วงจรแปลงบูสต์เซลล์เดียวโดยใช้เซลล์เหรียญ - เอาต์พุต 5v

เซลล์แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานที่ใช้บ่อยที่สุดในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ไม่ว่าจะเป็นนาฬิกาปลุกธรรมดาหรือโหนดเซ็นเซอร์ IoT หรือโทรศัพท์มือถือที่ซับซ้อนทุกอย่างใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ในกรณีส่วนใหญ่อุปกรณ์พกพาเหล่านี้จำเป็นต้องมีรูปแบบขนาดเล็ก (ขนาดบรรจุภัณฑ์) และด้วยเหตุนี้จึงใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เซลล์เดียวเช่นเซลล์ลิเธียม CR2032 ยอดนิยมหรือลิเธียมโพลิเมอร์ 3.7V อื่น ๆ หรือเซลล์ 18650 เซลล์เหล่านี้มีพลังงานสูงตามขนาด แต่ข้อเสียที่พบบ่อยของเซลล์เหล่านี้คือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ แบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไปมีแรงดันไฟฟ้า 3.7V แต่แรงดันไฟฟ้านี้สามารถลดลงได้ต่ำถึง 2.8V เมื่อระบายออกจนหมดและสูงถึง 4.2V เมื่อชาร์จเต็มซึ่งไม่เป็นที่ต้องการสำหรับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเราซึ่งทำงานร่วมกับ 3.3 ที่มีการควบคุม V หรือ 5V เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน

สิ่งนี้นำมาซึ่งความต้องการตัวแปลงเพิ่มซึ่งสามารถรับตัวแปรนี้ 2.8V ถึง 4.2V เป็นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและควบคุมให้คงที่ 3.3V หรือ 5V โชคดีที่มี IC ที่เรียกว่าBL8530ซึ่งเหมือนกันทุกประการกับส่วนประกอบภายนอกขั้นต่ำ ดังนั้นในโครงการนี้เราจะสร้างวงจรบูสเตอร์ 5V ราคาประหยัด ที่ให้แรงดันเอาต์พุตที่ควบคุมคงที่5V จากเซลล์เหรียญ CR2032นอกจากนี้เราจะออกแบบ PCB ขนาดกะทัดรัดสำหรับตัวแปลงเพิ่มนี้เพื่อให้สามารถใช้ในโครงการพกพาในอนาคตทั้งหมดของเรา กระแสเอาต์พุตสูงสุดของตัวแปลงบูสต์จะเป็น200mAซึ่งดีพอที่จะจ่ายไฟให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์และเซ็นเซอร์พื้นฐาน ข้อดีอีกอย่างของวงจรนี้ก็คือหากโครงการของคุณต้องการ 3.3V ที่มีการควบคุมแทนที่จะเป็น 5V วงจรเดียวกันก็สามารถใช้เพื่อควบคุม 3.3V ได้โดยเพียงแค่สลับส่วนประกอบเดียว วงจรนี้ยังสามารถทำงานเป็นPower Bankเพื่อเปิดบอร์ดขนาดเล็กเช่น Arduino, STM32, MSP430 เป็นต้นก่อนหน้านี้เราได้สร้างตัวแปลงเพิ่มชนิดที่คล้ายกันโดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเพื่อชาร์จโทรศัพท์มือถือ

วัสดุที่จำเป็น

• BL8530-5V บูสเตอร์ไอซี (SOT89)
• 47uH ตัวเหนี่ยวนำ (5 มม. SMD)
• SS14 ไดโอด (SMD)
• ตัวเก็บประจุแทนทาลัม 1000uF 16V (SMD)
• ผู้ถือเซลล์แบบเหรียญ
• ขั้วต่อ USB หญิง

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบตัวแปลง Boost Cell เดี่ยว

ข้อกำหนดการออกแบบสำหรับตัวแปลง Boost แบบเซลล์เดียวจะแตกต่างจากตัวแปลงบูสต์ธรรมดา เนื่องจากที่นี่พลังงานจากแบตเตอรี่ (เซลล์เหรียญ) จะถูกเพิ่มเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกเพื่อให้อุปกรณ์ของเราทำงาน ดังนั้นควรใช้ความระมัดระวังเพื่อให้วงจรบูสเตอร์ใช้แบตเตอรี่สูงสุดที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อให้อุปกรณ์เปิดเครื่องได้นานที่สุด เมื่อเลือกบูสเตอร์ IC สำหรับการออกแบบของคุณคุณสามารถพิจารณาพารามิเตอร์สี่ตัวต่อไปนี้ คุณยังสามารถอ่านบทความเกี่ยวกับการออกแบบ Boost Regulator เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติม

แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น:นี่คือแรงดันไฟฟ้าขาเข้าขั้นต่ำที่ต้องการจากแบตเตอรี่เพื่อให้ตัวแปลงบูสต์เริ่มทำงาน เมื่อคุณเปิดตัวแปลงบูสต์อย่างน้อยแบตเตอรี่ควรจะสามารถให้แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นนี้เพื่อให้บูสเตอร์ของคุณทำงานได้ ในการออกแบบของเราแรงดันเริ่มต้นที่ต้องการคือ 0.8V ซึ่งต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เหรียญที่ปล่อยออกมาจนหมด

แรงดันไฟฟ้าค้าง:เมื่ออุปกรณ์ขับเคลื่อนด้วยวงจรบูสต์ของคุณแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะเริ่มลดลงเนื่องจากกำลังให้พลังงาน แรงดันไฟฟ้าที่ไอซีบูสเตอร์จะคงประสิทธิภาพไว้เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าค้าง ภายใต้แรงดันไฟฟ้านี้ IC จะหยุดทำงานและเราจะไม่ได้รับแรงดันไฟฟ้าขาออก โปรดทราบว่าแรงดันไฟฟ้าค้างจะน้อยกว่าแรงดันเริ่มต้นเสมอ นั่นคือ IC จะต้องใช้แรงดันไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อเริ่มการทำงานและในระหว่างสถานะการทำงานจะสามารถระบายแบตเตอรี่ออกด้านล่างได้ แรงดันไฟฟ้าค้างในวงจรของเราคือ 0.7V

กระแสไฟฟ้าดับ:ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่วงจรบูสเตอร์ของเรากำลังวาด (สิ้นเปลือง) แม้ว่าจะไม่มีการเชื่อมต่อโหลดที่ด้านเอาต์พุตจะเรียกว่ากระแสไฟฟ้าดับ ค่านี้ควรต่ำที่สุดสำหรับ IC ของเราค่าของกระแสไฟฟ้านิ่งอยู่ระหว่าง 4uA ถึง 7uA เป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องมีค่านี้ต่ำหรือเป็นศูนย์หากไม่ได้เชื่อมต่ออุปกรณ์เพื่อโหลดเป็นเวลานาน

On-Resistance:วงจร Boost converter ทั้งหมดจะเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์สวิตชิ่งเช่น MOSFET หรือ FET อื่น ๆ ที่อยู่ในนั้น หากเราใช้ IC ตัวแปลงอุปกรณ์สวิตชิ่งนี้จะถูกฝังอยู่ภายใน IC สิ่งสำคัญคือสวิตช์นี้มีความต้านทานต่อไฟฟ้าต่ำมาก ตัวอย่างเช่นในการออกแบบของเราที่นี่ IC BL8530 มีสวิตช์ภายในที่มีความต้านทานต่อ0.4Ωซึ่งเป็นค่าที่เหมาะสม ความต้านทานนี้จะลดแรงดันไฟฟ้าลงบนสวิตช์ตามกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (กฎของโอห์ม) ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของโมดูล

มีหลายวิธีในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าบางวิธีแสดงไว้ใน Charger Circuit Series ของเราที่นี่

แผนภูมิวงจรรวม

แผนภาพวงจรที่สมบูรณ์สำหรับวงจรบูสเตอร์ 5Vแสดงไว้ด้านล่างแผนผังถูกวาดโดยใช้ EasyEDA

อย่างที่คุณเห็นวงจรต้องการส่วนประกอบที่น้อยที่สุดเนื่องจาก BL8530 IC ดึงการทำงานหนักทั้งหมด BL8530 IC มีหลายรุ่นโดยที่นี่ใช้“ BL8530-50” โดยที่ 50 แทนแรงดันเอาต์พุต 5V ในทำนองเดียวกัน IC BL8530-33 จะมีแรงดันเอาต์พุต 3.3V ดังนั้นเพียงแค่เปลี่ยน IC นี้เราจะได้รับแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ มี IC รุ่น 2.5V, 3V, 4.2V, 5V และแม้กระทั่ง 6V ในตลาด ในบทช่วยสอนนี้เราจะเน้นไปที่เวอร์ชัน 5V IC ต้องการเพียงตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนำและไดโอดพร้อมกับมันในการทำงานมาดูวิธีการเลือกส่วนประกอบ

การเลือกส่วนประกอบ

เหนี่ยวนำ:ทางเลือกที่มีอยู่ของค่าเหนี่ยวนำสำหรับ IC นี้เป็นรูปแบบ3UH เพื่อ 1mH การใช้ตัวเหนี่ยวนำมูลค่าสูงจะให้กระแสเอาต์พุตสูงและมีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตามข้อเสียคือต้องใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงจากเซลล์ในการทำงานดังนั้นการใช้ค่าตัวเหนี่ยวนำที่สูงอาจไม่ทำให้วงจรบูสต์ทำงานจนกว่าแบตเตอรี่จะหมด ดังนั้นการแลกเปลี่ยนจะต้องทำระหว่างกระแสไฟฟ้าขาออกและกระแสอินพุตขั้นต่ำในการออกแบบออก ที่นี่ฉันใช้ค่า 47uH เนื่องจากฉันต้องการกระแสเอาต์พุตสูงคุณสามารถลดค่านี้ได้หากกระแสโหลดของคุณน้อยลงสำหรับการออกแบบของคุณ สิ่งสำคัญคือต้องเลือกตัวเหนี่ยวนำที่มีค่า ESR ต่ำเพื่อประสิทธิภาพสูงในการออกแบบของคุณ

ตัวเก็บประจุเอาท์พุท:ค่าที่อนุญาตของตัวเก็บประจุคือตั้งแต่47uF ถึง 220uFหน้าที่ของตัวเก็บประจุเอาท์พุตนี้คือการกรองระลอกคลื่นเอาท์พุท มูลค่าของสิ่งนี้ควรพิจารณาจากลักษณะของโหลด หากเป็นโหลดแบบอุปนัยแนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่าสูงสำหรับโหลดตัวต้านทานเช่นไมโครคอนโทรลเลอร์หรือเซ็นเซอร์ส่วนใหญ่ตัวเก็บประจุค่าต่ำจะทำงานได้ ข้อเสียของการใช้ตัวเก็บประจุมูลค่าสูงคือต้นทุนที่เพิ่มขึ้นและยังทำให้ระบบทำงานช้าลง ที่นี่ฉันใช้ตัวเก็บประจุแทนทาลัม 100uF เนื่องจากตัวเก็บประจุแทนทาลัมสามารถควบคุมการกระเพื่อมได้ดีกว่าตัวเก็บประจุแบบเซรามิก

ไดโอด:การพิจารณาเฉพาะกับไดโอดก็คือว่ามันควรจะมีมากแรงดันไปข้างหน้าต่ำเป็นที่ทราบกันดีว่าไดโอด Schottky มีแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าต่ำกว่าไดโอดเรียงกระแสปกติ ดังนั้นเราจึงใช้ไดโอด SS14D SMD ที่มีแรงดันไปข้างหน้าลดลงน้อยกว่า 0.2V

ตัวเก็บประจุอินพุต:คล้ายกับตัวเก็บประจุเอาต์พุตสามารถใช้ตัวเก็บประจุอินพุตเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าระลอกก่อนเข้าสู่วงจรเพิ่ม แต่ที่นี่เนื่องจากเราใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่ายแรงดันเราจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุอินพุตสำหรับการควบคุมระลอก เนื่องจากแบตเตอรี่โดยธรรมชาติจะให้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่บริสุทธิ์โดยไม่มีการกระเพื่อม

ส่วนประกอบอื่น ๆ เป็นเพียงส่วนประกอบเสริม ที่ใส่แบตเตอรี่ใช้สำหรับเก็บเซลล์เหรียญและพอร์ต UCB มีไว้เพื่อเชื่อมต่อสาย USB โดยตรงกับโมดูลเพิ่มพลังของเราเพื่อให้เราสามารถจ่ายไฟให้กับบอร์ดพัฒนาทั่วไปเช่น Arduino, ESP8266, ESP32 เป็นต้น

การออกแบบและผลิต PCB โดยใช้ Easy EDA

ตอนนี้วงจร Coin Cell Boost Converterพร้อมแล้วก็ถึงเวลาสร้างมันขึ้นมา เนื่องจากส่วนประกอบทั้งหมดที่นี่มีให้เฉพาะในแพ็คเกจ SMD ฉันจึงต้องสร้าง PCB สำหรับวงจรของฉัน ดังนั้นเช่นเคยเราใช้เครื่องมือ EDA ออนไลน์ที่เรียกว่า EasyEDA เพื่อสร้าง PCB ของเราเพราะสะดวกในการใช้งานเนื่องจากมีคอลเลกชันที่ดีและเป็นโอเพ่นซอร์ส

หลังจากออกแบบ PCB แล้วเราสามารถสั่งซื้อตัวอย่าง PCB ได้โดยบริการผลิต PCB ต้นทุนต่ำ นอกจากนี้ยังมีบริการจัดหาส่วนประกอบที่มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากและผู้ใช้สามารถสั่งซื้อส่วนประกอบที่ต้องการพร้อมกับคำสั่งซื้อ PCB

ในขณะที่ออกแบบวงจรและ PCB ของคุณคุณยังสามารถทำให้การออกแบบวงจรและ PCB ของคุณเป็นแบบสาธารณะเพื่อให้ผู้ใช้รายอื่นสามารถคัดลอกหรือแก้ไขได้และสามารถใช้ประโยชน์จากงานของคุณได้เรายังทำให้วงจรและเลย์เอาต์ PCB ทั้งหมดของเราเป็นแบบสาธารณะสำหรับวงจรนี้ด้วยตรวจสอบ ลิงค์ด้านล่าง:

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

คุณสามารถ ดูเลเยอร์ใดก็ได้ (บน, ล่าง, ท็อปซิล, พื้นและอื่น ๆ) ของ PCB โดยการเลือกเลเยอร์จากหน้าต่าง 'เลเยอร์' เมื่อเร็ว ๆ นี้พวกเขาได้เปิดตัวตัวเลือกมุมมอง 3 มิติเพื่อให้คุณสามารถดู PCB การวัดแรงดันไฟฟ้าแบบหลายเซลล์เกี่ยวกับวิธีการดูแลการประดิษฐ์โดยใช้ ปุ่มมุมมอง 3 มิติใน EasyEDA:

การคำนวณและการสั่งซื้อตัวอย่างออนไลน์

หลังจากออกแบบวงจรบูสเตอร์เซลล์เหรียญ 5Vเสร็จแล้ว คุณสามารถสั่งซื้อ PCB ผ่าน JLCPCB.com ในการสั่งซื้อ PCB จาก JLCPCB คุณต้องมีไฟล์ Gerber หากต้องการดาวน์โหลดไฟล์ Gerber ของ PCB ของคุณเพียงคลิกปุ่มสร้างไฟล์การผลิตบนหน้าตัวแก้ไข EasyEDA จากนั้นดาวน์โหลดไฟล์ Gerber จากที่นั่นหรือคุณสามารถคลิกสั่งซื้อที่ JLCPCB ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง สิ่งนี้จะเปลี่ยนเส้นทางคุณไปยัง JLCPCB.com ซึ่งคุณสามารถเลือกจำนวน PCB ที่คุณต้องการสั่งซื้อจำนวนชั้นทองแดงที่คุณต้องการความหนาของ PCB น้ำหนักทองแดงและแม้แต่สีของ PCB เช่นเดียวกับภาพรวมที่แสดงด้านล่าง ข่าวดีอีกอย่างก็คือตอนนี้คุณจะได้รับPCB สีทั้งหมดในราคาเดียวกันจาก JLCPCB ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจที่จะให้ของฉันเป็นสีดำเพื่อให้ดูสวยงามคุณสามารถเลือกสีที่คุณชอบได้

หลังจากคลิกสั่งซื้อที่ปุ่ม JLCPCB จะนำคุณไปยังเว็บไซต์ JLCPCB ซึ่งคุณสามารถสั่งซื้อ PCB สีใดก็ได้ในอัตราที่ต่ำมากซึ่งคือ $ 2 สำหรับสีทั้งหมด เวลาในการสร้างของพวกเขายังน้อยกว่ามากซึ่ง 48 ชั่วโมงด้วยการจัดส่ง DHL 3-5 วันโดยทั่วไปคุณจะได้รับ PCBs ภายในหนึ่งสัปดาห์หลังจากสั่งซื้อ นอกจากนี้พวกเขายังเสนอส่วนลด $ 20 สำหรับการจัดส่งสำหรับการสั่งซื้อครั้งแรกของคุณ

หลังจากสั่งซื้อ PCB แล้วคุณสามารถ ตรวจสอบ ความคืบหน้าในการผลิต PCB ของคุณ พร้อมวันที่และเวลา คุณตรวจสอบได้โดยไปที่หน้าบัญชีและคลิกที่ลิงค์ "ความคืบหน้าการผลิต" ใต้ PCB ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง

หลังจากไม่กี่วันของการสั่งซื้อ PCB ฉันได้รับตัวอย่าง PCB ในบรรจุภัณฑ์ที่ดีดังที่แสดงในภาพด้านล่าง

เตรียม Boost Converter PCB ให้พร้อม

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนกระดานอยู่ในรูปทรงที่ดีมากจะมีรอยเท้าและจุดสังเกตในขนาดที่ต้องการ ดังนั้นฉันจึงทำการบัดกรีส่วนประกอบ SMD ทั้งหมดบนบอร์ดแล้วจึงทำการบัดกรีชิ้นส่วนผ่านรู ภายในไม่กี่นาที PCB ของฉันก็พร้อมสำหรับการดำเนินการ บอร์ดของฉันพร้อมส่วนประกอบบัดกรีทั้งหมดและเซลล์เหรียญดังแสดงด้านล่าง

การทดสอบโมดูล Coin Cell Booster

ตอนนี้โมดูลของเราพร้อมและขับเคลื่อนเราสามารถเริ่มทดสอบได้ เอาต์พุต 5V ที่เพิ่มขึ้นจากบอร์ดสามารถรับได้จากพอร์ต USB หรือขาส่วนหัวของตัวผู้ที่อยู่ใกล้ ฉันใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดันขาออกและอย่างที่คุณเห็นว่ามันใกล้เคียงกับ 5V ดังนั้นเราสามารถสรุปได้ว่าโมดูลเพิ่มกำลังทำงานอย่างถูกต้อง

ตอนนี้โมดูลนี้สามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์หรือจ่ายไฟให้เซ็นเซอร์หรือวงจรขนาดเล็กอื่น ๆ โปรดทราบว่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถส่งได้คือ 200mA เท่านั้นดังนั้นอย่าคาดหวังว่ามันจะขับรถบรรทุกหนัก อย่างไรก็ตามฉันมีความสุขกับการเปิดบอร์ด Arduino และบอร์ด ESP ด้วยโมดูลขนาดเล็กและกะทัดรัดนี้ ภาพด้านล่างแสดงตัวแปลงเพิ่มกำลังขับเคลื่อน Arduino และ STM

เช่นเดียวกับโมดูลแหล่งจ่ายไฟ breadboard ก่อนหน้านี้โมดูลบูสเตอร์เซลล์แบบเหรียญนี้จะถูกเพิ่มลงในสินค้าคงคลังของฉันด้วยเพื่อให้ฉันสามารถใช้มันในโครงการในอนาคตทั้งหมดของฉันได้ทุกที่ที่ฉันต้องการแหล่งพลังงานขนาดกะทัดรัดแบบพกพา หวังว่าคุณจะชอบโครงการนี้และได้เรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์ในกระบวนการสร้างโมดูลนี้ การทำงานทั้งหมดสามารถพบได้ในวิดีโอที่เชื่อมโยงด้านล่าง

หากคุณมีปัญหาใด ๆ ในการทำให้สิ่งต่างๆทำงานได้อย่าลังเลที่จะวางไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมของเราสำหรับคำถามทางเทคนิคอื่น ๆ