これまでのニキシー管用DCDCを作ってきた知見を全て注ぎ込み、最終版(希望)のDCDCコンバータを設計しました。
ブロック図
上の図が、最終版(にしたい)ニキシー管用DCDCコンバータのブロック図です。
電源入力部分に固体コンデンサとセラミックコンデンサの2種類を接続します。入力電圧と出力電圧の差がとても大きいため、DCDCコンバータによる電流の吸い込みがかなり大きいです。
電解コンデンサだけではインピーダンスが高いために、瞬間的な大電流を供給が間に合いません。一つ前の設計ではインピーダンスの低い固体コンデンサにしたのですが、コンデンサの寿命を伸ばす目的で、セラミックコンデンサも並列に接続することにしました。瞬間的な大電流はセラミックコンデンサに頼り、それよりも遅い大電流は固体コンデンサに頼ることにします。
固体コンデンサの容量が小さいと、DCDCコンバータの最大出力電流も小さくなってしまうことが実験でわかりました。このため、基板に収まるサイズでなるべく大きな容量を選択します。
また、入力電圧はこれまではUSBから供給することを考えて5Vのみとしていましたが、入力電圧を９Vや12Vと上げることで変換効率も改善し、出力電流が増大することがわかりました。このため、12Vまで許容できるよう16V耐圧の固体コンデンサにしました。
出力のコンデンサですが、これまでは寿命を考えてセラミックコンデンサにしていました。しかし高電圧かつ大容量のセラミックコンデンサの選択肢はほとんどなく、しかも容量の高い物はとても高価です。また、セラミックコンデンサは175Vで充電すると、1uF容量の物で40%以下に容量が減ってしまいます。ニキシー管を点灯されるのであれば、特にリップルが多くても気にならないかもしれません。
しかし、もう少し安定化させるため、高電圧の電解コンデンサも実装できるようにしました。電解コンデンサは寿命があります。しかし例えば、4uF程度の電解コンデンサを選択したとし、容量が減って1uF程度になったとしても、セラミックコンデンサよりはましなのではないかと思っています。電解コンデンサには10000h@105度のなるべく長寿命の物を選択しました。
KiCadで基板を設計
入力と出力のコンデンサが固体コンデンサとなってしまったために、高さのあるモジュールになってしまいまいた。
基板サイズが10cm x 10cmであれば安価に製造できるため、10cmの基板の中に8個面付けしました。
JLCPCBに基板を発注
安価に基板を作ってくれるJLCPCBに基板を発注します。
「Add gerber file」をクリックしてzipで圧縮したガーバーファイルをアップロードします。
続いて基板の製造パラメータを設定していきます。
- 面付けした基板なので「Delivery Format」を「Panel by Customer」に変更し、4x2面付けしたのでColumnを「4」に、Rowを「2」にします
- 基板の色を「Black」にします。JLCPCBのブラックはやや艶消しの綺麗な黒です
- DCDC基板の端面に端面スルーホールがあるので、「Castellated Holes」を「Yes」に変更して、1つの子基板に2面あるため「Edges」で「2」を選択します。
- メタルマスクも一緒に作ってもらいます。枠は不要なので「Framework」は「No」にします
- 表面にしか部品が実装されていないので「Stencil Side」を「Top」にします
- 基板とメタルマスクとは画鋲を使って位置合わせできるようにデータを作っています。メタルマスクにも穴が開くように「Fiducials」を「Etched Through」にします。
以上で設定が完了です。
右側にある「SAVE TO CART」をクリックしてカートに入れいます。
8ピンSOP ICのDIP変換基板も一緒にJLCPCBに発注したいので、次回はDIP変換基板の設計と注文を行いたいと思います。
2023.7.19 追加
追加終わり
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