V únoru jsem tady stručně popisoval funkci měničů DC/DC. V článku jsem zmínil zajímavý projekt Minty Boost, tedy jednoduchý zdroj s DC měničem na dvě tužkové AA baterie. O podobném zdroji jsem uvažoval již delší dobu, a Minty Boost byla konečně ta správná motivace. V tomto článku představím svoje řešení.
Parametry
Požadavky na kapesní zdroj jsem si stanovil následovně: fixní výstupní napětí 5 V a proud až 500 mA. Musí umožňovat napájet Arduino a jiné digitální obvody a zároveň by se měl hodit pro nabíjení mobilního telefonu a iPodu.
Jak jsem již říkal, inspirací pro mně byl Minty Boost. Ten používá step-up měnič od firmy Linear Technology LT1302. Tento obvod dokáže pracovat s napájecím napětím v rozsahu 2 až 8 V. Výstupní napětí může být až 12 V. Tento obvod má ale jednu relativně velkou nevýhodu – je dost drahý. Cena za jednotky kusů se pohybuje kolem 130-200 korun.
Z toho důvodu jsem hledal vhodnější alternativu. Mým požadavkem bylo napájecí napětí aspoň 2-3V (dvě AA baterie) při výstupním napětí 5 V a proudu alespoň 500 mA. Obvody, které jsem našel neměly buď potřebný proud, nebo se daly objednat pouze po 1000 kusech. Nakonec jsem zůstal u LT1302.
Zapojení
Na obrázku níže je mnou navržené schéma. Postupoval jsem podle informací z datasheetu LT1302, kde jsou velmi podrobné informace k výběru cívky L1, diody D1 a kondenzátorů C1 a C2.
Cívka musí mít co nejmenší sériovou rezistivitu, maximální proud aspoň 2A a doporučená indukčnost je 10 μH. Mnou použitá cívka má rezistivitu 0,025 Ω, maximální proud 4 A a inkukčnost 10 μH o rozměrech 12×12 mm (takže největší součástka v celém zapojení).
Elektrolytické kondenzátory mají mít co nejmenší ESR. Jejich výběr výrazně ovlivní výstupní napětí, které v případě špatných kondenzátorů může obsahovat překmity a LT1302 se může často přepínat mezi tzv. burst a current módy. To pak výrazně ovlivní účinnost celého měniče a tím pádem i teplotní ztráty na LT1302.
Dioda D1 musí být dimenzována na proud alespoň 2 A. Já nakonec zvolil MBRS130LT3 od Motoroly, což je přesně typ doporučený v datasheetu.
K zapojení ještě jednu poznámku: odporové děliče na USB pinech D- a D+, které tvoří rezistory R4 až R7 jsem připojil kvůli zařízením Apple. Podle informací na Adafruit.com jsou iZařízení hodně vybíravé a rozdílem napětí mezi D- a D+ si ověřují, jestli je připojená nabíječka ta správná (dokáže dodat minimální proud). Pokud neplánujete nabíjet iZařízení, můžete tyto odporové děliče vypustit.
Návrh desky jsem dělal tak, abych ji mohl jednoduše vyrobit v domácích podmínkách (fotocesta). Z toho důvodu je jednostranná. A jelikož mám novou páječku, troufl jsem si na SMD pouzdra 0603 :)
V první verzi desky (tu, kterou jsem nakonec i vyleptal a kterou vidíte na fotografiích) jsem udělal chybu. Když jsem si chystal knihovnu se součástkou LT1302 pro Eagle, umístil jsem piny daleko od sebe. Všiml jsem si toho až pozdě, a proto jsem musel desku proškrábnout. Na obrázku a v Eagle souborech níže už je opravená verze.
Oživení
Desku se mi podařilo osadit a oživit na první pokus. Aby taky ne, však je to docela jednoduchý projekt :)
Při větší zátěží použitá cívka slabě píská a také se dost zahřívá. Když jsem zkoušel nabíjet iPod, teklo přes ni až 500 mA, takže vyšší teplota se dá očekávat. Během dvouhodinového provozu na maximální proud byl obvod plně funkční a stabilní, teplota byla kolem 45 °C (ale tento údaj berte jako informativní, měřil jsem digitálním teploměrem DS18B20). Dvě tužkové AA baterie Ni-NH o kapacitě 2500mAh dokázaly plně nabít iPod 2. generace a ještě chvíli napájet Arduino.
Když jsem zkoušel nabít iPod 4. generace, nabíjení probíhalo jen chvilku a poté se přerušilo s chybovým hlášením Charging is not supported with this accessory. Buď se baterie vybily a nabíjecí proud klesl, nebo je problém s napěťovým děličem na D+ a D-. Tento problém chci ještě vyřešit.
Celý obvod i s plastovým pouzdrem na dvě AA baterie jsem zabudoval do plechové krabičky od vitamínů Energit. Na délku se obvod vlezl jen tak tak, šířka je bez problému. Pokud budu dělat další verzi, pokusím se DPS zmenšit.
Seznam součástek
Hlavní součástky jsem nakoupil v TME.eu a SMD rezistory a kondenzátory pak v GME.cz.
- U1 = LT1302
- L1 = 10 μH, DE1205-10
- D1 = MBRS130LT3
- C1 a C2 = 100 μF/16 V, CE100/16-SMD
- R0 = 0 Ω, SMD pouzdro 1206
- R8 = 10 kΩ, trimr TS53YJ-10K
- PWR = červená dioda, 2mA
- Držák na 2 AA baterie
- Hodnoty ostatních součástek jsou ve schématu, pouzdra 0603.
Fotografie
Čínská alternativa
Pokud nesdílíte nadšení pro výrobu a návrh vlasních elektronických obvodů a raději nakupujete z eBay.com od šikovných čínských dětí, zde je možná alternativa.
Měnič jsem objednal na zkoušku, vyšel na asi 55 korun a zdá se že funguje jak má. Stačí k němu koupit držák na baterie a kapesní zdroj za pár korun je hotový.
Závěr
Opravenou verzi layoutu i se schématem můžete stáhnout zde – kapesní zdroj, Eagle 6.1.0.
Ke zdroji bych ještě chtěl vyrobit USB nabíječku, takže by se baterie nemusely vytahovat a nabíjely by se z USB přimo v krabičce. Na to už ale v současném provedení nezbývá místo, a proto se budu muset poohlédnout po jiném pouzdru.
Ještě bych chtěl měnič pořádně proměřit a otestovat s elektronickou zátěží. Chci si být jistý, že výstupní napětí neobsahuje žádné píky a ověřit maximální odebíraný proud.