Mạch chuyển đổi tăng áp đơn sử dụng ô đồng xu - đầu ra 5v

Tế bào pin là nguồn năng lượng được sử dụng phổ biến nhất để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử di động. Có thể là một chiếc đồng hồ báo thức đơn giản hoặc một nút cảm biến IoT hoặc một chiếc điện thoại di động phức tạp, mọi thứ đều chạy bằng pin. Trong hầu hết các trường hợp, các thiết bị di động này cần có hệ số hình thức nhỏ (kích thước gói) và do đó nó được cung cấp năng lượng bởi pin đơn, như pin Lithium CR2032 phổ biến hoặc pin lithium polymer 3.7V hoặc 18650 khác. Các tế bào này chứa năng lượng cao so với kích thước của nó nhưng một nhược điểm chung của các tế bào này là điện áp hoạt động của nó. Một pin lithium điển hình có điện áp danh định là 3,7V, nhưng điện áp này có thể giảm xuống mức thấp nhất là 2,8V khi xả hết và cao tới 4,2V khi được sạc đầy, điều này không được mong muốn cho các thiết kế điện tử của chúng tôi hoạt động với 3.3 V hoặc 5V làm điện áp hoạt động.

Điều này dẫn đến nhu cầu về một bộ chuyển đổi tăng cường có thể sử dụng biến 2,8V thành 4,2V này làm điện áp đầu vào và điều chỉnh nó thành 3,3V hoặc 5V không đổi. Rất may, mặc dù tồn tại một vi mạch có tên BL8530 hoạt động giống hệt như vậy với các thành phần bên ngoài rất tối thiểu. Vì vậy, trong dự án này, chúng tôi sẽ xây dựng một mạch tăng áp 5V chi phí thấp cung cấp điện áp đầu ra được điều chỉnh không đổi là 5V từ một ô đồng xu CR2032; chúng tôi cũng sẽ thiết kế một PCB nhỏ gọn cho bộ chuyển đổi tăng cường này để nó có thể được sử dụng trong tất cả các dự án di động trong tương lai của chúng tôi. Dòng đầu ra tối đa của bộ chuyển đổi tăng cường sẽ là 200mAđủ tốt để cấp nguồn cho các bộ vi điều khiển và cảm biến cơ bản. Một ưu điểm khác của mạch này là, nếu dự án của bạn yêu cầu một mạch 3.3V thay vì 5V, mạch tương tự cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh 3.3V chỉ bằng cách hoán đổi một thành phần. Mạch này cũng có thể hoạt động như Power Bank để cung cấp năng lượng cho các bo mạch nhỏ như Arduino, STM32, MSP430, v.v. Trước đây, chúng tôi đã chế tạo loại bộ chuyển đổi tăng cường tương tự sử dụng Pin Lithium để sạc điện thoại di động.

Vật liệu thiết yếu

• IC tăng cường BL8530-5V (SOT89)
• 47uH cuộn cảm (5mm SMD)
• Điốt SS14 (SMD)
• Tụ 1000uF 16V Tantali (SMD)
• Người giữ ô tiền xu
• Đầu nối USB Female

Cân nhắc về thiết kế bộ chuyển đổi tăng tốc đơn

Yêu cầu thiết kế đối với bộ chuyển đổi Tăng cường một cell sẽ khác với yêu cầu của bộ chuyển đổi tăng cường thông thường. Điều này là do ở đây năng lượng từ pin (pin đồng xu) đang được tăng cường thành điện áp đầu ra để thiết bị của chúng ta hoạt động. Vì vậy cần chú ý mạch tăng áp sử dụng tối đa pin với hiệu suất cao để giữ cho thiết bị được bật lâu nhất có thể. Khi chọn IC tăng cường cho thiết kế của mình, bạn có thể xem xét bốn thông số sau. Bạn cũng có thể đọc bài viết về Thiết kế Bộ điều chỉnh Tăng cường để biết thêm về nó.

Điện áp khởi động: Đây là điện áp đầu vào yêu cầu tối thiểu từ pin để bộ chuyển đổi tăng cường bắt đầu hoạt động. Khi bạn bật nguồn của bộ chuyển đổi tăng cường, ít nhất pin phải có thể cung cấp điện áp khởi động này để bộ tăng cường của bạn hoạt động. Trong thiết kế của chúng tôi, điện áp khởi động yêu cầu là 0,8V thấp hơn bất kỳ điện áp nào của pin đồng xu đã xả hoàn toàn.

Điện áp chờ: Khi thiết bị được cấp nguồn bằng mạch tăng áp của bạn, điện áp pin sẽ bắt đầu giảm vì nó đang cấp điện. Điện áp mà IC tăng cường sẽ giữ hiệu suất của nó được gọi là điện áp giữ. Dưới điện áp này, IC sẽ dừng chức năng và chúng ta sẽ không nhận được điện áp đầu ra. Lưu ý rằng điện áp giữ sẽ luôn nhỏ hơn điện áp khởi động. Tức là vi mạch sẽ yêu cầu nhiều điện áp hơn để bắt đầu hoạt động và trong trạng thái hoạt động của nó, nó có thể tiêu hao pin dưới mức đó. Điện áp giữ trong mạch của chúng ta là 0,7V.

Dòng điện tĩnh: Lượng dòng điện mà mạch tăng cường của chúng tôi đang vẽ (lãng phí) ngay cả khi không có tải được kết nối ở phía đầu ra được gọi là dòng điện tĩnh. Giá trị này phải càng thấp càng tốt, đối với vi mạch của chúng tôi, giá trị của dòng tĩnh nằm trong khoảng 4uA đến 7uA. Điều rất quan trọng là phải có giá trị này thấp hoặc bằng không nếu thiết bị sẽ không được kết nối với tải trong một thời gian dài.

On-Resistance: Tất cả mạch chuyển đổi tăng cường sẽ liên quan đến một thiết bị chuyển đổi như MOSFET hoặc các FET khác trong đó. Nếu chúng ta đang sử dụng IC chuyển đổi thì thiết bị chuyển đổi này sẽ được nhúng bên trong IC. Điều quan trọng là công tắc này có điện trở rất thấp. Ví dụ trong thiết kế của chúng tôi ở đây, IC BL8530 có một công tắc bên trong với điện trở bật 0,4Ω, đây là một giá trị phù hợp. Điện trở này sẽ làm giảm điện áp trên công tắc dựa trên dòng điện chạy qua nó (định luật Ohms), do đó làm giảm hiệu suất của mô-đun.

Có nhiều cách để tăng điện áp, một số cách trong số đó được trình bày trong Series Mạch sạc của chúng tôi tại đây.

Sơ đồ mạch

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh cho mạch tăng áp 5V được hiển thị bên dưới, các sơ đồ được vẽ bằng EasyEDA.

Như bạn có thể thấy, mạch yêu cầu các thành phần rất tối thiểu vì tất cả các công việc khó khăn đều do IC BL8530 kéo. Có nhiều phiên bản của IC BL8530, phiên bản được sử dụng ở đây là “BL8530-50” trong đó 50 đại diện cho điện áp đầu ra 5V. Tương tự IC BL8530-33 sẽ có điện áp đầu ra là 3.3V do đó chỉ cần thay IC này là chúng ta có thể có được điện áp đầu ra cần thiết. Có phiên bản 2.5V, 3V, 4.2V, 5V và thậm chí 6V của IC này trên thị trường. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ tập trung vào phiên bản 5V. IC chỉ yêu cầu một tụ điện, cuộn cảm và Diode cùng với nó để hoạt động, chúng ta hãy xem cách chọn các thành phần.

Lựa chọn các thành phần

Cuộn cảm: Sự lựa chọn có sẵn của giá trị cuộn cảm cho IC này là dạng 3uH đến 1mH. Sử dụng một giá trị cao của cuộn cảm sẽ cung cấp dòng điện đầu ra cao và hiệu suất cao. Tuy nhiên, nhược điểm là nó đòi hỏi điện áp đầu vào cao từ tế bào để hoạt động, vì vậy việc sử dụng giá trị điện dẫn cao có thể không làm cho mạch tăng hoạt động cho đến khi pin cạn kiệt hoàn toàn. Do đó phải thực hiện sự cân bằng giữa dòng điện đầu ra và dòng điện đầu vào tối thiểu trong thiết kế đầu ra. Ở đây tôi đã sử dụng giá trị 47uH vì tôi cần dòng điện đầu ra cao, bạn có thể giảm giá trị này nếu dòng tải của bạn sẽ ít hơn cho thiết kế của bạn. Điều quan trọng nữa là chọn một cuộn cảm có giá trị ESR thấp để thiết kế của bạn đạt hiệu quả cao.

Tụ điện đầu ra: Giá trị cho phép của tụ điện là từ 47uF đến 220uF. Chức năng của tụ điện đầu ra này là lọc các gợn sóng đầu ra. Giá trị của điều này nên được quyết định dựa trên bản chất của tải. Nếu đó là tải cảm ứng thì tụ điện giá trị cao được khuyến nghị cho các tải điện trở như đối với bộ vi điều khiển hoặc hầu hết các cảm biến, tụ điện giá trị thấp sẽ hoạt động. Hạn chế của việc sử dụng tụ điện giá trị cao là tăng chi phí và nó cũng làm chậm hệ thống. Ở đây tôi đã sử dụng tụ tantali 100uF, vì tụ tantali kiểm soát gợn sóng tốt hơn tụ gốm.

Diode: Điều duy nhất cần xem xét với diode là nó phải có điện áp thấp xuống rất thấp. Được biết, điốt Schottky có độ sụt điện áp chuyển tiếp thấp hơn so với điốt chỉnh lưu thông thường. Do đó, chúng tôi đã sử dụng diode SMD SS14D có điện áp chuyển tiếp giảm xuống dưới 0,2V.

Tụ điện đầu vào: Tương tự như tụ điện đầu ra, Tụ điện đầu vào có thể được sử dụng để điều khiển điện áp gợn sóng trước khi đi vào mạch tăng áp. Nhưng ở đây vì chúng tôi đang sử dụng pin làm nguồn điện áp nên chúng tôi sẽ không cần tụ điện Đầu vào để điều khiển gợn sóng. Bởi vì bản chất pin cung cấp điện áp một chiều thuần túy mà không có bất kỳ gợn sóng nào trong chúng.

Các thành phần khác chỉ là phụ trợ. Giá đỡ pin được sử dụng để giữ ô Coin và cổng UCB được cung cấp để kết nối cáp USB trực tiếp với mô-đun tăng cường của chúng tôi để chúng tôi có thể dễ dàng cấp nguồn cho các bảng phát triển thông thường như Arduino, ESP8266, ESP32, v.v.

Thiết kế và chế tạo PCB bằng EDA dễ dàng

Bây giờ mạch Coin Cell Boost Converter đã sẵn sàng, đã đến lúc chế tạo nó. Vì tất cả các thành phần ở đây chỉ có sẵn trong gói SMD nên tôi đã phải chế tạo một PCB cho mạch của mình. Vì vậy, như mọi khi, chúng tôi đã sử dụng công cụ EDA trực tuyến có tên EasyEDA để chế tạo PCB của chúng tôi vì nó rất thuận tiện để sử dụng vì nó có một bộ sưu tập dấu chân tốt và nó là mã nguồn mở.

Sau khi thiết kế PCB, chúng tôi có thể đặt hàng các mẫu PCB bằng dịch vụ chế tạo PCB chi phí thấp của họ. Họ cũng cung cấp dịch vụ tìm nguồn cung ứng linh kiện, nơi họ có một lượng lớn linh kiện điện tử và người dùng có thể đặt hàng các thành phần theo yêu cầu của họ cùng với đơn đặt hàng PCB.

Trong khi thiết kế mạch và PCB của bạn, bạn cũng có thể công khai thiết kế mạch và PCB của mình để người dùng khác có thể sao chép hoặc chỉnh sửa chúng và có thể hưởng lợi từ công việc của bạn, chúng tôi cũng đã công khai toàn bộ bố cục Mạch và PCB cho mạch này, hãy kiểm tra liên kết dưới đây:

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

Bạn có thể xem bất kỳ Layer nào (Top, Bottom, Topsilk, bottomsilk, v.v.) của PCB bằng cách chọn lớp tạo thành Cửa sổ 'Lớp'. Gần đây, họ cũng đã giới thiệu tùy chọn chế độ xem 3D để bạn cũng có thể xem PCB đo điện áp Multicell, về cách nó trông như thế nào sau khi chế tạo bằng cách sử dụng nút Chế độ xem 3D trong EasyEDA:

Tính toán và đặt hàng mẫu trực tuyến

Sau khi hoàn thành thiết kế mạch tăng áp di động đồng xu 5V này, bạn có thể đặt mua PCB thông qua JLCPCB.com. Để đặt mua PCB từ JLCPCB, bạn cần có Tệp Gerber. Để tải xuống các tệp Gerber trên PCB của bạn, chỉ cần nhấp vào nút Tạo Tệp Chế tạo trên trang trình chỉnh sửa EasyEDA, sau đó tải xuống tệp Gerber từ đó hoặc bạn có thể nhấp vào Đặt hàng tại JLCPCB như được hiển thị trong hình ảnh bên dưới. Thao tác này sẽ chuyển hướng bạn đến JLCPCB.com, nơi bạn có thể chọn số lượng PCB bạn muốn đặt hàng, bao nhiêu lớp đồng bạn cần, độ dày PCB, trọng lượng đồng và thậm chí cả màu PCB, như ảnh chụp nhanh được hiển thị bên dưới. Một tin tốt khác là bây giờ bạn có thể nhận được tất cả các PCB màu với cùng một mức giá từ JLCPCB. Vì vậy, tôi quyết định chọn màu đen của tôi chỉ để nhìn thẩm mỹ, bạn có thể chọn màu sắc yêu thích của mình.

Sau khi nhấp vào đặt hàng tại nút JLCPCB, nó sẽ đưa bạn đến trang web của JLCPCB, nơi bạn có thể đặt mua bất kỳ PCB màu nào với mức giá rất thấp là $ 2 cho tất cả các màu. Thời gian xây dựng của họ cũng rất ít, là 48 giờ với thời gian giao hàng của DHL trong 3-5 ngày, về cơ bản bạn sẽ nhận được PCB của mình trong vòng một tuần kể từ khi đặt hàng. Hơn nữa, họ cũng đang giảm giá 20 đô la phí vận chuyển cho đơn hàng đầu tiên của bạn.

Sau khi đặt hàng PCB, bạn có thể kiểm tra Tiến độ sản xuất PCB của mình với ngày và giờ. Bạn kiểm tra bằng cách vào trang Tài khoản và nhấp vào liên kết "Tiến độ sản xuất" bên dưới PCB như trong hình dưới đây.

Sau vài ngày đặt hàng PCB, tôi đã nhận được các mẫu PCB trong bao bì đẹp như trong hình dưới đây.

Chuẩn bị sẵn PCB chuyển đổi Boost

Như bạn có thể thấy từ những hình ảnh trên, bảng có hình dạng rất tốt sẽ có tất cả các dấu chân và khung ở đúng kích thước yêu cầu. Vì vậy, tôi đã tiến hành hàn tất cả các thành phần SMD trên bo mạch và sau đó là các thành phần xuyên lỗ. Trong vòng vài phút, PCB của tôi sẵn sàng hoạt động. Bảng mạch của tôi với tất cả các thành phần được hàn và ô đồng xu được hiển thị bên dưới

Thử nghiệm mô-đun tăng cường tế bào tiền xu

Bây giờ mô-đun của chúng tôi đã được thiết lập và cung cấp đầy đủ, chúng tôi có thể bắt đầu thử nghiệm nó. Đầu ra 5V tăng cường từ bo mạch có thể được lấy từ cổng USB hoặc qua chân cắm đầu đực gần nó. Tôi đã sử dụng đồng hồ vạn năng của mình để đo điện áp đầu ra và như bạn có thể thấy nó gần 5V. Do đó, chúng tôi có thể kết luận rằng mô-đun tăng cường của chúng tôi đang hoạt động bình thường.

Mô-đun này hiện có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các bo mạch vi điều khiển hoặc cấp nguồn cho các cảm biến hoặc mạch nhỏ khác. Hãy nhớ rằng dòng điện tối đa mà nó có thể cung cấp chỉ là 200mA, vì vậy đừng mong đợi nó chạy tải nặng. Tuy nhiên, tôi hài lòng với việc cấp nguồn cho bảng Arduino và bảng ESP của mình bằng mô-đun nhỏ và gọn này. Các hình ảnh dưới đây cho thấy bộ chuyển đổi tăng cường cấp nguồn cho Arduino và STM.

Cũng giống như mô-đun cấp nguồn breadboard trước đây, mô-đun tăng cường tế bào đồng xu này cũng sẽ được thêm vào kho của tôi để tôi có thể sử dụng chúng trong tất cả các dự án trong tương lai của mình ở bất cứ nơi nào tôi cần nguồn điện nhỏ gọn di động. Hy vọng bạn thích dự án và học được điều gì đó hữu ích trong quá trình xây dựng mô-đun này. Hoạt động hoàn chỉnh có thể được tìm thấy trong video được liên kết bên dưới.

Nếu bạn gặp bất kỳ vấn đề nào trong việc xử lý công việc, vui lòng thả chúng trong phần bình luận hoặc sử dụng diễn đàn của chúng tôi để trả lời các câu hỏi kỹ thuật khác.