Circuito convertidor elevador de celda única con celda de botón - salida de 5v

Las celdas de batería son la fuente de energía más utilizada para alimentar dispositivos electrónicos portátiles. Ya sea un simple reloj despertador o un nodo de sensor de IoT o un teléfono móvil complejo, todo funciona con baterías. En la mayoría de los casos, estos dispositivos portátiles deben tener un factor de forma pequeño (tamaño de paquete) y, por lo tanto, funcionan con una batería de una sola celda, como la popular celda de litio CR2032 o el otro polímero de litio de 3.7V o 18650 celdas. Estas celdas contienen alta energía para su tamaño, pero una desventaja común de estas celdas es su voltaje de funcionamiento. Una batería de litio típica tiene un voltaje nominal de 3.7V, pero este voltaje puede bajar hasta 2.8V cuando está completamente descargado y tan alto como 4.2V cuando está completamente cargada, lo cual no es muy deseable para nuestros diseños electrónicos que funcionan con 3.3 regulados. V o 5V como voltaje de funcionamiento.

Esto trae la necesidad de un convertidor elevador que pueda tomar esta variable de 2.8V a 4.2V como voltaje de entrada y regularla a 3.3V o 5V constantes. Afortunadamente, existe un IC llamado BL8530 que hace exactamente lo mismo con componentes externos mínimos. Entonces, en este proyecto construiremos un circuito de refuerzo de 5V de bajo costo que proporciona un voltaje de salida regulado constante de 5V desde una celda de botón CR2032; También diseñaremos una PCB compacta para este convertidor elevador para que pueda ser utilizado en todos nuestros futuros proyectos portátiles. La corriente de salida máxima del convertidor elevador será de 200 mAque es lo suficientemente bueno para alimentar microcontroladores y sensores básicos. Otra ventaja de este circuito es que, si su proyecto requiere un 3.3V regulado en lugar de 5V, el mismo circuito también se puede usar para regular 3.3V simplemente intercambiando un componente. Este circuito también puede funcionar como Power Bank para encender pequeñas placas como Arduino, STM32, MSP430, etc. Anteriormente construimos un tipo similar de convertidor boost usando una batería de litio para cargar un teléfono celular.

Materiales necesarios

CI de refuerzo BL8530-5V (SOT89)
Inductor 47uH (5 mm SMD)
Diodo SS14 (SMD)
Condensador de tantalio 1000uF 16V (SMD)
Titular de la celda de moneda
Conector USB hembra

Consideraciones de diseño del convertidor elevador de celda única

Los requisitos de diseño para un convertidor Boost de celda única serán diferentes de los de un convertidor boost ordinario. Esto se debe a que aquí la energía de una batería (celda de moneda) se eleva a voltaje de salida para que nuestro dispositivo funcione. Por lo tanto, se debe tener cuidado de que el circuito de refuerzo utilice el máximo de la batería con alta eficiencia para mantener el dispositivo encendido durante el mayor tiempo posible. Al seleccionar el IC de refuerzo para sus diseños, puede considerar los siguientes cuatro parámetros. También puede leer el artículo sobre Boost Regulator Design para saber más al respecto.

Voltaje de arranque: Este es el voltaje de entrada mínimo requerido de la batería para que el convertidor elevador comience a funcionar. Cuando enciende el convertidor elevador, la batería debería al menos poder proporcionar este voltaje de arranque para que funcione el amplificador. En nuestro diseño, el voltaje de arranque requerido es de 0,8 V, lo que está por debajo de cualquier voltaje de celda de moneda completamente descargado.

Voltaje de retención: una vez que el dispositivo se alimenta con su circuito de refuerzo, el voltaje de la batería comenzará a disminuir ya que está dando energía. El voltaje hasta el cual un IC de refuerzo mantendrá su rendimiento se llama voltaje de retención. Por debajo de este voltaje, el IC dejará de funcionar y no obtendremos voltaje de salida. Tenga en cuenta que el voltaje de retención siempre será menor que el voltaje de arranque. Es decir, el IC requerirá más voltaje para comenzar su funcionamiento y durante su estado de funcionamiento puede agotar la batería muy por debajo de eso. El voltaje de retención en nuestro circuito es de 0,7 V.

Corriente de reposo: La cantidad de corriente que nuestro circuito de refuerzo está consumiendo (desperdiciando) incluso cuando no hay carga conectada en el lado de salida se denomina corriente de reposo. Este valor debe ser lo más bajo posible, para nuestro IC, el valor de la corriente de reposo está entre 4uA y 7uA. Es muy importante tener este valor bajo o cero si el dispositivo no se va a conectar a la carga durante mucho tiempo.

On-Resistance: Todo circuito convertidor de refuerzo involucrará un dispositivo de conmutación como MOSFET u otros FET en él. Si usamos un IC convertidor, este dispositivo de conmutación estará integrado dentro del IC. Es importante que este interruptor tenga una resistencia de encendido muy baja. Por ejemplo, en nuestro diseño aquí, el IC BL8530 tiene un interruptor interno con una resistencia de encendido de 0.4Ω, que es un valor decente. Esta resistencia hará caer un voltaje a través del interruptor en función de la corriente que lo atraviesa (ley de Ohm), disminuyendo así la eficiencia del módulo.

Hay muchas formas de aumentar el voltaje, algunas de ellas se muestran en nuestra serie de circuitos de carga aquí.

Diagrama de circuito

El diagrama de circuito completo para el circuito de refuerzo de 5 V se muestra a continuación, los esquemas se dibujaron con EasyEDA.

Como puede ver, el circuito requiere componentes mínimos ya que todo el trabajo duro lo realiza el BL8530 IC. Hay muchas versiones de BL8530 IC, la que se usa aquí “BL8530-50” donde 50 representa el voltaje de salida 5V. De manera similar, el IC BL8530-33 tendrá un voltaje de salida de 3.3V, por lo tanto, con solo reemplazar este IC, podemos obtener el voltaje de salida requerido. Hay versiones de 2.5V, 3V, 4.2V, 5V e incluso 6V de este IC disponibles en el mercado. En este tutorial nos centraremos en la versión de 5V. El IC requiere solo un capacitor, inductor y diodo junto con él para operar, veamos cómo seleccionar los componentes.

Selección de componentes

Inductor: La opción disponible de valor de inductor para este IC es de 3uH a 1mH. El uso de un inductor de alto valor proporcionará una alta corriente de salida y una alta eficiencia. Sin embargo, la desventaja es que requiere un alto voltaje de entrada de la celda para funcionar, por lo que el uso de un valor de inductor alto podría no hacer que el circuito de refuerzo funcione hasta que la batería esté completamente descargada. Por lo tanto, se debe realizar una compensación entre la corriente de salida y la corriente de entrada mínima en el diseño. Aquí he usado un valor de 47uH ya que necesito una corriente de salida alta, puede reducir este valor si su corriente de carga será menor para su diseño. También es importante seleccionar un inductor con un valor de ESR bajo para una alta eficiencia de su diseño.

Condensador de salida: el valor permitido del condensador es de 47 uF a 220 uF. La función de este condensador de salida es filtrar las ondas de salida. El valor de esto debe decidirse en función de la naturaleza de la carga. Si se trata de una carga inductiva, se recomienda un condensador de alto valor para cargas resistivas, como microcontroladores, o la mayoría de los sensores funcionarán con condensadores de bajo valor. El inconveniente de utilizar condensadores de alto valor es un mayor costo y también ralentiza el sistema. Aquí he usado un capacitor de tantalio de 100uF, ya que los capacitores de tantalio son mejores en el control de ondulación que los capacitores cerámicos.

Diodo: la única consideración con el diodo es que debe tener una caída de voltaje muy baja hacia adelante. Se sabe que los diodos Schottky tienen bajas caídas de voltaje directo que los diodos rectificadores normales. Por lo tanto, hemos utilizado el diodo SS14D SMD que tiene una caída de voltaje directo de menos de 0.2V.

Condensador de entrada: similar al condensador de salida, se puede usar un condensador de entrada para controlar los voltajes de ondulación antes de ingresar al circuito de refuerzo. Pero aquí, dado que estamos usando baterías como nuestras fuentes de voltaje, no necesitaremos un capacitor de entrada para el control de ondulación. Porque las baterías por naturaleza proporcionan voltaje de CC puro sin ninguna ondulación en ellas.

Los otros componentes son solo auxiliares. El soporte de la batería se usa para sostener la celda de moneda y el puerto UCB se proporciona para conectar cables USB directamente a nuestro módulo de impulso para que podamos alimentar fácilmente placas de desarrollo comunes como Arduino, ESP8266, ESP32, etc.

Diseño y fabricación de PCB con Easy EDA

Ahora que el circuito convertidor Coin Cell Boost está listo, es hora de fabricarlo. Dado que todos los componentes aquí están disponibles solo en el paquete SMD, tuve que fabricar una PCB para mi circuito. Entonces, como siempre, hemos usado la herramienta EDA en línea llamada EasyEDA para fabricar nuestra PCB porque es muy conveniente de usar ya que tiene una buena colección de huellas y es de código abierto.

Después de diseñar la PCB, podemos solicitar las muestras de PCB mediante sus servicios de fabricación de PCB de bajo costo. También ofrecen un servicio de abastecimiento de componentes donde tienen un gran stock de componentes electrónicos y los usuarios pueden solicitar los componentes necesarios junto con el pedido de PCB.

Mientras diseña sus circuitos y PCB, también puede hacer públicos sus diseños de circuitos y PCB para que otros usuarios puedan copiarlos o editarlos y puedan beneficiarse de su trabajo, también hemos hecho públicos todos nuestros diseños de circuitos y PCB para este circuito, verifique el siguiente enlace:

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

Puede ver cualquier Capa (Superior, Inferior, Topsilk, bottomsilk, etc.) de la PCB seleccionando la capa de la Ventana 'Capas'. Recientemente también han introducido una opción de vista 3D para que también pueda ver la PCB de medición de voltaje multicelda, sobre cómo se verá después de la fabricación usando el botón Vista 3D en EasyEDA:

Cálculo y pedido de muestras en línea

Después de completar el diseño de este circuito de refuerzo de celda de moneda de 5 V, puede solicitar el PCB a través de JLCPCB.com. Para pedir el PCB de JLCPCB, necesita Gerber File. Para descargar archivos Gerber de su PCB, simplemente haga clic en el botón Generar archivo de fabricación en la página del editor EasyEDA, luego descargue el archivo Gerber desde allí o puede hacer clic en Solicitar en JLCPCB como se muestra en la imagen de abajo. Esto lo redireccionará a JLCPCB.com, donde puede seleccionar la cantidad de PCB que desea pedir, cuántas capas de cobre necesita, el grosor de la PCB, el peso del cobre e incluso el color de la PCB, como la instantánea que se muestra a continuación. Otra buena noticia es que ahora puede obtener todos los PCB de color al mismo precio de JLCPCB. Así que decidí conseguir el mío en color negro solo por un aspecto estético, puedes elegir tu color favorito.

Después de hacer clic en el botón de pedido en JLCPCB, lo llevará al sitio web de JLCPCB, donde puede solicitar cualquier PCB de color a una tarifa muy baja, que es de $ 2 por todos los colores. Su tiempo de construcción también es muy inferior, que es de 48 horas con una entrega de DHL de 3-5 días, básicamente obtendrá sus PCB dentro de una semana de realizar el pedido. Además, también ofrecen un descuento de $ 20 en el envío de su primer pedido.

Después de pedir la PCB, puede verificar el progreso de producción de su PCB con fecha y hora. Puede verificarlo yendo a la página Cuenta y haciendo clic en el enlace "Progreso de producción" debajo de la PCB como se muestra en la imagen de abajo.

Después de unos días de ordenar PCB, obtuve las muestras de PCB en un buen empaque como se muestra en las imágenes a continuación.

Preparar la PCB del convertidor Boost

Como puede ver en las imágenes de arriba, el tablero estaba en muy buena forma y todas las huellas y vías estaban colocadas en el tamaño exacto requerido. Entonces, procedí a soldar todos los componentes SMD en la placa y luego los del orificio pasante. En unos minutos, mi PCB estará lista para la acción. Mi placa con todos los componentes soldados y la celda de moneda se muestra a continuación

Prueba del módulo de refuerzo de celda de moneda

Ahora que nuestro módulo está configurado y encendido, podemos comenzar a probarlo. La salida reforzada de 5 V de la placa se puede obtener desde el puerto USB o a través del pin de encabezado macho cercano. Usé mi multímetro para medir el voltaje de salida y, como pueden ver, estaba cerca de los 5V. Por lo tanto, podemos concluir que nuestro módulo de impulso está funcionando correctamente.

Este módulo ahora se puede utilizar para alimentar placas de microcontroladores o para alimentar otros pequeños sensores o circuitos. Tenga en cuenta que la corriente máxima que puede entregar es de solo 200 mA, por lo que no espere que conduzca cargas pesadas. Sin embargo, estaba feliz de alimentar mis placas Arduino y placas ESP con este módulo pequeño y compacto. Las siguientes imágenes muestran el convertidor boost que alimenta Arduino y STM.

Al igual que el módulo de fuente de alimentación de placa de pruebas anterior, este módulo de refuerzo de celda de moneda también se agregará a mi inventario para que pueda usarlo en todos mis proyectos futuros donde necesite una fuente de energía compacta portátil. Espero que les haya gustado el proyecto y hayan aprendido algo útil en el proceso de construcción de este módulo. El trabajo completo se puede encontrar en el video vinculado a continuación.

Si tiene algún problema para que las cosas funcionen, no dude en dejarlo en la sección de comentarios o utilizar nuestros foros para otras preguntas técnicas.