Rangkaian konverter boost sel tunggal menggunakan sel berbentuk koin - keluaran 5v

Sel baterai adalah sumber energi yang paling umum digunakan untuk menggerakkan elektronik portabel. Baik itu jam alarm sederhana atau node sensor IoT atau ponsel yang kompleks, semuanya didukung oleh baterai. Dalam kebanyakan kasus, perangkat portabel ini perlu memiliki faktor bentuk kecil (ukuran paket) dan karenanya didukung oleh baterai sel tunggal, seperti sel Lithium CR2032 yang populer atau polimer litium 3.7V lainnya atau sel 18650. Sel-sel ini dikemas dalam energi tinggi untuk ukurannya tetapi kelemahan umum dengan sel-sel ini adalah dengan tegangan operasinya. Baterai lithium khas memiliki tegangan nominal 3,7V, tetapi tegangan ini dapat turun serendah 2,8V ketika dikuras penuh dan setinggi 4,2V saat terisi penuh yang sangat tidak diinginkan untuk desain elektronik kami yang bekerja dengan 3,3 yang diatur. V atau 5V sebagai tegangan operasi.

Ini membawa kebutuhan akan konverter penguat yang dapat mengambil variabel 2.8V ke 4.2V ini sebagai tegangan input dan mengaturnya ke 3.3V atau 5V konstan. Untungnya meskipun ada IC yang disebut BL8530 yang melakukan hal yang persis sama dengan komponen eksternal yang sangat minimum. Jadi, dalam proyek ini kita akan membangun sirkuit penguat 5V berbiaya rendah yang menyediakan tegangan keluaran 5V yang diatur konstan dari sel koin CR2032; kami juga akan merancang PCB ringkas untuk konverter penguat ini sehingga dapat digunakan di semua proyek portabel kami di masa mendatang. Arus keluaran maksimum dari konverter boost adalah 200mAyang cukup baik untuk memberi daya pada mikrokontroler dan sensor dasar. Keuntungan lain dari rangkaian ini adalah, jika proyek Anda membutuhkan 3.3V yang diatur, bukan 5V, rangkaian yang sama juga dapat digunakan untuk mengatur 3.3V hanya dengan menukar satu komponen. Sirkuit ini juga dapat berfungsi sebagai Power Bank untuk menyalakan papan kecil seperti Arduino, STM32, MSP430 dll. Sebelumnya kami membangun konverter penguat serupa menggunakan Baterai Lithium untuk mengisi daya ponsel.

Bahan yang dibutuhkan

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• 47uH Induktor (5mm SMD)
• SS14 Diode (SMD)
• 1000uF 16V Tantalum kapasitor (SMD)
• Pemegang Sel Koin
• Konektor USB Wanita

Pertimbangan Desain Konverter Boost Sel Tunggal

Persyaratan desain untuk konverter Boost sel tunggal akan berbeda dari persyaratan desain konverter boost biasa. Ini karena di sini energi dari baterai (sel koin) sedang ditingkatkan menjadi tegangan output agar perangkat kita berfungsi. Jadi harus berhati-hati agar sirkuit booster menggunakan baterai secara maksimal dengan efisiensi tinggi untuk menjaga perangkat tetap menyala selama mungkin. Saat memilih IC booster untuk desain Anda, Anda dapat mempertimbangkan empat parameter berikut. Anda juga dapat membaca artikel tentang Boost Regulator Design untuk mengetahui lebih banyak tentangnya.

Tegangan Start-up: Ini adalah tegangan Input minimum yang diperlukan dari baterai untuk meningkatkan konverter untuk mulai beroperasi. Saat Anda menyalakan konverter penguat, baterai setidaknya harus dapat memberikan tegangan awal ini agar penguat Anda berfungsi. Dalam desain kami, tegangan start-up yang diperlukan adalah 0.8V yang jauh di bawah tegangan sel koin yang habis sepenuhnya.

Hold-on Voltage: Setelah perangkat dinyalakan dengan sirkuit penguat Anda, tegangan baterai akan mulai menurun karena mengeluarkan daya. Tegangan hingga IC booster akan mempertahankan kinerjanya disebut tegangan tahan. Di bawah tegangan ini IC akan berhenti berfungsi dan kita tidak akan mendapatkan tegangan keluaran. Perhatikan bahwa tegangan penahan akan selalu lebih kecil dari tegangan start-up. Artinya, IC akan membutuhkan lebih banyak tegangan untuk memulai operasinya dan selama kondisi berjalannya dapat menguras baterai jauh di bawahnya. Tegangan tahan di sirkuit kami adalah 0.7V.

Arus diam: Jumlah arus yang ditarik oleh rangkaian booster kami (terbuang percuma) bahkan ketika tidak ada beban yang terhubung pada sisi keluaran disebut sebagai Arus diam. Nilai ini harus serendah mungkin, untuk IC kami nilai arus diam adalah antara 4uA hingga 7uA. Sangat penting untuk memiliki nilai ini rendah atau nol jika perangkat tidak akan disambungkan ke beban untuk waktu yang lama.

On-Resistance: Semua rangkaian konverter boost akan melibatkan perangkat switching seperti MOSFET atau FET lain di dalamnya. Jika kita menggunakan IC konverter maka perangkat switching ini akan tertanam di dalam IC tersebut. Penting bahwa sakelar ini memiliki resistansi yang sangat rendah. Misalnya dalam desain kami di sini, IC BL8530 memiliki sakelar internal dengan resistansi 0,4Ω yang merupakan nilai yang layak. Resistansi ini akan menurunkan tegangan pada sakelar berdasarkan arus yang melewatinya (hukum Ohm) sehingga menurunkan efisiensi modul.

Ada banyak cara untuk meningkatkan voltase, beberapa di antaranya didemonstrasikan di Rangkaian Pengisi Daya kami di sini.

Diagram Sirkuit

Diagram rangkaian lengkap rangkaian booster 5V ditunjukkan di bawah ini, skema digambar menggunakan EasyEDA.

Seperti yang Anda lihat, rangkaian membutuhkan komponen yang sangat minimal karena semua kerja keras ditarik oleh IC BL8530. Ada banyak versi IC BL8530, yang digunakan di sini "BL8530-50" di mana 50 mewakili tegangan output 5V. Demikian pula IC BL8530-33 akan memiliki tegangan keluaran 3.3V sehingga dengan hanya mengganti IC ini kita dapat memperoleh tegangan keluaran yang dibutuhkan. Ada versi 2.5V, 3V, 4.2V, 5V dan bahkan 6V dari IC ini yang tersedia di pasaran. Dalam tutorial ini kita akan fokus pada versi 5V. IC hanya membutuhkan kapasitor, induktor dan Dioda bersama dengannya untuk beroperasi, mari kita lihat cara memilih komponen.

Pemilihan Komponen

Induktor: Pilihan nilai induktor yang tersedia untuk IC ini adalah bentuk 3uH hingga 1mH. Menggunakan nilai induktor yang tinggi akan menghasilkan arus keluaran yang tinggi dan efisiensi yang tinggi. Namun sisi negatifnya adalah membutuhkan tegangan input tinggi dari sel untuk beroperasi, jadi menggunakan nilai induktor yang tinggi mungkin tidak membuat rangkaian boost berfungsi sampai baterai benar-benar habis. Oleh karena itu trade off harus dilakukan antara arus keluaran dan arus masukan minimum yang keluar desain. Di sini saya telah menggunakan nilai 47uH karena saya membutuhkan arus keluaran tinggi, Anda dapat mengurangi nilai ini jika arus beban Anda kurang untuk desain Anda. Penting juga untuk memilih induktor dengan nilai ESR rendah untuk efisiensi tinggi desain Anda.

Kapasitor Output: Nilai kapasitor yang diizinkan adalah dari 47uF hingga 220uF. Fungsi kapasitor keluaran ini adalah untuk menyaring riak keluaran. Nilai ini harus ditentukan berdasarkan sifat beban. Jika itu adalah beban induktif maka kapasitor nilai tinggi direkomendasikan untuk beban resistif seperti untuk mikrokontroler atau sebagian besar sensor kapasitor nilai rendah akan berfungsi. Kelemahan penggunaan kapasitor bernilai tinggi adalah peningkatan biaya dan juga memperlambat sistem. Di sini saya telah menggunakan kapasitor tantalum 100uF, karena kapasitor tantalum lebih baik dalam kontrol riak daripada kapasitor keramik.

Dioda: Satu-satunya pertimbangan dengan dioda adalah bahwa ia harus memiliki penurunan tegangan rendah yang sangat maju. Diketahui bahwa dioda Schottky memiliki penurunan tegangan maju yang rendah daripada dioda penyearah normal. Oleh karena itu kami telah menggunakan dioda SS14D SMD yang memiliki penurunan tegangan maju kurang dari 0,2V.

Kapasitor input: Mirip dengan kapasitor output, kapasitor input dapat digunakan untuk mengontrol tegangan riak sebelum memasuki rangkaian boost. Tetapi di sini karena kami menggunakan baterai sebagai sumber tegangan kami, kami tidak memerlukan kapasitor Input untuk kontrol riak. Karena baterai pada dasarnya memberikan tegangan DC murni tanpa riak di dalamnya.

Komponen lainnya hanyalah komponen tambahan. Tempat baterai digunakan untuk menahan sel Koin dan port UCB disediakan untuk menghubungkan kabel USB langsung ke modul boost kami sehingga kami dapat dengan mudah memberi daya pada papan pengembangan umum seperti Arduino, ESP8266, ESP32 dll.

Desain dan Fabrikasi PCB menggunakan Easy EDA

Sekarang sirkuit Coin Cell Boost Converter sudah siap, sekarang saatnya membuatnya dibuat. Karena semua komponen di sini hanya tersedia dalam paket SMD, saya harus membuat PCB untuk sirkuit saya. Jadi, seperti biasa kami menggunakan alat EDA online bernama EasyEDA untuk membuat PCB kami karena sangat nyaman digunakan karena memiliki koleksi footprint yang bagus dan bersifat open-source.

Setelah mendesain PCB, kita dapat memesan sampel PCB melalui layanan fabrikasi PCB berbiaya rendah. Mereka juga menawarkan layanan sumber komponen di mana mereka memiliki stok besar komponen elektronik dan pengguna dapat memesan komponen yang diperlukan bersama dengan pesanan PCB.

Saat mendesain sirkuit dan PCB, Anda juga dapat membuat desain sirkuit dan PCB Anda menjadi publik sehingga pengguna lain dapat menyalin atau mengeditnya dan dapat memanfaatkan pekerjaan Anda, kami juga telah membuat seluruh layout Sirkuit dan PCB kami publik untuk sirkuit ini, periksa tautan di bawah ini:

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

Anda dapat melihat setiap Layer (Atas, Bawah, Topsilk, bottomsilk dll) dari PCB dengan memilih layer dari Window 'Layers'. Baru-baru ini mereka juga memperkenalkan opsi tampilan 3D sehingga Anda juga dapat melihat PCB pengukur tegangan Multicell, tentang bagaimana tampilannya setelah fabrikasi menggunakan tombol Tampilan 3D di EasyEDA:

Menghitung dan Memesan Sampel secara online

Setelah menyelesaikan perancangan rangkaian booster sel koin 5V ini, Anda dapat memesan PCB melalui JLCPCB.com. Untuk memesan PCB dari JLCPCB, Anda membutuhkan File Gerber. Untuk mendownload file Gerber dari PCB anda cukup klik tombol Generate Fabrication File di halaman editor EasyEDA, kemudian download file Gerber dari sana atau anda bisa klik Order di JLCPCB seperti gambar dibawah ini. Ini akan mengarahkan Anda ke JLCPCB.com, di mana Anda dapat memilih jumlah PCB yang ingin Anda pesan, berapa banyak lapisan tembaga yang Anda butuhkan, ketebalan PCB, berat tembaga, dan bahkan warna PCB, seperti gambar di bawah ini. Kabar baik lainnya adalah, sekarang Anda bisa mendapatkan semua warna PCB dengan harga yang sama dari JLCPCB. Jadi saya memutuskan untuk mendapatkan milik saya dalam warna hitam hanya untuk beberapa tampilan estetika, Anda dapat memilih warna favorit Anda.

Setelah mengklik pesan di tombol JLCPCB, Anda akan dibawa ke situs web JLCPCB di mana Anda dapat memesan PCB warna apa pun dengan harga yang sangat rendah yaitu $ 2 untuk semua warna. Waktu pembuatannya juga sangat kurang yaitu 48 jam dengan pengiriman DHL 3-5 hari, pada dasarnya Anda akan mendapatkan PCB dalam waktu seminggu setelah pemesanan. Selain itu, mereka juga menawarkan diskon $ 20 untuk pengiriman untuk pesanan pertama Anda.

Setelah memesan PCB, Anda dapat memeriksa Progres Produksi PCB Anda dengan tanggal dan waktu. Anda memeriksanya dengan masuk ke halaman Akun dan klik tautan "Progres Produksi" di bawah PCB seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Setelah beberapa hari memesan PCB, saya mendapatkan sampel PCB dalam kemasan yang bagus seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Menyiapkan Boost Converter PCB

Seperti yang dapat Anda lihat dari gambar di atas, papan itu dalam kondisi yang sangat baik dengan semua jejak kaki dan vias pada tempatnya pada ukuran yang dibutuhkan. Jadi, saya melanjutkan dengan menyolder semua komponen SMD di papan dan kemudian yang melalui lubang. Dalam beberapa menit PCB saya siap beraksi. Papan saya dengan semua komponen yang disolder dan sel koin ditunjukkan di bawah ini

Menguji Modul Penguat Sel Koin

Sekarang modul kita sudah siap dan diberdayakan, kita dapat mulai mengujinya. Output 5V yang ditingkatkan dari papan dapat diperoleh dari port USB atau melalui pin header pria di dekatnya. Saya menggunakan multimeter saya untuk mengukur tegangan keluaran dan seperti yang Anda lihat, itu mendekati 5V. Karenanya kita dapat menyimpulkan bahwa modul boost kita berfungsi dengan baik.

Modul ini sekarang dapat digunakan untuk menyalakan papan mikrokontroler atau untuk menyalakan sensor atau sirkuit kecil lainnya. Perlu diingat bahwa arus maksimum yang dapat dialirkannya hanya 200mA jadi jangan harap alat ini membawa beban berat. Namun saya senang dengan memberi daya pada papan Arduino dan papan ESP saya dengan modul kecil dan kompak ini. Gambar di bawah ini menunjukkan konverter penguat yang menyalakan Arduino dan STM.

Sama seperti modul catu daya papan tempat memotong roti sebelumnya, modul penguat sel koin ini juga akan ditambahkan ke inventaris saya sehingga saya dapat menggunakannya di semua proyek saya di masa mendatang di mana pun saya memerlukan sumber daya portabel yang ringkas. Semoga Anda menyukai proyek ini dan mempelajari sesuatu yang berguna dalam proses pembuatan modul ini. Pekerjaan lengkap dapat ditemukan di video yang ditautkan di bawah ini.

Jika Anda memiliki masalah dalam menyelesaikan sesuatu, jangan ragu untuk menjatuhkannya di bagian komentar atau gunakan forum kami untuk pertanyaan teknis lainnya.