코인 셀을 사용하는 단일 셀 부스트 컨버터 회로 – 5v 출력

배터리 셀은 휴대용 전자 제품에 전력을 공급하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 에너지 원입니다. 단순한 알람 시계 든 IoT 센서 노드 든 복잡한 휴대폰이든 모든 것이 배터리로 구동됩니다. 대부분의 경우 이러한 휴대용 장치는 소형 폼 팩터 (패키지 크기)를 가져야하므로 인기있는 CR2032 리튬 셀이나 기타 3.7V 리튬 폴리머 또는 18650 셀과 같은 단일 셀 배터리로 전원이 공급됩니다. 이 셀은 크기에 비해 높은 에너지로 포장되지만 이러한 셀의 일반적인 단점은 작동 전압입니다. 일반적인 리튬 배터리의 공칭 전압은 3.7V이지만,이 전압은 완전히 방전되면 2.8V까지 내려갈 수 있고 완전히 충전되면 4.2V까지 낮아질 수 있습니다. 이는 규제 3.3에서 작동하는 전자 설계에는 그리 바람직하지 않습니다. 작동 전압으로 V 또는 5V.

이로 인해이 가변 2.8V ~ 4.2V를 입력 전압으로 받아 일정한 3.3V 또는 5V로 조절할 수있는 부스트 컨버터가 필요합니다. 고맙게도 BL8530 이라는 IC가 존재하지만 최소한의 외부 부품으로 정확히 똑같이 작동합니다. 따라서이 프로젝트 에서는 CR2032 코인 셀에서 5V 의 일정한 출력 전압을 제공하는 저렴한 5V 부스터 회로 를 구축 할 것입니다 . 또한 이 부스트 컨버터를위한 소형 PCB를 설계하여 향후 모든 휴대용 프로젝트에 사용할 수 있습니다. 부스트 컨버터의 최대 출력 전류는 200mA입니다.기본 마이크로 컨트롤러와 센서에 전력을 공급하기에 충분합니다. 이 회로의 또 다른 장점은 프로젝트에 5V 대신 조정 된 3.3V가 필요한 경우 동일한 회로를 사용하여 하나의 구성 요소를 교체하여 3.3V를 조정할 수도 있다는 것입니다. 이 회로는 Arduino, STM32, MSP430 등과 같은 소형 보드에 전원을 공급하는 Power Bank 로도 작동 할 수 있습니다. 이전에는 리튬 배터리를 사용하여 휴대폰을 충전하는 유사한 종류의 부스트 컨버터를 구축했습니다.

필요한 재료

• BL8530-5V 부스터 IC (SOT89)
• 47uH 인덕터 (5mm SMD)
• SS14 다이오드 (SMD)
• 1000uF 16V 탄탈륨 커패시터 (SMD)
• 코인 셀 홀더
• USB 암 커넥터

단일 셀 부스트 컨버터 설계 고려 사항

단일 셀 부스트 컨버터의 설계 요구 사항은 일반 부스트 컨버터의 요구 사항과 다릅니다. 여기에서 배터리 (코인 셀)의 에너지가 장치가 작동 할 수 있도록 출력 전압으로 증폭되기 때문입니다. 따라서 부스터 회로는 가능한 한 오랫동안 장치에 전원을 공급하기 위해 고효율로 배터리를 최대한 활용하도록주의해야합니다. 설계를위한 부스터 IC를 선택할 때 다음 네 가지 매개 변수를 고려할 수 있습니다. 부스트 레귤레이터 설계에 대한 기사를 읽고 더 많은 것을 알 수 있습니다.

시동 전압: 이것은 부스트 ​​컨버터가 작동을 시작하는 데 필요한 배터리의 최소 입력 전압입니다. 부스트 컨버터의 전원을 켤 때 배터리는 적어도 부스터가 작동하도록이 시작 전압을 제공 할 수 있어야합니다. 우리의 설계에서 필요한 시동 전압은 0.8V로 완전히 방전 된 코인 셀 전압보다 낮습니다.

홀드 온 전압: 부스트 회로로 장치에 전원이 공급되면 전원을 공급하기 때문에 배터리 전압이 감소하기 시작합니다. 부스터 IC가 성능을 유지할 때까지의 전압을 홀드 온 전압이라고합니다. 이 전압 이하에서는 IC가 기능을 중지하고 출력 전압을 얻지 못합니다. 홀드 온 전압은 항상 시동 전압보다 낮습니다. 즉, IC는 작동을 시작하는 데 더 많은 전압이 필요하며 작동 상태에서 그 이하로 배터리를 소모 할 수 있습니다. 우리 회로의 유지 전압은 0.7V입니다.

무부하 전류: 출력측에 부하가 연결되지 않은 경우에도 부스터 회로가 소비하는 전류의 양을 무부하 전류라고합니다. 이 값은 가능한 한 낮아야합니다. IC의 경우 대기 전류 값은 4uA에서 7uA 사이입니다. 장치가 오랫동안 부하에 연결되지 않을 경우이 값을 낮게 또는 0으로 설정하는 것이 매우 중요합니다.

온 저항: 모든 부스트 컨버터 회로에는 MOSFET 또는 기타 FET와 같은 스위칭 장치가 포함됩니다. 컨버터 IC를 사용하는 경우이 스위칭 장치는 IC 내부에 내장됩니다. 이 스위치는 온 저항이 매우 낮은 것이 중요합니다. 예를 들어 여기 설계에서 IC BL8530에는 온 저항이 0.4Ω 인 내부 스위치가 있으며 이는 적절한 값입니다. 이 저항은 스위치를 통과하는 전류 (옴 법칙)에 따라 스위치의 전압을 떨어 뜨려 모듈의 효율성을 떨어 뜨립니다.

전압을 높이는 방법에는 여러 가지가 있으며 그중 일부는 여기의 충전기 회로 시리즈에서 설명합니다.

회로도

5V 부스터 회로 의 전체 회로 다이어그램 은 아래에 나와 있으며 회로도는 EasyEDA를 사용하여 그려졌습니다.

보시다시피 회로에는 모든 노력이 BL8530 IC에 의해 이루어지기 때문에 매우 최소한의 구성 요소가 필요합니다. BL8530 IC에는 여러 버전이 있으며 여기에서 사용되는 버전은 "BL8530-50"이며 여기서 50은 출력 전압 5V를 나타냅니다. 마찬가지로 IC BL8530-33은 3.3V의 출력 전압을 가지므로이 IC를 교체하기 만하면 필요한 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 이 IC의 2.5V, 3V, 4.2V, 5V 및 심지어 6V 버전이 시장에 나와 있습니다. 이 튜토리얼에서는 5V 버전에 중점을 둘 것입니다. IC는 작동을 위해 커패시터, 인덕터 및 다이오드 만 필요합니다. 구성 요소를 선택하는 방법을 살펴 보겠습니다.

구성 요소 선택

인덕터: 이 IC에 사용할 수있는 인덕터 값은 3uH ~ 1mH 형식 입니다. 높은 값의 인덕터를 사용하면 높은 출력 전류와 높은 효율을 얻을 수 있습니다. 그러나 단점은 작동하기 위해 셀에서 높은 입력 전압이 필요하므로 높은 인덕터 값을 사용하면 배터리가 완전히 방전 될 때까지 부스트 회로가 작동하지 않을 수 있다는 것입니다. 따라서 출력 전류와 출력 설계에서 최소 입력 전류간에 트레이드 오프를 수행해야합니다. 여기서는 높은 출력 전류가 필요하기 때문에 47uH 값을 사용했습니다. 부하 전류가 설계에 맞지 않을 경우이 값을 줄일 수 있습니다. 설계의 고효율을 위해 ESR 값이 낮은 인덕터를 선택하는 것도 중요합니다.

출력 커패시터: 커패시터 의 허용 값은 47uF ~ 220uF입니다. 이 출력 커패시터의 기능은 출력 리플을 필터링하는 것입니다. 이 값은 부하의 특성에 따라 결정되어야합니다. 유도 성 부하 인 경우 마이크로 컨트롤러와 같은 저항성 부하에 높은 값의 커패시터가 권장되거나 대부분의 센서 낮은 값 커패시터가 작동합니다. 고가 커패시터 사용의 단점은 비용이 증가하고 시스템 속도도 느려진다는 것입니다. 탄탈 커패시터는 세라믹 커패시터보다 리플 제어가 더 낫기 때문에 여기서는 100uF 탄탈 커패시터를 사용했습니다.

다이오드: 다이오드 의 유일한 고려 사항은 순방향 전압 강하 가 매우 낮아야 한다는 것 입니다. 쇼트 키 다이오드는 일반 정류기 다이오드보다 순방향 전압 강하가 낮은 것으로 알려져 있습니다. 따라서 순방향 전압 강하가 0.2V 미만인 SS14D SMD 다이오드를 사용했습니다.

입력 커패시터: 출력 커패시터와 유사하게 입력 커패시터를 사용하여 부스트 회로에 들어가기 전에 리플 전압을 제어 할 수 있습니다. 그러나 여기서는 배터리를 전압 소스로 사용하기 때문에 리플 제어를위한 입력 커패시터가 필요하지 않습니다. 배터리는 본질적으로 리플없이 순수한 DC 전압을 제공하기 때문입니다.

다른 구성 요소는 보조 구성 요소입니다. 배터리 홀더는 코인 셀을 고정하는 데 사용되며 UCB 포트는 USB 케이블을 부스트 모듈에 직접 연결하여 Arduino, ESP8266, ESP32 등과 같은 일반적인 개발 보드에 쉽게 전원을 공급할 수 있도록 제공됩니다.

Easy EDA를 사용한 PCB 설계 및 제작

이제 코인 셀 부스트 컨버터 회로 가 준비되었으므로 제작할 차례입니다. 여기에있는 모든 구성 요소는 SMD 패키지로만 제공되기 때문에 회로 용 PCB를 제작해야했습니다. 따라서 항상 그렇듯이 EasyEDA라는 온라인 EDA 도구를 사용하여 PCB를 제작했습니다. 풋 프린트가 훌륭하고 오픈 소스이기 때문에 사용이 매우 편리하기 때문입니다.

PCB를 설계 한 후 저렴한 PCB 제조 서비스를 통해 PCB 샘플을 주문할 수 있습니다. 또한 전자 부품 재고가 많고 사용자가 PCB 주문과 함께 필요한 부품을 주문할 수있는 부품 소싱 서비스를 제공합니다.

회로 및 PCB를 설계하는 동안 다른 사용자가 복사 또는 편집하고 작업의 이점을 얻을 수 있도록 회로 및 PCB 설계를 공개 할 수도 있습니다. 또한이 회로에 대해 전체 회로 및 PCB 레이아웃을 공개했습니다. 아래 링크:

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

'Layers'창에서 레이어를 선택하여 PCB의 모든 레이어 (Top, Bottom, Topsilk, Bottomsilk 등)를 볼 수 있습니다. 최근에는 EasyEDA 의 3D보기 버튼을 사용하여 제작 후 PCB가 어떻게 보이는지에 대한 멀티 셀 전압 측정 PCB도 볼 수 있도록 3D보기 옵션도 도입했습니다.

온라인으로 샘플 계산 및 주문

이 5V 코인 셀 부스터 회로 의 설계를 완료 한 후 JLCPCB.com을 통해 PCB를 주문할 수 있습니다. JLCPCB에서 PCB를 주문하려면 Gerber File이 필요합니다. PCB의 Gerber 파일을 다운로드하려면 EasyEDA 편집기 페이지에서 Generate Fabrication File 버튼을 클릭 한 다음 거기에서 Gerber 파일을 다운로드하거나 아래 이미지와 같이 JLCPCB에서 주문을 클릭 할 수 있습니다. 그러면 아래에 표시된 스냅 샷과 같이 주문하려는 PCB 수, 필요한 구리 층 수, PCB 두께, 구리 무게 및 PCB 색상까지 선택할 수있는 JLCPCB.com으로 리디렉션됩니다. 또 다른 좋은 소식은 JLCPCB 에서 동일한 가격으로 모든 컬러 PCB를 얻을 수 있다는 것입니다. 그래서 나는 약간의 미적 룩을 위해 검정색으로 내 것을 결정했습니다. 좋아하는 색상을 선택할 수 있습니다.

JLCPCB 버튼에서 주문을 클릭하면 JLCPCB 웹 사이트로 이동하여 모든 색상에 대해 $ 2 인 매우 저렴한 가격으로 모든 색상 PCB를 주문할 수 있습니다. 그들의 빌드 시간은 또한 3-5 일의 DHL 배송으로 48 시간 인 매우 적습니다. 기본적으로 주문 후 일주일 이내에 PCB를 받게됩니다. 또한 첫 주문에 대해 배송비 $ 20 할인을 제공합니다.

PCB 주문 후 날짜와 시간으로 PCB 생산 진행 상황 을 확인할 수 있습니다. 계정 페이지로 이동하여 아래 이미지와 같이 PCB 아래의 "생산 진행"링크를 클릭하여 확인합니다.

PCB를 주문한 후 며칠 후 아래 그림과 같이 멋진 포장재로 PCB 샘플을 얻었습니다.

부스트 컨버터 PCB 준비

위의 이미지에서 볼 수 있듯이 보드는 매우 좋은 모양이었습니다. 모든 풋 프린트와 비아가 필요한 정확한 크기로 제자리에 있습니다. 그래서 기판의 모든 SMD 부품을 납땜 한 다음 스루 홀 부품을 납땜했습니다. 몇 분 안에 PCB가 작동 준비를 마쳤습니다. 납땜 된 모든 부품과 코인 셀이있는 내 보드는 아래와 같습니다.

코인 셀 부스터 모듈 테스트

이제 모듈이 모두 설정되고 전원이 공급되었으므로 테스트를 시작할 수 있습니다. 보드의 부스트 된 5V 출력은 USB 포트 또는 그 근처 의 수 헤더 핀을 통해 얻을 수 있습니다. 멀티 미터를 사용하여 출력 전압을 측정했는데 보시다시피 5V에 가깝습니다. 따라서 부스트 모듈이 제대로 작동하고 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

이 모듈은 이제 마이크로 컨트롤러 보드에 전원을 공급하거나 다른 소형 센서 또는 회로에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 전달할 수있는 최대 전류는 200mA에 불과하므로 부하가 높을 것으로 예상하지 마십시오. 그러나이 작고 컴팩트 한 모듈로 Arduino 보드와 ESP 보드에 전원을 공급하는 데 만족했습니다. 아래 이미지는 Arduino 및 STM에 전원을 공급 하는 부스트 컨버터를 보여줍니다 .

이전 브레드 보드 전원 공급 장치 모듈과 마찬가지로이 코인 셀 부스터 모듈도 인벤토리에 추가되어 휴대용 소형 전원이 필요한 모든 향후 프로젝트에서 사용할 수 있습니다. 프로젝트가 마음에 들었고이 모듈을 구축하는 과정에서 유용한 것을 배웠기를 바랍니다. 전체 작업은 아래 링크 된 비디오 에서 찾을 수 있습니다.

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