixhawk 4 est suivi pour effectuer la bonne connexion.

Remarque: je n'avais pas le composant INA169 dans Altium, j'ai donc utilisé un régulateur de tension avec le même encombrement.

Remarque 2: Notez que certains composants sont placés mais que la valeur indique NON, cela signifie qu'ils ne seront pas utilisés à moins que quelque chose dans la conception ne fonctionne mal.

Étape 3: Conception du PCB avec Altium Designer

Dans cette étape, le routage du PCB sera effectué.

Tout d'abord, ce qu'il faut faire, c'est placer les composants et définir la forme de la planche. Dans ce cas, deux zones différentes seront créées, le DCDC et les connecteurs, et la zone d'alimentation.

Dans la zone de puissance, les pastilles sont hors de la carte, de sorte qu'un tube thermorétractable peut être utilisé après la soudure et que la connexion reste bien protégée.

Une fois cela fait, vient ensuite le routage des composants, pour que les deux couches soient utilisées efficacement et que des traces plus grandes soient utilisées dans les connexions électriques. Et rappelez-vous, pas d'angles droits dans les traces !

Une fois le routage effectué et pas avant, les polygones sont appliqués, ici il y aura un polygone GND sur la couche inférieure et un autre sur la couche supérieure mais couvrant juste la zone DCDC et connecteurs. La zone de puissance de la couche supérieure sera utilisée pour l'entrée de tension, comme indiqué dans la troisième image.

Enfin, cette carte ne pouvait pas supporter les 200A pour lesquels elle est conçue, donc certaines zones du polygone seront exposées sans sérigraphie, comme on le voit sur les deux dernières images, de sorte que certains fils non recouverts y sont soudés puis la quantité de courant qui peut passer par le conseil est plus que suffisant pour répondre à nos exigences.

Étape 4: Création des fichiers Gerber pour JLCPCB

Une fois la conception terminée, elle doit devenir une réalité. Pour ce faire, le meilleur fabricant avec lequel j'ai travaillé est JLCPCB, ils vérifient votre carte avant même que vous ne la payiez afin que s'ils trouvent une erreur, vous pouvez la réparer sans perdre d'argent, et croyez-moi, c'est une véritable bouée de sauvetage.

Étant donné que cette planche est une planche à deux couches et mesure moins de 10x10 cm, 10 unités ne coûtent que 2 $ + les frais de port, évidemment une meilleure option que de le faire vous-même car pour un prix bas, vous obtenez une qualité parfaite.

Pour leur envoyer le design, il doit être exporté vers des fichiers gerber, ils ont des tutoriels pour Altium, Eagle, Kikad et Diptrace.

Enfin, ces fichiers doivent juste être téléchargés sur leur site Web de devis.

Étape 5: Fin

Et c'est tout!

Lorsque les PCB arrivent, viennent la partie cool, la soudure et les tests. Et bien sûr ! Je vais télécharger plus de photos!

Au cours de la semaine suivante, je vais souder mon prototype et le tester, donc si vous voulez faire ce projet, attendez que les deux prochaines marques d'état soient OK. Avec cela, je vous éviterai tout travail bâclé ou remplacement de résistance

Soudure: PAS ENCORE

Test: PAS ENCORE

Notez qu'il s'agit de soudure SMD, si c'est votre première soudure ou si vous n'avez pas un bon fer à souder, envisagez de faire un autre projet car cela peut être une source de problèmes.

Si quelqu'un a des doutes sur le processus, n'hésitez pas à me contacter.

Aussi, si vous le faites, s'il vous plaît, j'aimerais le savoir et le voir!