Encellsförstärkarkrets som använder myntcell - 5v-utgång

Battericeller är den vanligaste energikällan för att driva bärbar elektronik. Vare sig det är en enkel väckarklocka eller en IoT-sensornod eller en komplex mobiltelefon, allt drivs av batterier. I de flesta fall måste dessa bärbara enheter ha en liten formfaktor (förpackningsstorlek) och drivs därför av ett enda cellbatteri, som den populära CR2032-litiumcellen eller den andra 3,7V litiumpolymeren eller 18650-cellerna. Dessa celler packar i hög energi för sin storlek men en vanlig nackdel med dessa celler är med dess driftspänning. Ett typiskt litiumbatteri har en nominell spänning på 3,7 V, men den här spänningen kan gå ner så lågt som 2,8 V när den är helt tömd och så hög som 4,2 V när den är fulladdad vilket inte är mycket önskvärt för våra elektronikdesigner som antingen fungerar med reglerad V eller 5V som driftspänning.

Detta medför behovet av en boost-omvandlare som kan ta in denna variabel 2,8V till 4,2V som ingångsspänning och reglera den till konstant 3,3V eller 5V. Tack och lov finns det en IC som heter BL8530 som gör exakt samma sak med mycket minimala externa komponenter. Så i det här projektet kommer vi att bygga en 5V-boosterkrets till låg kostnad som ger en konstant reglerad utspänning på 5V från en CR2032-myntcell; Vi kommer också att designa en kompakt PCB för denna boost-omvandlare så att den kan användas i alla våra framtida bärbara projekt. Boostomvandlarens maximala utgångsström är 200 mAvilket är tillräckligt bra för att driva grundläggande mikrokontroller och sensorer. En annan fördel med denna krets är att om ditt projekt kräver en reglerad 3.3V istället för 5V kan samma krets också användas för att reglera 3.3V genom att bara byta en komponent. Denna krets kan också fungera som Power Bank för att driva upp små kort som Arduino, STM32, MSP430 etc. Vi har tidigare byggt en liknande typ av boost-omvandlare med litiumbatteri för att ladda en mobiltelefon.

Material som krävs

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• 47uH induktor (5 mm SMD)
• SS14-diod (SMD)
• 1000uF 16V Tantal kondensator (SMD)
• Hållare för myntceller
• USB-kvinnlig kontakt

Enskilda Cell Boost Converter-överväganden

Konstruktionskraven för en encellig Boost-omvandlare kommer att skilja sig från en vanlig boost-omvandlare. Detta beror på att här energin från ett batteri (myntcell) ökar till utspänningen för att vår enhet ska fungera. Så försiktighet bör iakttas att boosterkretsen använder det maximala batteriet med hög effektivitet för att hålla enheten påslagen så länge som möjligt. När du väljer booster IC för dina mönster kan du överväga följande fyra parametrar. Du kan också läsa artikeln om Boost Regulator Design för att veta mer om den.

Start-up Voltage: Detta är den minsta nödvändiga ingångsspänningen från batteriet för att boost-omvandlaren ska börja fungera. När du slår på boost-omvandlaren ska batteriet åtminstone kunna ge denna startspänning för att din booster ska fungera. I vår design är den nödvändiga startspänningen 0,8V, vilket ligger under en helt urladdad myntcellspänning.

Hållspänning: När enheten drivs med din boost-krets kommer batterispänningen att minska eftersom den ger ut ström. Spänningen till vilken en booster-IC kommer att hålla sin prestanda kallas väntespänningen. Under denna spänning stoppar IC-funktionen och vi får ingen utspänning. Observera att hållspänningen alltid kommer att vara mindre än startspänningen. Det vill säga IC: n kommer att kräva mer spänning för att påbörja sin drift och under dess körning kan den tömma batteriet långt under det. Hållspänningen i vår krets är 0,7V.

Viloström: Mängden ström som vår booster-krets drar (slösar) även om ingen belastning är ansluten på utgångssidan kallas som viloström. Detta värde ska vara så lågt som möjligt, för vår IC är värdet på viloström mellan 4uA och 7uA. Det är mycket viktigt att ha detta värde lågt eller noll om enheten inte kommer att anslutas för att laddas på länge.

On-Resistance: Alla boost-omvandlarkretsar kommer att involvera en omkopplingsenhet som MOSFET eller andra FET i den. Om vi ​​använder en IC-omvandlare kommer denna omkopplingsenhet att bäddas in i IC-enheten. Det är viktigt att denna omkopplare har mycket lågt motstånd. Till exempel i vår design här har IC BL8530 en intern omkopplare med on-motstånd på 0,4Ω vilket är ett anständigt värde. Detta motstånd tappar en spänning över strömbrytaren baserat på strömmen genom den (Ohms-lag) och minskar därigenom modulens effektivitet.

Det finns många sätt att öka spänningen, några av dem visas i vår Charger Circuit Series här.

Kretsschema

Det fullständiga kretsschemat för 5V-boosterkretsen visas nedan, schemat ritades med EasyEDA.

Som du kan se kräver kretsen mycket minimala komponenter eftersom allt hårt arbete dras av BL8530 IC. Det finns många versioner av BL8530 IC, den som används här “BL8530-50” där 50 representerar utspänningen 5V. På samma sätt kommer IC BL8530-33 att ha en utspänning på 3,3V, och genom att bara byta ut denna IC kan vi erhålla önskad utspänning. Det finns 2.5V, 3V, 4.2V, 5V och till och med 6V version av denna IC tillgänglig på marknaden. I denna handledning kommer vi att fokusera på 5V-versionen. IC behöver bara en kondensator, induktor och diod tillsammans med den för att fungera, låt oss se hur man väljer komponenterna.

Val av komponenter

Induktor: Det tillgängliga valet av induktansvärde för denna IC är form 3uH till 1mH. Att använda ett högt induktansvärde ger hög utström och hög effektivitet. Nackdelen är dock att det kräver en hög ingångsspänning från cellen för att fungera, så att använda ett högt induktansvärde kanske inte får boostkretsen att fungera tills batteriet är helt urladdat. Därför måste en avvägning göras mellan utström och minsta ingångsström i design. Här har jag använt ett värde på 47uH eftersom jag behöver hög utström, du kan minska detta värde om din lastström blir mindre för din design. Det är också viktigt att välja en induktor med lågt ESR-värde för hög effektivitet i din design.

Utgångskondensator: Det tillåtna värdet på kondensatorn är från 47uF till 220uF. Funktionen för denna utgångskondensator är att filtrera utgående krusningar. Värdet på detta bör bestämmas utifrån lastens beskaffenhet. Om det är en induktiv belastning rekommenderas kondensator med högt värde för resistiva belastningar som för mikrokontroller eller de flesta sensorer med lågt värde kondensator fungerar. Nackdelen med att använda högkvalitativa kondensatorer är ökade kostnader och det saktar också ner systemet. Här har jag använt en 100uF tantalkondensator, eftersom tantalkondensatorer är bättre i krusningskontroll än keramiska kondensatorer.

Diod: Det enda övervägandet med dioden är att det ska ha ett mycket lågt spänningsfall. Det är känt att Schottky-dioder har låga spänningsfall framåt än normala likriktardioder. Därför har vi använt SS14D SMD-dioden som har ett spänningsfall på mindre än 0,2 V.

Ingångskondensator: På samma sätt som utgångskondensatorn kan en ingångskondensator användas för att styra krusningsspänningarna innan du går in i boostkretsen. Men här eftersom vi använder batteri som våra spänningskällor behöver vi inte en ingångskondensator för krusningskontroll. Eftersom batterier av natur ger ren likspänning utan krusning i dem.

De andra komponenterna är bara hjälpkomponenter. Batterihållaren används för att hålla myntcellen och UCB-porten tillhandahålls för att ansluta USB-kablar direkt till vår boost-modul så att vi enkelt kan driva vanliga utvecklingskort som Arduino, ESP8266, ESP32 etc

PCB-design och tillverkning med Easy EDA

Nu när Coin Cell Boost Converter-kretsen är klar är det dags att få den tillverkad. Eftersom alla komponenter här endast finns i SMD-paket var jag tvungen att tillverka ett kretskort för min krets. Så som alltid har vi använt EDA-verktyget online som heter EasyEDA för att få våra PCB-tillverkade eftersom det är väldigt bekvämt att använda eftersom det har en bra samling fotavtryck och det är öppen källkod.

Efter att ha designat kretskortet kan vi beställa kretskortproverna med deras billiga tjänster för tillverkning av kretskort. De erbjuder också komponentinköpstjänster där de har ett stort lager av elektroniska komponenter och användare kan beställa sina nödvändiga komponenter tillsammans med PCB-ordern.

När du designar dina kretsar och kretskort kan du också göra din krets- och kretskortsdesign offentlig så att andra användare kan kopiera eller redigera dem och dra nytta av ditt arbete, vi har också gjort hela krets- och kretskortlayouterna offentliga för den här kretsen, kolla nedanstående länk:

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

Du kan se vilket lager som helst (Top, Bottom, Topsilk, bottomsilk etc) på kretskortet genom att välja lagret från "Layers" -fönstret. Nyligen har de också introducerat ett 3D-visningsalternativ så att du också kan se multicell-spänningsmätningskretskortet för hur det kommer att se ut efter tillverkning med hjälp av knappen 3D View i EasyEDA:

Beräkning och beställning av prover online

Efter att ha slutfört designen av denna 5V myntcellförstärkarkrets kan du beställa kretskortet via JLCPCB.com. För att beställa PCB från JLCPCB behöver du Gerber File. För att ladda ner Gerber-filer på din PCB klickar du bara på knappen Generate Fabrication File på EasyEDA-redigeringssidan och laddar sedan ner Gerber-filen därifrån eller så kan du klicka på Order at JLCPCB som visas i bilden nedan. Detta kommer att omdirigera dig till JLCPCB.com, där du kan välja antalet PCB du vill beställa, hur många kopparlager du behöver, PCB-tjockleken, kopparvikten och till och med PCB-färgen, som ögonblicksbilden som visas nedan. En annan god nyhet är att nu kan du få alla färgkretskort till samma pris från JLCPCB. Så jag bestämde mig för att få mina i svart färg bara för ett estetiskt utseende, du kan välja din favoritfärg.

Efter att ha klickat på beställning vid JLCPCB-knappen kommer det att ta dig till JLCPCB-webbplats där du kan beställa valfri PCB i mycket lågt pris, vilket är $ 2 för alla färger. Deras byggtid är också mycket mindre vilket är 48 timmar med DHL-leverans på 3-5 dagar, i princip får du dina PCB inom en vecka efter beställning. Dessutom erbjuder de också 20 $ rabatt på frakt för din första beställning.

Efter beställning av kretskortet kan du kontrollera produktionsförloppet för ditt kretskort med datum och tid. Du kontrollerar det genom att gå till kontosidan och klicka på länken "Produktionsförlopp" under kretskortet som visas i bilden nedan.

Efter några dagars beställning av PCB fick jag PCB-proverna i fin förpackning som visas på bilderna nedan.

Förbereda Boost Converter PCB

Som du kan se från ovanstående bilder var brädet i en mycket bra form kommer alla fotavtryck och vias på plats i exakt önskad storlek. Så jag fortsatte med att lödda alla SMD-komponenter på kortet och sedan de genomgående hålen. Inom några minuter är min PCB redo för action. Mitt kort med alla lödda komponenter och myntcellen visas nedan

Testar myntcellförstärkarmodulen

Nu när vår modul är klar och driven kan vi börja testa den. Den förstärkta 5V-utgången från kortet kan antingen erhållas från USB-porten eller från den manliga huvudstiften nära den. Jag använde min multimeter för att mäta utspänningen och som du ser var den nära 5V. Därför kan vi dra slutsatsen att vår boost-modul fungerar som den ska.

Denna modul kan nu användas för att driva mikrokontrollkort eller för att driva andra små sensorer eller kretsar. Tänk på att den maximala strömmen den kan leverera är bara 200 mA, så förvänta dig inte att den kör tunga laster. Men jag var nöjd med att driva mina Arduino-kort och ESP-kort med denna lilla och kompakta modul. Nedanstående bilder visar boost-omvandlaren som driver Arduino och STM.

Precis som den tidigare strömförsörjningsmodulen för breadboard kommer denna myntcellförstärkarmodul att läggas till i mitt lager så att jag kan använda dem i alla mina framtida projekt varhelst jag behöver en bärbar kompakt strömkälla. Hoppas att du gillade projektet och lärde dig något användbart i processen att bygga den här modulen. Hela arbetet finns i videon som länkas nedan.

Om du har några problem med att få saker att fungera kan du gärna släppa dem i kommentarsektionen eller använda våra forum för andra tekniska frågor.