- 必要な材料
- シングルセルブーストコンバータの設計に関する考慮事項
- 回路図
- コンポーネントの選択
- EasyEDAを使用したPCBの設計と製造
- オンラインでのサンプルの計算と注文
- ブーストコンバータPCBの準備
- コイン電池ブースターモジュールのテスト
バッテリーセルは、ポータブル電子機器に電力を供給するために最も一般的に使用されるエネルギー源です。単純な目覚まし時計でも、IoTセンサーノードでも、複雑な携帯電話でも、すべてがバッテリーで駆動されます。ほとんどの場合、これらのポータブルデバイスは小さなフォームファクタ（パッケージサイズ）である必要があるため、一般的なCR2032リチウムセルまたは他の3.7Vリチウムポリマーまたは18650セルのような単一セルバッテリで駆動されます。これらのセルは、そのサイズに対して高エネルギーでパックされますが、これらのセルの一般的な欠点は、動作電圧にあります。一般的なリチウム電池の公称電圧は3.7Vですが、この電圧は、完全に放電すると2.8Vまで低下し、完全に充電すると4.2Vまで低下する可能性があります。これは、安定化された3.3で動作する電子機器の設計にはあまり望ましくありません。動作電圧としてVまたは5V。
これにより、この変数2.8V〜4.2Vを入力電圧として取り込み、3.3Vまたは5Vの一定値に調整できるブーストコンバータが必要になります。ありがたいことに、BL8530と呼ばれるICが存在しますが、これは最小限の外付け部品でまったく同じことを行います。したがって、このプロジェクトでは、CR2032コイン電池から5Vの一定の安定化出力電圧を提供する低コストの 5Vブースター回路を構築します。また、このブーストコンバーター用のコンパクトなPCBを設計して、将来のすべてのポータブルプロジェクトで使用できるようにします。ブーストコンバータの最大出力電流は200mAになりますこれは、基本的なマイクロコントローラーとセンサーに電力を供給するのに十分です。この回路のもう1つの利点は、プロジェクトで5Vではなく3.3Vの安定化が必要な場合、同じ回路を使用して1つのコンポーネントを交換するだけで3.3Vを安定化できることです。この回路は、Arduino、STM32、MSP430などの小さなボードに電力を供給するパワーバンクとしても機能します。以前は、リチウム電池を使用して携帯電話を充電する同様の種類のブーストコンバータを構築しました。
必要な材料
- BL8530-5VブースターIC（SOT89）
- 47uHインダクタ（5mm SMD）
- SS14ダイオード（SMD）
- 1000uF 16Vタンタルコンデンサ（SMD）
- コイン電池ホルダー
- USBメスコネクタ
シングルセルブーストコンバータの設計に関する考慮事項
シングルセルブーストコンバータの設計要件は、通常のブーストコンバータの設計要件とは異なります。これは、ここでバッテリー（コインセル）からのエネルギーが、デバイスが機能するために出力電圧にブーストされているためです。したがって、ブースター回路がバッテリーの最大値を高効率で利用して、デバイスの電源をできるだけ長くオンに保つように注意する必要があります。デザインにブースターICを選択するときは、次の4つのパラメーターを考慮することができます。ブーストレギュレータの設計に関する記事を読んで、詳細を確認することもできます。
起動電圧：これは、ブーストコンバーターが動作を開始するために必要なバッテリーからの最小入力電圧です。ブーストコンバーターの電源を入れると、バッテリーは少なくともブースターが機能するためにこの起動電圧を提供できるはずです。私たちの設計では、必要な起動電圧は0.8Vであり、完全に放電されたコイン電池の電圧よりもはるかに低くなっています。
ホールドオン電圧：デバイスにブースト回路で電力が供給されると、電力を供給しているため、バッテリー電圧が低下し始めます。ブースターICがその性能を保持するまでの電圧は、ホールドオン電圧と呼ばれます。この電圧を下回ると、ICは機能を停止し、出力電圧は得られません。ホールドオン電圧は常に起動電圧よりも低くなることに注意してください。つまり、ICは動作を開始するためにより多くの電圧を必要とし、動作状態の間、それより下の方法でバッテリーを消耗する可能性があります。私たちの回路のホールドオン電圧は0.7Vです。
静止電流：出力側に負荷が接続されていない場合でもブースター回路が消費（浪費）している電流量を静止電流と呼びます。この値はできるだけ低くする必要があります。ICの場合、静止電流の値は4uA〜7uAです。デバイスが長時間負荷に接続されない場合は、この値を低くするかゼロにすることが非常に重要です。
オン抵抗：すべてのブーストコンバータ回路には、MOSFETやその他のFETなどのスイッチングデバイスが含まれます。コンバータICを使用している場合、このスイッチングデバイスはIC内に組み込まれます。このスイッチのオン抵抗が非常に低いことが重要です。たとえば、ここでの設計では、ICBL8530にはオン抵抗が0.4Ωの内部スイッチがあります。これは適切な値です。この抵抗は、スイッチを流れる電流に基づいてスイッチの両端の電圧を低下させ（オームの法則）、それによってモジュールの効率を低下させます。
電圧を上げる方法はたくさんありますが、そのいくつかはここの充電器回路シリーズで示されています。
回路図
5Vブースター回路の完全な回路図を以下に示します。回路図はEasyEDAを使用して描かれています。
ご覧のとおり、すべてのハードワークはBL8530 ICによって行われるため、回路に必要なコンポーネントはごくわずかです。BL8530 ICには多くのバージョンがあり、ここで使用されているのは「BL8530-50」で、50は出力電圧5Vを表します。同様に、IC BL8530-33の出力電圧は3.3Vであるため、このICを交換するだけで、必要な出力電圧を得ることができます。このICには2.5V、3V、4.2V、5V、さらには6Vバージョンが市場に出回っています。このチュートリアルでは、5Vバージョンに焦点を当てます。ICは、コンデンサ、インダクタ、ダイオードだけで動作します。コンポーネントの選択方法を見てみましょう。
コンポーネントの選択
インダクタ：このICのインダクタ値の利用可能な選択肢は、3uHから1mHの形式です。高い値のインダクタを使用すると、高い出力電流と高効率が得られます。ただし、欠点は、動作するためにセルからの高い入力電圧が必要になることです。そのため、高いインダクタ値を使用すると、バッテリが完全に消耗するまでブースト回路が機能しない可能性があります。したがって、出力電流と最小入力電流の間でトレードオフを行う必要があります。ここでは、高い出力電流が必要なため、47uHの値を使用しました。設計で負荷電流が少なくなる場合は、この値を減らすことができます。設計の効率を高めるには、ESR値の低いインダクタを選択することも重要です。
出力コンデンサ：コンデンサの許容値は47uFから220uFです。この出力コンデンサの機能は、出力リップルをフィルタリングすることです。この値は、負荷の性質に基づいて決定する必要があります。誘導性負荷の場合は、マイクロコントローラーやほとんどのセンサーのような抵抗性負荷には高い値のコンデンサーをお勧めします。低い値のコンデンサーが機能します。高い値のコンデンサを使用することの欠点は、コストが増加することであり、システムの速度も低下します。ここでは、100uFのタンタルコンデンサを使用しました。タンタルコンデンサはセラミックコンデンサよりもリップル制御に優れているためです。
ダイオード：ダイオードに関する唯一の考慮事項は、非常に順方向の低電圧降下が必要であるということです。ショットキーダイオードは、通常の整流ダイオードよりも順方向電圧降下が小さいことが知られています。そのため、順方向電圧降下が0.2V未満のSS14DSMDダイオードを使用しました。
入力コンデンサ：出力コンデンサと同様に、入力コンデンサを使用して、ブースト回路に入る前にリップル電圧を制御できます。ただし、ここでは電圧源としてバッテリーを使用しているため、リップル制御用の入力コンデンサは必要ありません。バッテリーは本来、リップルのない純粋なDC電圧を提供するためです。
他のコンポーネントは単なる補助コンポーネントです。バッテリーホルダーはコイン電池を保持するために使用され、UCBポートはUSBケーブルをブーストモジュールに直接接続するために提供されているため、Arduino、ESP8266、ESP32などの一般的な開発ボードに簡単に電力を供給できます
EasyEDAを使用したPCBの設計と製造
今すぐことコインセルブーストコンバータ回路は準備ができて、それが製造され得るための時間があります。ここにあるすべてのコンポーネントはSMDパッケージでのみ入手可能であるため、回路用のPCBを製造する必要がありました。そのため、いつものように、EasyEDAと呼ばれるオンラインEDAツールを使用してPCBを製造しました。これは、フットプリントのコレクションが豊富でオープンソースであるため、非常に使いやすいためです。
PCBを設計した後、低コストのPCB製造サービスでPCBサンプルを注文できます。また、電子部品の在庫が豊富で、ユーザーがPCBの注文と一緒に必要な部品を注文できる、部品調達サービスも提供しています。
回路とPCBを設計する際に、回路とPCBの設計を公開して、他のユーザーがそれらをコピーまたは編集して作業を活用できるようにすることもできます。また、この回路の回路とPCBのレイアウト全体を公開しました。確認してください。以下のリンク：
easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter
「レイヤー」ウィンドウからレイヤーを選択することにより、PCBの任意のレイヤー（トップ、ボトム、トップシルク、ボトムシルクなど）を表示でき ます。最近、彼らは3Dビューオプションも導入したので 、EasyEDAの3Dビューボタンを使用して、製造後のマルチセル電圧測定PCBの外観を表示することもでき ます。
オンラインでのサンプルの計算と注文
この5Vコイン電池ブースター回路の設計が完了したら、 JLCPCB.comからPCBを注文できます。 JLCPCBからPCBを注文するには、ガーバーファイルが必要です。 PCBのガーバーファイルをダウンロードするには、EasyEDAエディターページの[Generate Fabrication File]ボタンをクリックし、そこからガーバーファイルをダウンロードするか、下の画像に示すように[Order atJLCPCB]をクリックします。これにより、JLCPCB.comにリダイレクトされます。ここで、注文するPCBの数、必要な銅層の数、PCBの厚さ、銅の重量、さらには以下に示すスナップショットのようにPCBの色を選択できます。もう1つの良いニュースは、JLCPCBからすべてのカラーPCBを同じ価格で入手できることです。だから私はいくつかの美的外観のために黒い色で私のものを手に入れることに決めました、あなたはあなたの好きな色を選ぶことができます。
JLCPCBボタンで注文をクリックすると、JLCPCB Webサイトに移動します。ここでは、すべての色で2ドルの非常に低いレートで任意のカラーPCBを注文できます。ビルド時間も非常に短く、DHLで3〜5日で48時間です。基本的に、注文から1週間以内にPCBを入手できます。さらに、彼らはまたあなたの最初の注文のために輸送の20ドルの割引を提供しています。
PCBを注文した後、PCB の 製造進捗状況 を日付と時刻 で確認 できます。アカウントページに移動し、下の画像に示すように、PCBの下の[生産の進捗状況]リンクをクリックして確認します。
PCBを注文して数日後、下の写真に示すように、PCBサンプルを素敵なパッケージに入れました。
ブーストコンバータPCBの準備
上の画像からわかるように、ボードは非常に良好な形状であり、すべてのフットプリントとビアが正確に必要なサイズで配置されます。そこで、ボード上のすべてのSMDコンポーネントをはんだ付けし、次にスルーホールコンポーネントをはんだ付けしました。数分以内に私のPCBは行動の準備ができています。すべてのはんだ付けされたコンポーネントとコイン電池を備えた私のボードを以下に示します
コイン電池ブースターモジュールのテスト
モジュールがすべて設定され、電源が入ったので、テストを開始できます。ボードからのブーストされた5V出力は、USBポートから、またはその近くのオスヘッダーピンから取得できます。マルチメータを使用して出力電圧を測定しましたが、ご覧のとおり5Vに近かったです。したがって、ブーストモジュールは正しく機能していると結論付けることができます。
このモジュールは、マイクロコントローラーボードに電力を供給したり、他の小さなセンサーや回路に電力を供給したりするために使用できるようになりました。供給できる最大電流はわずか200mAであるため、重い負荷を駆動することは期待しないでください。しかし、この小さくてコンパクトなモジュールでArduinoボードとESPボードに電力を供給することに満足しました。以下の画像は、ArduinoとSTMに電力を供給するブーストコンバーターを示しています。
以前のブレッドボード電源モジュールと同様に、このコイン電池ブースターモジュールも在庫に追加されるため、ポータブルでコンパクトな電源が必要な場合はいつでも、将来のすべてのプロジェクトで使用できます。プロジェクトが気に入って、このモジュールを構築するプロセスで役立つことを学んだことを願っています。完全な作業は、以下にリンクされているビデオで見つけることができます。
うまく機能させるのに問題がある場合は、コメントセクションにドロップするか、フォーラムを使用して他の技術的な質問をしてください。