Własny zasilacz 3.3V/5V do płytki stykowej z ograniczeniem prądowym

Witajcie moi drodzy
Przedstawię tutaj pierwszą wersję mojego modułu zasilacza do płytki stykowej oferującego napięcia 3.3V i 5V oraz ograniczenie prądowe. Moduł wykonany jest w SMD i bazuje na układach takich jak MIC2019, MIC2940A oraz tranzystorach BC847 i IRLML6402TRPBF.

Co oferuje moduł?
Mój moduł zasilacza oferuje:
- wyjścia 5V i 3.3V wraz z możliwością niezależnego wyboru na którą szynę zasilania płytki stykowej idzie 3.3V a na którą 5V (można też na obie szyny dać 5V lub na obie szyny dać 3.3V)
- osobne moduły ograniczenia prądowego dla źródeł 3.3V i 5V
- wartość ograniczenia prądowego wybierana jest zworką, są 4 możliwe wartości które zależą też od rezystorów na PCB
- moduły ograniczenia prądowego informują nas o tym, czy wystąpiło przekroczenie dozwolonej wartości prądu poprzez zapalenie czerwonej diody LED
- dwie diody LED informujące o tym czy jest zasilanie na DC Jack czy na USB
- możliwość zasilenia poprzez USB (typ złącza USB Mini B)
- możliwość zasilania poprzez złącze DC Jack (do 12V a nawet wyżej, ale wtedy już mocno się grzeje)
- podłączenie się do DC Jack powoduje odpięcie 5V od USB
- wejście DC Jack zabezpieczone jest diodą na wypadek gdybyśmy niefortunnie trafili na zasilacz który ma odwróconą polaryzację

Projekt zasilacza
Zasilacz zaprojektowałem w programie Eagle, całość mieści się na płytce o wymiarach około 55mm na 36mm:

Zaznaczone poniżej czwórki goldpinów służą do wyboru wartości ograniczenia prądowego:

Zaznaczone poniżej piny służą do wyboru wyjścia 3.3V lub 5V na płytkę stykową:

Zaznaczone poniżej diody LED odpowiednio informują nas o obecności zasilania na DC Jack (z drobną poprawką, o tym później), 5V oraz o przekroczeniu ograniczenia prądowego (podpisane OCP - OverCurrentProtection):

Projekt Eagle daję tu do pobrania, choć zaznaczam, że nie jest on poprawiany i nie zawiera usprawnień wymienionych pod koniec tematu.
Sam schemat w png:
breadBoard..._pdf-1.zip Download (76.02 kB)Points: 2 for user
Eagle .brd i .sch:
breadBoart...ply11b.zip Download (175.12 kB)Points: 4 for user

Użyte elementy
Najważniejszym elementem w moim zasilaczu jest mało znany układ MIC2019. To on pełni rolę ograniczenia prądowego:

Posiada on 6 pinów i dostępny jest w małej obudowie SOT-23:

Jego piny mają następującą rolę:
- VIN - wejście zasilania
- VOUT - wyjście zasilania (wewnętrzna rezystancja około 150mΩ przy 5V); odcinane jest w razie wystąpienia przeciążenia
- ILIMIT - na ten pin podłączamy rezystor/rezystory które określają maksymalną dopuszczoną wartość prądu
- FAULT - na tym pinie pojawia się wartość niska jeśli układ limituje aktywnie prąd (pin ten jest w konfiguracji open-drain)
- ENABLE - pin ten pozwala włączyć lub wyłączyć układ; w zależności konkretnej wersji układu jego pracę blokować może stan wysoki lub niski na tym pinie (należy sprawdzić w dokumentacji, czy mamy wersję active-low czy active-high)
MIC2019 w różnych wersjach, na co trzeba uważać przy zamawianiu:

Wartość ograniczenia prądu dla MIC2019 określa się rezystorem i opisywana jest wzorem:

Warto podkreślić, że MIC2019 w trakcie działania ograniczenia prądu (gdy dozwolony prąd zostanie przekroczony) zachowuje się jak źródło prądowe:

MIC20XX nota katalogowa:
mic20x..pdf Download (1.28 MB)
Oprócz tego użyłem dwóch regulatorów LDO z rodziny MIC2940A:


A dokładniej to MIC2940A-3.3WU (3.3V LDO) i MIC2940A-5.0WU (5V LDO). Tu macie kilka ich parametrów:

MIC2940A nota katalogowa:
MIC2940A-4...06000A.pdf Download (1.38 MB)
Dodatkowo użyłem dwóch tranzystorów BC847 (czyli BC547 w SMD) do sterowania diodami OCP:

Oraz pojedynczego tranzystora MOSFET z kanałem typu P, IRLML6402TRPBF, do odcinania napięcia 5V na złączu USB gdy zasilamy moduł z DC Jack:



Lutowanie zasilacza
Samo PCB oczywiście zleciłem płytkarni, mi zostało "jedynie" lutowanie:

Kilka przygotowanych elementów:

Użyta lutownica (UYUE 301D/APD931/BT136S):

Początek lutowania; złącze USB; PTC fuse; tranzystora IRLML6402TRPBF:

IRLML6402TRPBF ma oznaczenie E8HAT:



Lutowanie pierwszego MIC2019 (jego oznaczenie SMD: FSAA):

Pierwsze sprawdzenie działania OCP (tego na 3.3V). Zrobienie zwarcia na szynie zasilania płytki stykowej powoduje zapalenie się czerwonej diody:

Lutowanie tranzystora od diody OCP na 5V:

(na schemacie jest to BC847, ale tu widzę, że użyłem MMBT2222A z oznaczeniem SMD 1P, ale to mała różnica tutaj)
Sprawdzenie OCP na 5V:

Gotowy zasilacz:

(uwaga: na jednym ze zdjęć wykonanych w trakcie lutowania jest pewien dość oczywisty błąd, który nie występuje na schemacie. Potem go oczywiście poprawiłem, ale nie sugerujcie się zdjęciami)

Sprawdzenie 5V na złączu USB przy zasilaniu z DC Jack
Zasilacz zawiera układ odcinający dopływ 5V od złącza USB w przypadku zasilania go przez złącze Jack. Układ ten opiera się na tym, że złącze Jack zawiera trzeci pin którego zwarcie do masy informuje nas o tym, że w złączu nie ma wtyczki. Układ ten korzysta z tranzystora MOSFET IRLML6402. Poniżej sprawdzenie, czy spełnia swoją rolę:

Układ działa i poprawnie odcina zasilanie ze złącza USB.

Sprawdzenie ograniczenia prądowego
Na koniec sprawdziłem jeszcze dokładnie ograniczenie prądowe za pomocą sztucznego obciążenia LD25. Wartość ograniczenia prądowego określana jest przez zworki na płytce, można wybrać jedną z czterech wartości, a to jakie cztery wartości zależy już od nas (od tego jakie rezystory na płytce przylutujemy).
Poziom pierwszy - 0.3A:

Poziom drugi - 0.4A (mógłby być nieco wyższy, zmienię odp. rezystor):

Poziom trzeci - 0.78A:

Poziom ostatni (poza skalą):


Co można by zrobić lepiej?
To było moje pierwsze podejście do zrobienia własnego modułu zasilacza. Również to było moje pierwsze starcie z MIC2019. Dużo można byłoby zaprojektować i zrobić lepiej, m. in:
- te rezystory do wyboru ograniczenia prądowego (za pomocą zworek) można by zamienić po prostu na jakiś mały potencjometr, może ze skalą na PCB...
- ew. można by lepiej dobrać rezystory do ograniczenia prądowego (ale to nie problem, w bieżącej wersji można po prostu wlutować inne wartości)
- podłączenie diody LED świadczącej o obecności napięcia na VIN (na Jack) jest niepoprawne i teraz ona się świeci nawet jak zasilamy moduł z USB. To trzeba poprawić, można po prostu ją przenieść przed diodę Schottky'ego
- na płytce jest już złącze USB, można by wyprowadzić jakoś na PCB sygnały D+ i D- bo mi by się mogły przydać (np. dla PICów z USB, są takie nawet w obudowach DIP)
- alternatywnie można by złącze USB użyć do zrobienia konwertera USB na UART, na płytce można zmieścić np. MCP2221 w obudowie QFN
- można by podwoić piny VOUT i GND wchodzące w płytkę stykową by moduł lepiej i solidniej w niej siedział
- można by ogólnie poprawić layout PCB
Tyle poprawek przychodzi mi teraz do głowy, reszta wyjdzie w trakcie użytkowania.

Podsumowanie
To była pierwsza wersja mojego modułu zasilania do płytek stykowych. Wkrótce zamierzam zrobić jego drugą, ulepszoną wersję, w której poprawię m. in. problemy wymienione w powyższym akapicie. Na razie jednak nie mam czasu go ulepszać, więc daję na forum w wersji w takiej w jakiej jest.
Wszystkie źródła PCB umieszczam do pobrania.

p.kaczmarek2 wrote:

- możliwość zasilania poprzez złącze DC Jack (do 12V a nawet wyżej, ale wtedy już mocno się grzeje)

Czyli jakim napięciem można zasilić bez obaw? Bo 12 to jest czasem mało. Typowy akumlator ma 13V6.
.

trol.six wrote:

p.kaczmarek2 wrote:

- możliwość zasilania poprzez złącze DC Jack (do 12V a nawet wyżej, ale wtedy już mocno się grzeje)

Czyli jakim napięciem można zasilić bez obaw? Bo 12 to jest czasem mało. Typowy akumlator ma 13V6.
.

To determinuje użyty regulator 5V, gdyż ten 3.3V jest do niego podłączony. W przypadku MIC2940A-5.0 mamy:

Ale on ma standardowy footprint, wiec można też wsadzić tam coś innego.

EDIT: a i tak dla jasności, ten MIC to jest regulator LDO, na zrzucie z noty te "od 2V" nie oznacza, ze można dać 2V na DC Jacka i to zadziała, ta informacja jest tam bo są różne wersje MIC o różnych napięciach wyjściowych. Na DC Jack trzeba dać napięcie co najmniej wyższe od 5V o:

Dlaczego nie zastosowałeś gniazd USB i DC w wersji przewlekanej? W tej wersji łatwo będzie wyrwać je razem z padami podczas manewrów "stykówką".

p.kaczmarek2 wrote:

Oraz pojedynczego tranzystora MOSFET z kanałem typu P, IRLML6402TRPBF, do odcinania napięcia 5V na złączu USB gdy zasilamy moduł z DC Jack:

Mógłbyś mi objaśnić mechanizm jego działania? Bo jakieś zaćmienie mam...

Kiedy podłączysz USB, to masz 5 V na "USBVCC" i odpowiednio mniejsze (o spadek napięcia na diodzie zawartej w Q1) na szynie "5V". Bramka tranzystora jest na potencjale masy, ale ponieważ tranzystor włączony jest odwrotnie, czyli drenem do wyższego potencjału, to nie ma znaczenia - i tak przewodzi wbudowana dioda.
Kiedy podłączysz DC Jack, na szynie "5V" jest 5 V, dioda w Q1 jest spolaryzowana zaporowo, a tranzystor wyłączony.

Reasumując - wydaje mi się, że gdybyś tam dał tylko diodę wyszłoby na to samo. Gdzie jest błąd w moim rozumowaniu?



EDYCJA:

Zacząłem wątpić, więc szybko podłączyłem P_MOSFET do zasilacza. Dren do plusa, źródło do minusa i ograniczenie prądowe na 10 mA. Niezależnie od potencjału bramki, napięcie dren - źródło zawsze wynosi ok 0,55 V, czyli przewodzi dioda.

Tak na serio to trochę byś poćwiczył lutowanie elementów smd

zgierzman wrote:

Dren do plusa, źródło do minusa

No i błąd, bo w stanie działania źródło jest na potencjale 5V-napięcie na diodzie czyli jakieś 4V5, a to powoduje włączenie tranzystora. Tak jak piszesz, jest tylko podczas włączenia gdy kondensator C4 ma zero napięcia, lub podczas ewentualnego zwarcia.
.

ArturAVS wrote:

Dlaczego nie zastosowałeś gniazd USB i DC w wersji przewlekanej? W tej wersji łatwo będzie wyrwać je razem z padami podczas manewrów "stykówką".

Nawet o tym nie pomyślałem. Rzeczywiście zdarzyło Ci się wyrwać ten typ gniazda, ten z czterema padami? Może jakieś niskiej jakości PCB było?

Kiedyś nieświadomie użyłem takiego złącza micro USB (z dwoma padami):

użyłem go na swojej modyfikacji płytki "Bare Bones" pod PIC32MZ (nie wrzucanej jeszcze na DIY):

i to rzeczywiście był błąd, już mi się wyrwało te złacze. Od tego czasu przerzuciłem się na złącza takie jak w projekcie z tematu i jest ok. Uważam je za solidne, a cztery pady trzymają się dobrze płytki.

zgierzman wrote:

p.kaczmarek2 wrote:

Oraz pojedynczego tranzystora MOSFET z kanałem typu P, IRLML6402TRPBF, do odcinania napięcia 5V na złączu USB gdy zasilamy moduł z DC Jack:

Mógłbyś mi objaśnić mechanizm jego działania? Bo jakieś zaćmienie mam...

To jest MOSFET z kanałem typu P:

Ja to widzę tak:
1. jeśli nie ma w DC Jack wtyku, to bramka jest na potencjale masy. Dajemy 5V na USBVCC, przewodzi dioda wewnętrzna od drenu do źródła naszego MOSFETa. Wtedy Na bramce jest 0V, a na źródle jest 5V obniżone o spadek napięcia na diodzie, powiedzmy 4.5V, czyli Vgs = -4.5 To starcza, by MOSFET przewodził
2. jeśli w DC jack jest wtyk, to wtedy bramka odpina się od masy i jest tylko rezystor 10k do 5V pull up, który ładuje bramkę. Wtedy też na źródle MOSFETu jest 5V, wiec Vgs = 0. Wiec MOSFET nie przewodzi.
A czemu nie dioda? Spadek napięcia na niej byłby większy. Zobacz jaki Rdson ma MOSFET (choć pewnie by się dało dobrać lepszy, wziąłem taki jaki miałem pod reką)

p.kaczmarek2 wrote:

Rzeczywiście zdarzyło Ci się wyrwać ten typ gniazda, ten z czterema padami?

Tak i to nie raz, na "moich" pcb jak i fabrycznych.

p.kaczmarek2 wrote:

to rzeczywiście był błąd, już mi się wyrwało te złacze.

Czyli widzisz jak łatwo wyrwać. Dla chcących powielić płytkę może to być problem.

ArturAVS wrote:

Tak i to nie raz, na "moich" pcb jak i fabrycznych.

W takim razie będę mieć to na uwadze. Na pewno lepiej zrobić bardziej solidnie niż mniej

ArturAVS wrote:

Czyli widzisz jak łatwo wyrwać. Dla chcących powielić płytkę może to być problem.

Tam jest troszkę inna sytuacja, dwa pady, mniejsze złącze a do tego te pady nie mają połączenia miedzią dalej z PCB (też troszkę nieprzemyślany design wychodzi, ale to było około trzy lata temu):

a na tej z tematu jest duża powierzchnia miedzi pod padami:

Ja staram się przy wszelakiego rodzaju gniazdach/złączach robić jak największe pady się da. Bo znając życie gniazdo to jeden z najbardziej narażonych mechanicznie elementów(zwłaszcza te mocowane tylko do PCB).

p.kaczmarek2 wrote:

Wtedy też na źródle MOSFETu jest 5V, wiec Vgs = 0. Wiec MOSFET nie przewodzi.

Ale wciąż przewodzi wbudowana w nim dioda. Czyli stabilizator wciąż zasilany jest napięciem około 4,7V. Ten mosfet powinien być wpięty odwrotnie tak, żeby przy zamkniętym kanale dioda była spolaryzowana zaporowo.

grzewoj wrote:

p.kaczmarek2 wrote:

Wtedy też na źródle MOSFETu jest 5V, wiec Vgs = 0. Wiec MOSFET nie przewodzi.

Ale wciąż przewodzi wbudowana w nim dioda. Czyli stabilizator wciąż zasilany jest napięciem około 4,7V. Ten mosfet powinien być wpięty odwrotnie tak, żeby przy zamkniętym kanale dioda była spolaryzowana zaporowo.

W tej sytuacji stabilizator 3.3V nie jest zasilany napięciem około 4.7V gdyż jest zasilany ze złącza DC Jack, poprzez regulator 5V. 5V z tego regulatora jest podpięte już po drugiej stronie, bezpośrednio na wejście reg 3.3V.

Jak byś to odwrotnie podłączył?

Jarzabek666 wrote:

Tak na serio to trochę byś poćwiczył lutowanie elementów smd

Tak, w pełni się zgadzam. Projekt bardzo fajny, wiadomo że pierwsza wersja nigdy nie jest docelowym produktem. Niemniej jest to pożyteczny moduł, którego chinole jeszcze chyba nie klepią. Natomiast sposób lutowania SMD musisz zmienić, mniejsza lutownica, jakiś topnik, pozycjonowanie elementów i będzie fabryka. Wiesz, pokazujesz zdjęcia projektu, to cholernie czuły punkt - te zdjęcia Generalnie ode mnie plus.

Dodano po 2 [minuty]:

p.kaczmarek2 wrote:

Rzeczywiście zdarzyło Ci się wyrwać ten typ gniazda, ten z czterema padami? Może jakieś niskiej jakości PCB było?

Dla zasady stosuj gniazda THT, zawsze masz kolejne punkty podparcia. Tym bardziej, że tu nie masz ani konkretnej obudowy, ani stabilnego położenia. Na stykówce z natury wszystko się rusza. Jednak traktuj to jako choroby wieku dziecięcego konstrukcji, to nie jest jakiś duży błąd, ot, szukamy optymalnego rozwiązania.

Witam,
Bardzo fajny projekt i ciekawy pomysł. Gdzie można kupić układy MIC2940?
Pozdrawiam

Fragment schematu przytoczony w #5 nie daje mi spokoju. Po rozrysowaniu i pominięciu nieznaczących elementów wychodzi coś takiego:

Jakkolwiek w przypadku zasilania z USB na wyjściach pojawią się napięcia, to widać, że tranzystor jest niewłaściwie podłączony. Przewodzi jego dioda pasożytnicza.

Gorzej natomiast wygląda przypadek zasilania z górnego gniazda.

Tak sobie myślę, czy autor nie pospieszył się z rysowaniem schematu. Gdyby odwrócić tranzystor i złącze zasilania...

p.kaczmarek2 wrote:

Jak byś to odwrotnie podłączył?

Zamienił D z S