Einzelzellen-Aufwärtswandlerschaltung mit Knopfzelle - 5-V-Ausgang

Batteriezellen sind die am häufigsten verwendete Energiequelle für die Stromversorgung tragbarer Elektronik. Sei es ein einfacher Wecker oder ein IoT-Sensorknoten oder ein komplexes Mobiltelefon, alles wird mit Batterien betrieben. In den meisten Fällen müssen diese tragbaren Geräte einen kleinen Formfaktor (Gehäusegröße) haben und werden daher von einer Einzelzellenbatterie wie der beliebten CR2032-Lithiumzelle oder dem anderen 3,7-V-Lithiumpolymer oder 18650-Zellen gespeist. Diese Zellen haben aufgrund ihrer Größe viel Energie, aber ein häufiger Nachteil dieser Zellen ist ihre Betriebsspannung. Eine typische Lithiumbatterie hat eine Nennspannung von 3,7 V, aber diese Spannung kann bei voller Entleerung bis zu 2,8 V und bei voller Ladung bis zu 4,2 V abfallen, was für unsere Elektronikkonstruktionen, die entweder mit geregelten 3,3 arbeiten, nicht sehr wünschenswert ist V oder 5V als Betriebsspannung.

Dies erfordert einen Aufwärtswandler, der diese Variable 2,8 V bis 4,2 V als Eingangsspannung aufnehmen und auf konstant 3,3 V oder 5 V regeln kann. Zum Glück gibt es einen IC namens BL8530, der genau das Gleiche mit nur minimalen externen Komponenten tut. In diesem Projekt werden wir daher eine kostengünstige 5-V-Booster-Schaltung bauen, die eine konstant geregelte Ausgangsspannung von 5 V aus einer CR2032-Knopfzelle liefert . Wir werden auch eine kompakte Leiterplatte für diesen Aufwärtswandler entwerfen, damit er in all unseren zukünftigen tragbaren Projekten verwendet werden kann. Der maximale Ausgangsstrom des Aufwärtswandlers beträgt 200 mADas ist gut genug, um grundlegende Mikrocontroller und Sensoren mit Strom zu versorgen. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass, wenn für Ihr Projekt geregelte 3,3 V anstelle von 5 V erforderlich sind, dieselbe Schaltung auch zur Regelung von 3,3 V verwendet werden kann, indem nur eine Komponente ausgetauscht wird. Diese Schaltung kann auch als Power Bank zum Einschalten kleiner Karten wie Arduino, STM32, MSP430 usw. verwendet werden. Wir haben zuvor ähnliche Aufwärtswandler mit Lithiumbatterie zum Laden eines Mobiltelefons gebaut.

Erforderliche Materialien

BL8530-5V Booster IC (SOT89)
47uH Induktor (5 mm SMD)
SS14-Diode (SMD)
1000uF 16V Tantalkondensator (SMD)
Münzzellenhalter
USB-Buchse

Überlegungen zum Design des Einzelzellen-Aufwärtswandlers

Die Konstruktionsanforderungen für einen Einzelzellen-Aufwärtswandler unterscheiden sich von denen eines normalen Aufwärtswandlers. Dies liegt daran, dass hier die Energie einer Batterie (Knopfzelle) auf die Ausgangsspannung angehoben wird, damit unser Gerät funktioniert. Es sollte daher darauf geachtet werden, dass die Booster-Schaltung das Maximum der Batterie mit hohem Wirkungsgrad nutzt, um das Gerät so lange wie möglich eingeschaltet zu halten. Bei der Auswahl des Booster-IC für Ihre Designs können Sie die folgenden vier Parameter berücksichtigen. Sie können auch den Artikel über Boost Regulator Design lesen, um mehr darüber zu erfahren.

Startspannung: Dies ist die minimal erforderliche Eingangsspannung der Batterie, damit der Aufwärtswandler seinen Betrieb aufnehmen kann. Wenn Sie den Aufwärtswandler einschalten, sollte die Batterie zumindest in der Lage sein, diese Startspannung bereitzustellen, damit Ihr Booster funktioniert. In unserem Design beträgt die erforderliche Startspannung 0,8 V und liegt damit weit unter jeder vollständig entladenen Knopfzellenspannung.

Haltespannung: Sobald das Gerät mit Ihrem Boost-Stromkreis betrieben wird, beginnt die Batteriespannung abzunehmen, da es Strom abgibt. Die Spannung, bis zu der ein Booster-IC seine Leistung hält, wird als Haltespannung bezeichnet. Unterhalb dieser Spannung stoppt der IC die Funktion und wir erhalten keine Ausgangsspannung. Beachten Sie, dass die Haltespannung immer niedriger als die Startspannung ist. Das heißt, der IC benötigt mehr Spannung, um seinen Betrieb aufzunehmen, und während seines Betriebszustands kann er die Batterie weit darunter entladen. Die Haltespannung in unserer Schaltung beträgt 0,7V.

Ruhestrom: Die Strommenge, die unser Booster-Schaltkreis verbraucht (verschwendet), auch wenn auf der Ausgangsseite keine Last angeschlossen ist, wird als Ruhestrom bezeichnet. Dieser Wert sollte so niedrig wie möglich sein. Für unseren IC liegt der Wert des Ruhestroms zwischen 4uA und 7uA. Es ist sehr wichtig, diesen Wert niedrig oder Null zu haben, wenn das Gerät längere Zeit nicht an die Last angeschlossen werden soll.

Einschaltwiderstand : Alle Aufwärtswandlerschaltungen enthalten eine Schaltvorrichtung wie einen MOSFET oder andere FETs. Wenn wir einen Wandler-IC verwenden, wird dieses Schaltgerät in den IC eingebettet. Es ist wichtig, dass dieser Schalter einen sehr geringen Einschaltwiderstand aufweist. Zum Beispiel hat der IC BL8530 in unserem Design hier einen internen Schalter mit einem Einschaltwiderstand von 0,4 Ω, was ein anständiger Wert ist. Dieser Widerstand senkt eine Spannung über dem Schalter basierend auf dem durch ihn fließenden Strom (Ohmsches Gesetz), wodurch der Wirkungsgrad des Moduls verringert wird.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Spannung zu erhöhen. Einige davon werden in unserer Ladeschaltungsserie hier gezeigt.

Schaltplan

Das vollständige Schaltbild für die 5-V-Booster-Schaltung ist unten dargestellt. Die Schaltpläne wurden mit EasyEDA erstellt.

Wie Sie sehen können, erfordert die Schaltung nur sehr minimale Komponenten, da die gesamte harte Arbeit vom BL8530-IC ausgeführt wird. Es gibt viele Versionen des BL8530 IC, die hier verwendete „BL8530-50“, wobei 50 die Ausgangsspannung 5 V darstellt. In ähnlicher Weise hat der IC BL8530-33 eine Ausgangsspannung von 3,3 V, daher können wir durch einfaches Ersetzen dieses IC die erforderliche Ausgangsspannung erhalten. Es gibt 2,5 V-, 3 V-, 4,2 V-, 5 V- und sogar 6 V-Versionen dieses ICs auf dem Markt. In diesem Tutorial konzentrieren wir uns auf die 5V-Version. Der IC benötigt zum Betrieb nur einen Kondensator, eine Induktivität und eine Diode. Sehen wir uns an, wie die Komponenten ausgewählt werden.

Auswahl der Komponenten

Induktor: Die verfügbare Wahl des Induktorwerts für diesen IC liegt zwischen 3uH und 1mH. Die Verwendung eines hohen Induktivitätswerts liefert einen hohen Ausgangsstrom und einen hohen Wirkungsgrad. Der Nachteil ist jedoch, dass für den Betrieb eine hohe Eingangsspannung von der Zelle erforderlich ist. Wenn Sie also einen hohen Induktivitätswert verwenden, funktioniert der Boost-Schaltkreis möglicherweise erst, wenn die Batterie vollständig entladen ist. Daher muss bei der Auslegung ein Kompromiss zwischen dem Ausgangsstrom und dem minimalen Eingangsstrom hergestellt werden. Hier habe ich einen Wert von 47uH verwendet, da ich einen hohen Ausgangsstrom benötige. Sie können diesen Wert reduzieren, wenn Ihr Laststrom für Ihre Konstruktion geringer ist. Es ist auch wichtig, einen Induktor mit niedrigem ESR-Wert auszuwählen, um eine hohe Effizienz Ihres Designs zu erzielen.

Ausgangskondensator: Der zulässige Wert des Kondensators liegt zwischen 47 uF und 220 uF. Die Funktion dieses Ausgangskondensators besteht darin, Ausgangswelligkeiten zu filtern. Der Wert sollte auf der Grundlage der Art der Last festgelegt werden. Wenn es sich um eine induktive Last handelt, wird ein Kondensator mit hohem Wert für ohmsche Lasten empfohlen, z. B. für Mikrocontroller, oder die meisten Sensoren mit niedrigem Wert funktionieren. Der Nachteil der Verwendung eines hochwertigen Kondensators sind erhöhte Kosten und eine Verlangsamung des Systems. Hier habe ich einen 100uF-Tantalkondensator verwendet, da Tantalkondensatoren eine bessere Welligkeitskontrolle aufweisen als Keramikkondensatoren.

Diode: Die einzige Überlegung bei Dioden ist, dass sie einen sehr vorwärts gerichteten niedrigen Spannungsabfall haben sollten. Es ist bekannt, dass Schottky-Dioden geringe Durchlassspannungsabfälle aufweisen als normale Gleichrichterdioden. Daher haben wir die SS14D-SMD-Diode verwendet, deren Durchlassspannungsabfall weniger als 0,2 V beträgt.

Eingangskondensator: Ähnlich wie beim Ausgangskondensator kann ein Eingangskondensator verwendet werden, um die Welligkeitsspannungen vor dem Eintritt in die Boost-Schaltung zu steuern. Da wir hier jedoch Batterie als Spannungsquelle verwenden, benötigen wir keinen Eingangskondensator für die Welligkeitsregelung. Weil Batterien von Natur aus reine Gleichspannung ohne Welligkeit liefern.

Die anderen Komponenten sind nur Hilfskomponenten. Der Batteriehalter dient zum Halten der Münzzelle und der UCB-Anschluss dient zum direkten Anschließen von USB-Kabeln an unser Boost-Modul, sodass wir gängige Entwicklungsplatinen wie Arduino, ESP8266, ESP32 usw. problemlos mit Strom versorgen können

PCB Design und Herstellung mit Easy EDA

Jetzt, da die Schaltung des Coin Cell Boost Converter fertig ist, ist es Zeit, sie herzustellen. Da alle Komponenten hier nur im SMD-Paket verfügbar sind, musste ich eine Leiterplatte für meine Schaltung herstellen. Wie immer haben wir das Online-EDA-Tool EasyEDA verwendet, um unsere Leiterplatte herzustellen, da es sehr bequem zu verwenden ist, da es eine gute Sammlung von Fußabdrücken aufweist und Open Source ist.

Nach dem Entwurf der Leiterplatte können wir die Leiterplattenmuster über ihre kostengünstigen Leiterplattenherstellungsdienste bestellen. Sie bieten auch einen Komponentenbeschaffungsservice an, bei dem sie über einen großen Bestand an elektronischen Komponenten verfügen und Benutzer ihre erforderlichen Komponenten zusammen mit der Leiterplattenbestellung bestellen können.

Während Sie Ihre Schaltungen und Leiterplatten entwerfen, können Sie auch Ihre Schaltungs- und Leiterplattenentwürfe veröffentlichen, damit andere Benutzer sie kopieren oder bearbeiten und von Ihrer Arbeit profitieren können. Wir haben auch unsere gesamten Schaltungs- und Leiterplattenlayouts für diese Schaltung veröffentlicht der folgende Link:

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

Sie können jede Ebene (oben, unten, Oberseide, untere Seide usw.) der Leiterplatte anzeigen, indem Sie die Ebene aus dem Fenster "Ebenen" auswählen. Kürzlich haben sie auch eine 3D-Ansichtsoption eingeführt, mit der Sie auch die Multicell-Spannungsmessplatine anzeigen können, wie sie nach der Herstellung mit der Schaltfläche 3D-Ansicht in EasyEDA aussehen wird:

Muster online berechnen und bestellen

Nachdem Sie das Design dieser 5-V- Knopfzellen- Booster-Schaltung abgeschlossen haben, können Sie die Leiterplatte über JLCPCB.com bestellen. Um die Platine bei JLCPCB zu bestellen, benötigen Sie Gerber File. Um Gerber-Dateien von Ihrer Leiterplatte herunterzuladen, klicken Sie einfach auf der EasyEDA-Editor-Seite auf die Schaltfläche Generate Fabrication File (Fertigungsdatei generieren) und laden Sie dann die Gerber-Datei von dort herunter, oder klicken Sie auf Order at JLCPCB (siehe Abbildung unten). Dadurch werden Sie zu JLCPCB.com weitergeleitet, wo Sie die Anzahl der zu bestellenden Leiterplatten, die Anzahl der benötigten Kupferschichten, die Leiterplattenstärke, das Kupfergewicht und sogar die Leiterplattenfarbe auswählen können (siehe Abbildung unten). Eine weitere gute Nachricht ist, dass Sie jetzt alle Farbplatinen zum gleichen Preis bei JLCPCB erhalten können. Also habe ich beschlossen, meine in schwarzer Farbe zu bekommen, nur um einen ästhetischen Look zu erzielen. Sie können Ihre Lieblingsfarbe auswählen.

Nachdem Sie auf die Schaltfläche JLCPCB bestellen geklickt haben, gelangen Sie zur JLCPCB-Website, auf der Sie jede Farbplatine zu einem sehr günstigen Preis bestellen können, der für alle Farben 2 US-Dollar beträgt. Ihre Bauzeit ist auch sehr viel kürzer, was 48 Stunden bei einer DHL-Lieferung von 3-5 Tagen beträgt. Grundsätzlich erhalten Sie Ihre Leiterplatten innerhalb einer Woche nach der Bestellung. Darüber hinaus bieten sie bei Ihrer ersten Bestellung einen Rabatt von 20 USD auf den Versand.

Nach der Bestellung der Leiterplatte können Sie den Produktionsfortschritt Ihrer Leiterplatte mit Datum und Uhrzeit überprüfen . Sie überprüfen dies, indem Sie auf der Kontoseite auf den Link "Produktionsfortschritt" unter der Leiterplatte klicken (siehe Abbildung unten).

Nachdem ich einige Tage lang Leiterplatten bestellt hatte, erhielt ich die Leiterplattenmuster in einer schönen Verpackung, wie in den folgenden Abbildungen gezeigt.

Vorbereitung der Boost Converter-Platine

Wie Sie den obigen Bildern entnehmen können, war das Board in einem sehr guten Zustand, sodass alle Fußabdrücke und Durchkontaktierungen genau die erforderliche Größe hatten. Also löte ich alle SMD-Komponenten auf der Platine und dann die Durchgangslöcher. Innerhalb weniger Minuten ist meine Platine einsatzbereit. Meine Platine mit allen gelöteten Komponenten und der Knopfzelle ist unten abgebildet

Testen des Coin Cell Booster-Moduls

Nachdem unser Modul eingerichtet und mit Strom versorgt ist, können wir mit dem Testen beginnen. Der verstärkte 5-V-Ausgang der Karte kann entweder über den USB-Anschluss oder über den Stecker in der Nähe des Steckers bezogen werden. Ich habe mein Multimeter verwendet, um die Ausgangsspannung zu messen, und wie Sie sehen können, lag sie nahe bei 5 V. Daraus können wir schließen, dass unser Boost-Modul ordnungsgemäß funktioniert.

Dieses Modul kann jetzt zur Stromversorgung von Mikrocontroller-Karten oder zur Stromversorgung anderer kleiner Sensoren oder Schaltkreise verwendet werden. Denken Sie daran, dass der maximale Strom, den es liefern kann, nur 200 mA beträgt. Erwarten Sie also nicht, dass es schwere Lasten antreibt. Ich war jedoch zufrieden damit, meine Arduino-Boards und ESP-Boards mit diesem kleinen und kompakten Modul zu versorgen. Die folgenden Bilder zeigen den Aufwärtswandler , der Arduino und STM mit Strom versorgt.

Genau wie das vorherige Steckbrett-Netzteilmodul wird auch dieses Knopfzellen-Booster-Modul in mein Inventar aufgenommen, damit ich es in all meinen zukünftigen Projekten überall dort verwenden kann, wo ich eine tragbare kompakte Stromquelle benötige. Ich hoffe, Ihnen hat das Projekt gefallen und Sie haben beim Aufbau dieses Moduls etwas Nützliches gelernt. Die komplette Arbeit finden Sie in dem unten verlinkten Video.

Wenn Sie Probleme haben, Dinge zum Laufen zu bringen, können Sie sie im Kommentarbereich ablegen oder unsere Foren für andere technische Fragen nutzen.