2016年12月04日

MINI-360 DC-DC コンバータモジュール

別記事でも同じ内容で書いているのだが、独立させた。



aliexpress で 「MINI 360 DC」 で検索すると見つかるのだが、10 個で $3.27 とか超安価な DC DC コンバータ モジュールがある。IC 自体は MP2307。4.5 〜 23V の電源入力レンジ。放熱が十分であれば、連続3A(ピーク 4A) の出力が出来る。ただし、ICの性能であって、モジュールではインダクタとの組み合わせで 上限が決まる。

このモジュールをよくよく見ると、空きパターンがあるタイプがある。多分古いタイプで、空きパターンがない方が来る可能性が高い。


裏面はこんな感じで、なにもない。なお、モジュールのサイズは 17mm x 11mm でかなり小さい。

さて、これは半固定抵抗を使っていて、ある意味危険である。出力電圧の上限を設けるように改造することを推奨する。



出力を 半固定抵抗 150k と 8.2k で分圧して FB に入力している。(FB 電圧 0.925v)。半固定抵抗 とパラレルに 2012 サイズの抵抗を付けるのである。

計算上は、
56k パラ : MAX 5.52v
33k パラ : MAX 3.97v
27k パラ : MAX 3.51v

となる。実際やってみたところ 12V 電源で、5V 系は 5.33V まで。3.3V 系は 3.34V までとちゃんと制限できた。

5V 系は 5.5V 以上になるのは危険だが、厄介なことに、5.0V は嫌で 5.3V とか少々高めにしたかったりするので、上限が低いのも困る。

これらの抵抗値のものは、入手しにくいが、aliexpress だと、例えば この25種 が $1.88 と安価に買える。
15K 18K 20K 22K 24K 27K 30K 33K 36K 39K 43K 47K 51K 56K 62K 68K 75K 82K 91K 100K 120K 150K 180K 200K 220K


また、EN ピンを GND に落とすことで 出力を OFF に出来る。入力電圧でプルアップされているので、実際に使う場合には、トランジスタか FET を介してスイッチするのが良いだろう。



本当に 2A 連続出力可能なのか? テスト。


USB resistor というのを入手できたので、試したみた。1A は問題なさそうに思える。2A の設定で 2.3A とか流れるのだが、しばらくすると一瞬切れてまた 出力されるのを繰り返す。

もともと、モジュールの説明では、 1.8A (3A MAX, can not be prolonged) となっている。本当にそんな感じだったわけである。

良くわからないのだが、インダクタがしょぼい? データシートでは 10uH 4A が例として載っている。MINI-360 は四角いシールドタイプで 7mm 角。スミダの CD75 がサイズが近いのだが、2.3A 。MINI-360 だと 1.5A とかそんなものかも知れない。インダクタが飽和すると、どんどん効率が落ちて発熱がひどいことになるのかも。

CD75 サイズのインダクタを入手して、交換してみたい。でも、交換するには、半固定抵抗も外したうえで、出力の大きいハンダごて 2本が必要だろう。IC を外してみるより嫌かも。( IC の方、恐らく裏面のサーマルパッドはなにも処理してない。基板と接触していない可能性まである。一回外して付け直したいような気がしている。)



このモジュールの使い道だが、アイドル時でもそれなりに電流が流れるようだ。データシートでは 1.3mA 。小電力装置のバッテリー駆動には向かない。

取柄は小さく安いだけかも知れない。1A で良いなら 他にも選択枝があり、さらにコンパクトにできる。今日び 2A 以上のものが求められているわけで、その目的には少々荷が勝ちすぎている。

3A 流せるチップには、MP1584 というのもある。これは 同期整流型ではなく、外付けダイオードが必要。なのだが、周波数が高い。--- 同じ大きさのインダクタでも、より電流を流せる。


aliexpress でも 「MP1584 module」 で検索すれば、$0.60 ぐらいのものも見つかる。サイズは 22mm x 17mm で MINI-360 の面積2倍。アイドル時の消費は 0.1 mA でモバイルにも向いている。大電流もOKで、こちらの方が断然良いのかも知れない。


ただ、最大電圧を変更する改造は、少々厄介なようだ。現物を持っていたので、調べてみたのだが ...

 VOUT -- VR -- FB --- 8.2K --- GND
こう接続されている。VR の空いている足が VOUT につながっているので、抵抗を VR に直付けすれば良いのだが ... 逆にVR の抵抗値が良くわからない。(外さないとわからない)。 出力は 0.8v 〜 20V まで というのを信用すると 200K のはず。
計算上は、62k をパラに付けると 最大 5.40V なのだが...
  62k 5.40v
  39k 3.98v
  33k 3.56v

データシートを見ると、出力電圧に対していろいろと値が変わるのも気になる。外付け部品が多く、それらの変更で特性も変わる。12V → 5.2V で 4.7uH(or 3.3uH) を使い最大の電流を取り出すにはどうしたら良いのだろう? もう少し検討が必要だ。



リポ電池を使う場合、電圧は 3.1 - 4.2v ぐらいの範囲になる。3.3v 系は割と都合が悪い。ただ、3.3v 系も 2.7v - 3.6v と動作電圧範囲が広いものが結構ある。Mediatek のスマホなどは、I/O 電圧を 2.8v にして バッテリーが 3.1v になるまで降圧だけで使う。その他 PMP やタブレットで良く使われている 統合PMIC の AXP シリーズなんかも、降圧だけで使っているような感じ。

別に降圧型だけでいけるとは思うのだが、aliexpress で面白いモジュールを見つけた。
「DD1205UA」で見つかるのだが、
 「1-6V to 5V buck boost DC DC converter Voltage Board for portable Solar Charger」
というもの、IC は1つで、インダクタが2つ付いている。

同じ IC を使った、DD0603SB というモジュールも発見。こちらは、3.3V とか 3.7V 版がある。
posted by すz at 22:04| Comment(1) | TrackBack(0) | PMIC

2016年12月02日

簡易 UPS の検討

電子工作では、いつでも電源をどうするかという点で悩むわけだが、さらにバッテリー駆動したいとなると頭が痛い。定番というものがあれば楽なのだが。カテゴリ PMIC で何が良いか探っていきたい。

さて、最近知ったのだが、ダイソーの300円モバイルバッテリーがあるそうだ。この記事を見ると、FM6316FE というチップが使われていて、充電と 5V 昇圧ができるみたいだ。

aliexpress で検索しまくったついでに、みてみると 20個 $3.1 とかで買える。昇圧用のインダクタは、kicc というショップが安かったり。
 ・https://www.aliexpress.com/store/821060/search?SearchText=CD54+3R3

データシートを見ると、モバイルバッテリー用だけあって アイドル時は、16uA (0.016mA)しか消費しない。5V 出力は 1A とまぁまぁ。

興味がわいたので、買ってみたり。で、どうしよう。




ただのモバイルバッテリーを作ってもしょうがないのである。市販のやつを買えば良い。で、考えたのだが UPS にするというのはどうか? 充電と出力を同時に出来るようにするだけなのだが。


一番簡単なのは、ダイオードで 5V 入力 と 昇圧出力をつなぐ。だが、問題が2つ。ひとつは Vf 分の電圧降下。もうひとつ、5V 入力の電圧が昇圧出力より低いとき、昇圧出力が使われるという点。こうなると、バッテリーへの充放電が同時に起きるから、まずいような。

で、MOS FET スイッチを付けることを考えてみた。5V 入力 の方は、ドレインが出力側。ボデイダイオードがあるから OFF でも電流は流れる。ON にすると 電圧降下が無視できるほど抵抗値が低くなる。昇圧出力側は逆にする。OFF のとき 出力させない。

これの制御をどうしたら良いのだろうか?


考えてみたのだが、 5V入力が 昇圧出力より 0.6V 下がれば PNP トランジスタが ON になるという回路は簡単だ。

PNP が ON になれば、5V入力 側 PCH のスイッチ を OFF にできる。もうひとつ Nch FET を追加して 昇圧出力側を ON にすることも出来る。

これで行けるのだろうか?ちょっと自信がない。

5V入力が切れれば、出力も下がっていって 0.6V 下がったところで PNPトランジスタが ON になり、5V入力 側 PCH のスイッチが切れる。一旦そうなれば、出力からの逆流が起きないから、スイッチが 再度 ON になることはない。

では、ちゃんとスイッチが切れるのか? 昇圧出力も ON になるから、そちらが先だと すぐに回復して 逆流によって 5V入力側が切れないとか? そうなるとまずそうな。

どうも、昇圧出力の ON のほうが条件が良い。これで頑張っても安定して動作させるのは厳しそうな予感。5V_IN の方は、諦めてダイオードでいくしかないのだろうか?



ところで、OPi Zero の回路図に似たような目的の回路がある。目的はなんとなく分かるのだが、最初回路が理解できなかった。後で、カレントミラーだと分かった。
なんとなくの理解:R10 と R12 に同じだけ電流が流れる ... ということは、電圧が 5V_IN = 5V_OUT となってるはずだ。また、5V_IN だけが OFF になれば、Q2 は ON になり、Q6 は OFF 。



結局これで良いのでは?

点線内は、純粋にダイオードの性能を良くする代替回路。こんなもの 5V_IN の電圧を上げれば済む話。でも、そうできない事情もあるだろうし、オプションとして使えるようにする。
回路図で BCM856BS とかになってるが間違い。BCM856DS でないとパターンに合わない。で、かなり高い、30個 $5 とか。digikey だと一個 51円也。 代替品もなさそうだし、無理して組まなくとも良いかという気になってくる。しかし、うまく行くなら結構役に立ちそうだし、ちょっと悩む。

ちなみに、PCH には、AO3415A(20V 5A) を使う。これも aliexpress で安く入手可能。秋月の IRLM6402(20V 3.7A) でも全く問題ない。NCH は、 BSS138 とか。

ひとまず回路は完成。5V 1A では面白くないというのであれば、こんなニコイチ IC を使わずに別々にする。昇圧 2A だと、MT3608 とか SX1308 とか。 (この2つ同じもののような ...) ちなみに スイッチングが起きないと消費は 0.1 mA 。僅かでも 出力を消費すると スイッチングが起きて 1.6mA になる。なお、この回路は、昇圧出力OFFのとき 電流は消費しないので たぶん 0.1mA で済む。ならば、充電回路との切り替えは特に意識しないで良い。


aliexpress で MT3608 を検索すると $0.36 とかの格安のモジュールが見つかる。安いものの形状は2種類だが、いずれも 22uH を使っている。データシートでは 4.7uH 〜 22uH となっているが ... この大きさ (たぶん CD54 or 7mm角シールド付き)では、たいして電流を流せないだろう。 1MHz 1A の FM6316FE ですら 3.3uH 3A なのだから、4.7uH 4A ぐらいのものが必要ではないだろうか?
いや MT3608 は 1.2 MHz だから 3.3uH でも良さそうな。current limit は 4A だから、4A の2割ぐらい小さなものでも大丈夫。 --- CD54 3.3uH 3.7A に交換すれば 2A いけるかも。

SX1308 のモジュールだと、$0.60 と少々高いが 4.7uH を使っている。こちらの方がたぶん目的に近い。


放電時は、アイドルでも少々電流が流れる。1mA ぐらいが目標で、昇圧回路と合わせて 2.5mA ぐらい。(上の回路図の抵抗値は適当なので信用してはいけない。) 。また、0.6V では落ちすぎとかであれば、TL431A を使って、最低電圧を決められるような回路にもできる。こちらも 1mA は必要。UPS であり、この程度は問題がないのであるが、もはやモバイルバッテリーとしては不適切な回路になっている。



さて、バッテリーをどうするか? UPS だから通電のまま放置である。そうなるとリポ電池は嫌。MiMH x3 で良いのではないか。どうせ 常時トリクル充電してるだけである。特に 秋月のやつは、電話子機用だしそういう用途で使えるもの。840mAH とかだが、30分も動作すれば十分だろう。2A 出力なら 15分だが、それでも十分に思える。

ただし、バッテリー動作であること、あとどれぐらい持つのか ... という情報が欲しい。
 ・ 5V_IN 電圧
 ・ バッテリー電圧
も出力するように考えておく。

ひとまずここまで。eagle で 基板設計までしたが保留中。FM6316FE ではやっぱり面白くない。2A が本当にいけるのであれば MT3608/SX1308 + LTC4054(互換品) + TL431A に変更したい。その確認は、くだんのモジュールを入手して実験してみて。... 先が長い話になりそうだ。




とりあえず、 TL431A に変更した回路。

5V_IN が来ている状態では、2.495 x 18.2/10 = 4.54v を上回るので、TL431A が ON になる。そうすると、NCH が OFF になり、PCH も OFF になり、昇圧5V が出力されない。昇圧5V が出力される場合、TL431A は OFF である。このとき TL431A は電流を消費しない。消費するのは R11 の抵抗のみ。こんなところで良さそうだ。

ついでだが、TL431A への入力は外部にも出力している。3.3V 系ならば、デジタル入力で 5V_IN ありなしを判別できる。



ついでなので、SX1308 + LTC4054(互換) を使った 2A 出力に変更した回路。MCP73831 となってるがこれも互換品だから気にしない。

FM6316FE 用を全部流用して単純置き換え。3.3uH 3A と書いてるが、たぶん 3.7A 。後で知ったのだが、aitendo でも CD54 3.3uH を扱っている (10個 100円) 。データシートもあって 3.7A だそうだ。

あ、FB だけは違う。SX1308 の FB 電圧は 0.6v なので、0.6 x 85/10 = 5.1v になるようにしている。




全部流用と書いたところで、FM6316FE と SX1308 + LTC4054(互換) の両方のパターンを載せられると思いつき、基板修正。これなら発注しても良いか。ちなみに基板サイズは、47mm x 36mm 。
 ・mini_ups_2a_v1.0.pdf --- 回路図
 ・mini_ups_2a_v1.0.zip --- eagle ファイル
 ・mini_ups_2a_v1.0-out.zip --- 提出ファイル

ただ、これを作ったとして、どう使うか全然イメージできてなかったり。たとえ 5V 2A 出力可能だったとしても、クラスタボードには使えないし。


大失敗。2A と書いているのにダイオードが小さすぎ。SOD123 とか無理にもほどがある。... と言っても 2A,3A 流せる製品がないわけではない。後で修正はするが、ちょっと検討してみる。

ともかく、aliexpress で買えるものを検索。
どうも 3A 品は、DO-214AA なんてでかいパッケージの SS34 が多いのだが、中には DO-214AC というのが安価にある。 「do-214ac Schottky diode ss34」とかで出てくる中には、100個 $0.99 なんてものも。ボードに適合する 「sod-123 Schottky diode」だと 安価なのは、1N5819HW で 1A 品。値段はやはり 100個 $0.99 がある。この辺を念頭において今後は基板を作ろうと思う。

さて、パターンに載るやつ。digikey で探してみると ON semi の SS34FA,SS36FA というのがあった。しかし、aliexpress にはなかった。ロームの RB50M-2y , RB51M-2y ならある。しかし、30 個で $9 とかそんな価格なのであった。

さすがに価格の差がありすぎなので、パス。頑張ってレジストを削ることにしよう。
posted by すz at 22:31| Comment(1) | TrackBack(0) | PMIC