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ESP32を電池2本くらいで動作させるための昇降圧DCDCコンバータ回路をリベンジしました

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ISL91107IRTNZ

前回の回路ではESP32がWiFiに接続しようとすると電圧が低下してしまい、ESP32がリブートしてしまいました。今回はもう少し大きな電流が出力できるDCDCコンバータに変更して、ESP32を電池2本くらいで動作させることができるのか、実験をしてみようと思います。

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ISL91107IRTNZ

ISL91107IRTNZデータシート

ISL91107IRTNZは、1.8Vから5.5Vで動作する、3.3V、最大2A出力の昇降圧DCDCコンバータICです。必要な部品は、入出力にセラミックコンデンサと、コイルだけととてもシンプルです。データシートのグラフを見ると2.5Vで1A以上出力できていますね。これであればESP32のWiFi接続時の大電流もカバーできるのではないでしょうか。

こちらが、そのICです。前回同様、0.5mmピッチのとてもとても小さなICとなっています。

あまりにも小さすぎるので、デジタル顕微鏡をみながら、プルプル手が震えながらやっとのことではんだ付けできました。

デジタル顕微鏡は、あるととても便利ですよ。使っているデジタル顕微鏡の詳細はこちら。

なんとかはんだ付け完了です。配線には0.1mmのポリウレタン線を使っています。

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動作確認

5Vくらいの電気を安定化電源から供給してみました。しっかり3.3Vが出力されています。DCDCコンバータは、正常に動作しているようです。

今回使っている安定化電源に関しては、こちらをご覧ください。

ESP32につないでみます。電池2本でも3.3Vが供給されています。しかし

WiFiに接続しようとした瞬間に、DCDCコンバータの出力電圧が0.8Vに低下してしまいました。このDCDCコンバータICは、フェールセーフのためなのか、一度0.8Vの状態になってしまうと、負荷を切り離しても3.3Vに復帰しません。一度電源を切って再投入をしないと3.3Vが出力されない仕組みになっています。

また、電源電圧を0Vからゆっくり上げていくのもNGで、低い電圧の時に過負荷の状態になってしまい、5Vまで入力電圧を上げていっても、出力が0.8Vのままになってしまいます。

一度過負荷の状態になってしまうと、電源を一回切り、再投入をしない限りは電源が出力されない仕組みなため、不安定な電源を使っている場合にはデッドロックするため今回の用途ではちょっと不便なDCDCコンバータICかもしれません。

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過負荷にならないためには何V必要か

入力電圧が何Vだったら、ESP32がWiFiに接続しても過負荷にならないのか調べてみました。すると、入力電圧は3.5V以上必要でした。出力2AのDCDCコンバータでもESP32の大電流には対応するには、電池2本のような低い電圧では駆動できないようです。

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抵抗を入れてみた

過電流の軽減

ちょっと思いついたアイデアを試してみようと思います。過電流を制限するために、DCDCコンバータと、ESP32の間に抵抗1Ωを入れて、突然の大電流の衝撃吸収のために100uFのタンタルコンデンサを追加してみます。

すると、WiFi接続時の突入電流が緩和されたためか、これまで3.5V必要だった入力電圧を2.9Vまで下げても、過負荷にならずDCDCコンバータが停止することはありませんでした。

これ以上電圧を下げると、ESP32のブラウンアウトリセットがかかるようになってしまいました。1Ωの抵抗を入れることで、WiFi接続時にはDCDCコンバータの出力電圧が低下してしまい、ブラウンアウト電圧に達してしまうようです。

抵抗値を0.5Ωにしてみたところ、DCDCコンバータがすぐに過負荷になってしまい、抵抗を入れない時とあまり変化がないようでした。逆に2Ωの場合には電圧降下が大きいのか、ブラウンアウトリセットが頻発してしまいました。

また100uFのタンタルコンデンサを470uFと大容量化すると、電源投入時の突入電流によってDCDCコンバータが過負荷になってしまい、正常に動作しませんでした。

このため、1Ωと100uFの組み合わせが良さそうです。

以前の回路でも効果あるのかも

今回の回路で効果があったということは、以前作った、TPS63001の昇降圧DCDCコンバータ回路でも効果があるのかもしれません。そこで、抵抗とコンデンサを入れて効果があるのか試してみました。

DCDCコンバータの出力に1Ωの抵抗と100uFのタンタルコンデンサを追加してみます。DCDCコンバータへの入力電圧を徐々に下げていくと、2.8Vまで正常に動作することがわかりました。抵抗がない場合には3.6V程度までしか動作しなかったのですが、これは大きな進歩です。

TPS63001の回路の方が、ISL91107IRTNZよりも0.1V低い電圧まで、ブラウンアウトリセットがかからずWiFi通信ができました。

ESP32はWiFi接続時の電流が大きすぎるため、抵抗とコンデンサによる電流の緩衝材のような機能が必要のようですね。

しかし、当初の目標の電池2本でESP32を動作させるのは無理のようです。最低でも3本は必要ですね。

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郵便受けアップデート

郵便が届いたらメールでお知らせしてくれる郵便受けを、この回路でアップデートしました。電池の電圧が3.6V程度になると機能が停止していたのですが、2.9Vまでは動作し続けてくれるようになりました。これまでよりも長期間動作してくれるはずです。

この郵便受けについてはこちらに詳しく書いてあります。

しばらく、使って様子をみようと思います。

2021.2.25 追加

しばらく使っていると、過負荷でDCDCが勝手に停止してしまうようになってしまいました。いろいろ試した結果、以前のDCDCの回路とDCDCの出力に1000uFの電解コンデンサを接続するという構成が結構いいようでした。そのため現在は、以前のDCDC+出力に1000uFで運用中です。

追加おわり

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