Circuito conversor de reforço de célula única usando célula tipo moeda - saída de 5v

Células de bateria são a fonte de energia mais comumente usada para alimentar eletrônicos portáteis. Seja um simples despertador ou um nó de sensor IoT ou um celular complexo, tudo é alimentado por baterias. Na maioria dos casos, esses dispositivos portáteis precisam ter um fator de forma pequeno (tamanho do pacote) e, portanto, é alimentado por uma bateria de célula única, como a popular célula de lítio CR2032 ou o outro polímero de lítio 3,7 V ou 18650 células. Essas células contêm alta energia para seu tamanho, mas uma desvantagem comum dessas células é sua voltagem operacional. Uma bateria de lítio típica tem uma voltagem nominal de 3,7 V, mas esta voltagem pode descer até 2,8 V quando totalmente drenada e tão alta quanto 4,2 V quando totalmente carregada, o que não é muito desejável para nossos projetos eletrônicos que funcionam com 3,3 regulados V ou 5V como tensão de operação.

Isso traz a necessidade de um conversor de reforço que pode levar essa variável de 2,8 V a 4,2 V como tensão de entrada e regulá-la para constantes 3,3 V ou 5 V. Felizmente, existe um IC chamado BL8530 que faz exatamente o mesmo com o mínimo de componentes externos. Portanto, neste projeto iremos construir um circuito booster de 5V de baixo custo que fornece uma tensão de saída regulada constante de 5V de uma célula tipo moeda CR2032; também projetaremos um PCB compacto para este conversor boost para que ele possa ser usado em todos os nossos projetos portáteis futuros. A corrente de saída máxima do conversor de reforço será 200mAque é bom o suficiente para alimentar microcontroladores e sensores básicos. Outra vantagem deste circuito é que, se seu projeto requer um 3,3 V regulado em vez de 5 V, o mesmo circuito também pode ser usado para regular 3,3 V apenas trocando um componente. Este circuito também pode funcionar como banco de energia para alimentar pequenas placas como Arduino, STM32, MSP430 etc. Anteriormente, construímos um tipo de conversor de reforço semelhante usando bateria de lítio para carregar um telefone celular.

Materiais requisitados

BL8530-5V Booster IC (SOT89)
Indutor 47uH (5mm SMD)
Diodo SS14 (SMD)
Capacitor de tântalo 1000uF 16V (SMD)
Porta-célula moeda
Conector USB Feminino

Considerações sobre o projeto do conversor de reforço de célula única

Os requisitos de projeto para um conversor Boost de célula única serão diferentes dos de um conversor Boost comum. Isso ocorre porque aqui a energia de uma bateria (célula tipo moeda) está sendo aumentada em tensão de saída para que nosso dispositivo funcione. Portanto, deve-se tomar cuidado para que o circuito de reforço utilize o máximo da bateria com alta eficiência para manter o dispositivo ligado pelo maior tempo possível. Ao selecionar o IC de reforço para seus projetos, você pode considerar os quatro parâmetros a seguir. Você também pode ler o artigo sobre Boost Regulator Design para saber mais sobre ele.

Tensão de inicialização: Esta é a tensão de entrada mínima necessária da bateria para que o conversor boost comece a operar. Quando você liga o conversor de reforço, a bateria deve pelo menos ser capaz de fornecer essa tensão de inicialização para que o conversor de reforço funcione. Em nosso projeto, a tensão de inicialização necessária é de 0,8 V, o que está muito abaixo de qualquer tensão de célula tipo moeda totalmente descarregada.

Tensão de espera: uma vez que o dispositivo é alimentado com o circuito de reforço, a tensão da bateria começará a diminuir, pois ela está sem energia. A tensão até a qual um IC de reforço manterá seu desempenho é chamada de tensão de espera. Abaixo desta tensão, o IC irá parar de funcionar e não obteremos tensão de saída. Observe que a tensão de espera sempre será menor que a tensão de inicialização. Ou seja, o IC exigirá mais tensão para iniciar sua operação e durante seu estado de funcionamento pode descarregar a bateria bem abaixo disso. A tensão de espera em nosso circuito é de 0,7 V.

Corrente quiescente: A quantidade de corrente que nosso circuito de reforço está consumindo (desperdiçando) mesmo quando nenhuma carga está conectada no lado da saída é chamada de corrente quiescente. Este valor deve ser o mais baixo possível, para o nosso IC o valor da corrente quiescente está entre 4uA a 7uA. É muito importante ter este valor baixo ou zero se o dispositivo não for ficar conectado para carregar por muito tempo.

On-Resistance: Todo o circuito do conversor boost envolverá um dispositivo de comutação como o MOSFET ou outros FETs nele. Se estivermos usando um conversor de IC, este dispositivo de comutação será embutido dentro do IC. É importante que essa chave tenha uma resistência muito baixa. Por exemplo, em nosso projeto aqui, o IC BL8530 tem uma chave interna com resistência de 0,4Ω, que é um valor decente. Essa resistência reduzirá a tensão na chave com base na corrente que passa por ela (lei de Ohms), diminuindo assim a eficiência do módulo.

Existem muitas maneiras de aumentar a tensão, algumas delas são demonstradas em nossa série de circuitos do carregador aqui.

Diagrama de circuito

O diagrama completo do circuito para o circuito de reforço de 5 V é mostrado abaixo, o esquema foi desenhado usando EasyEDA.

Como você pode ver, o circuito requer componentes mínimos, já que todo o trabalho duro é puxado pelo IC BL8530. Existem muitas versões do IC BL8530, a usada aqui “BL8530-50” onde 50 representa a tensão de saída 5V. Da mesma forma, o IC BL8530-33 terá uma tensão de saída de 3,3 V, portanto, apenas substituindo este IC, podemos obter a tensão de saída necessária. Existem versões 2,5 V, 3 V, 4,2 V, 5 V e até 6 V deste CI disponíveis no mercado. Neste tutorial, vamos nos concentrar na versão 5V. O IC requer apenas um capacitor, indutor e Diodo junto com ele para operar, vamos ver como selecionar os componentes.

Seleção de componentes

Indutor: A escolha disponível do valor do indutor para este IC é de 3uH a 1mH. Usar um alto valor de indutor fornecerá alta corrente de saída e alta eficiência. No entanto, a desvantagem é que ele requer uma alta tensão de entrada da célula para operar, portanto, usar um valor alto do indutor pode não fazer o circuito de reforço funcionar até que a bateria esteja completamente descarregada. Portanto, uma compensação deve ser feita entre a corrente de saída e a corrente de entrada mínima no projeto de saída. Aqui, usei um valor de 47uH, pois preciso de alta corrente de saída. Você pode reduzir esse valor se a corrente de carga for menor para o seu projeto. Também é importante selecionar um indutor com baixo valor ESR para alta eficiência de seu projeto.

Capacitor de saída: O valor permitido do capacitor é de 47uF a 220uF. A função deste capacitor de saída é filtrar ondulações de saída. O valor disso deve ser decidido com base na natureza da carga. Se for uma carga indutiva, o capacitor de alto valor é recomendado para cargas resistivas como para microcontroladores ou a maioria dos sensores de capacitor de baixo valor funcionará. A desvantagem de usar um capacitor de alto valor é o aumento do custo e também retarda o sistema. Aqui, usei um capacitor de tântalo de 100uF, uma vez que os capacitores de tântalo são melhores no controle de ondulação do que os capacitores de cerâmica.

Diodo: A única consideração com o diodo é que ele deve ter uma baixa queda de tensão muito direta. Sabe-se que os diodos Schottky apresentam baixas quedas de tensão direta do que os diodos retificadores normais. Portanto, usamos o diodo SS14D SMD que tem queda de tensão direta inferior a 0,2V.

Capacitor de entrada: Semelhante ao capacitor de saída, um capacitor de entrada pode ser usado para controlar as tensões de ondulação antes de entrar no circuito de reforço. Mas aqui, uma vez que estamos usando bateria como fontes de tensão, não precisaremos de um capacitor de entrada para controle de ondulação. Porque as baterias, por natureza, fornecem tensão DC pura sem qualquer ondulação nelas.

Os outros componentes são apenas auxiliares. O suporte da bateria é usado para segurar a célula Coin e a porta UCB é fornecida para conectar cabos USB diretamente ao nosso módulo de reforço para que possamos facilmente alimentar placas de desenvolvimento comuns como Arduino, ESP8266, ESP32 etc.

Projeto e fabricação de PCB usando Easy EDA

Agora que o circuito Coin Cell Boost Converter está pronto, é hora de fabricá-lo. Como todos os componentes aqui estão disponíveis apenas no pacote SMD, tive que fabricar um PCB para meu circuito. Então, como sempre, usamos a ferramenta online EDA chamada EasyEDA para fabricar nosso PCB porque é muito conveniente de usar, pois tem uma boa coleção de pegadas e é open-source.

Depois de projetar o PCB, podemos solicitar as amostras de PCB por seus serviços de fabricação de PCB de baixo custo. Eles também oferecem serviço de fornecimento de componentes, onde têm um grande estoque de componentes eletrônicos e os usuários podem solicitar seus componentes necessários junto com o pedido de PCB.

Ao projetar seus circuitos e PCBs, você também pode tornar seus circuitos e projetos de PCB públicos para que outros usuários possam copiá-los ou editá-los e possam tirar proveito de seu trabalho. Também tornamos públicos todos os nossos circuitos e layouts de PCB para este circuito, verifique o link abaixo:

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

Você pode visualizar qualquer camada (superior, inferior, superior, inferior, etc.) do PCB selecionando a camada da janela 'Camadas'. Recentemente, eles também introduziram uma opção de visualização 3D para que você também possa visualizar a PCB de medição de tensão multicell, sobre como ficará após a fabricação usando o botão Visualização 3D no EasyEDA:

Cálculo e pedido de amostras online

Depois de concluir o design deste circuito booster de célula tipo moeda de 5V, você pode solicitar o PCB em JLCPCB.com. Para solicitar o PCB do JLCPCB, você precisa do Arquivo Gerber. Para baixar os arquivos Gerber de seu PCB, basta clicar no botão Gerar Arquivo de Fabricação na página do editor EasyEDA, depois baixar o arquivo Gerber de lá ou clicar em Pedido no JLCPCB, conforme mostrado na imagem abaixo. Isso o redirecionará para JLCPCB.com, onde você pode selecionar o número de PCBs que deseja solicitar, quantas camadas de cobre você precisa, a espessura do PCB, o peso do cobre e até mesmo a cor do PCB, como o instantâneo mostrado abaixo. Outra boa notícia é que agora você pode obter todas as PCBs coloridas com o mesmo preço no JLCPCB. Por isso resolvi comprar o meu na cor preta apenas para um look estético, você pode escolher sua cor favorita.

Após clicar no botão pedido no JLCPCB, você será levado ao site da JLCPCB, onde poderá solicitar qualquer PCB em cores com uma taxa muito baixa, que é $ 2 para todas as cores. Seu tempo de construção também é muito menor, que é de 48 horas com entrega DHL de 3-5 dias, basicamente você receberá seus PCBs dentro de uma semana após o pedido. Além disso, eles também estão oferecendo um desconto de $ 20 no frete de seu primeiro pedido.

Após fazer o pedido do PCB, você pode verificar o andamento da produção de seu PCB com data e hora. Você verifica indo na página da conta e clica no link "Progresso da produção" sob o PCB como mostrado na imagem abaixo.

Depois de alguns dias pedindo PCBs, recebi as amostras de PCB em uma bela embalagem, conforme mostrado nas fotos abaixo.

Preparando o Boost Converter PCB

Como você pode ver nas imagens acima, a placa estava em muito bom estado com todas as pegadas e vias no tamanho exato necessário. Então, continuei soldando todos os componentes SMD na placa e depois os que passavam pelo orifício. Em minutos, meu PCB está pronto para a ação. Minha placa com todos os componentes soldados e a célula tipo moeda é mostrada abaixo

Módulo de reforço de célula moeda de teste

Agora que nosso módulo está pronto, podemos começar a testá-lo. A saída reforçada de 5 V da placa pode ser obtida da porta USB ou através do pino conector macho próximo a ela. Usei meu multímetro para medir a tensão de saída e como você pode ver, estava perto de 5V. Portanto, podemos concluir que nosso módulo boost está funcionando corretamente.

Este módulo agora pode ser usado para alimentar placas de microcontrolador ou para alimentar outros pequenos sensores ou circuitos. Lembre-se de que a corrente máxima que ele pode fornecer é de apenas 200mA, portanto, não espere que acione cargas pesadas. No entanto, fiquei feliz em alimentar minhas placas Arduino e placas ESP com este módulo pequeno e compacto. As imagens abaixo mostram o conversor boost alimentando Arduino e STM.

Assim como o módulo de alimentação de placa de ensaio anterior, este módulo de reforço de célula tipo moeda também será adicionado ao meu inventário para que eu possa usá-lo em todos os meus projetos futuros, sempre que precisar de uma fonte de alimentação compacta portátil. Espero que tenha gostado do projeto e aprendido algo útil no processo de construção deste módulo. O trabalho completo pode ser encontrado no vídeo no link abaixo.

Se você tiver qualquer problema em fazer as coisas funcionarem, sinta-se à vontade para deixá-los na seção de comentários ou usar nossos fóruns para outras questões técnicas.