電池2〜3本(1.8V〜5.5V)の電圧を3.3Vに変換できる、昇降圧DCDCコンバータモジュールを作りました。

TPS63001

TPS63001は昇降圧ができるDCDCコンバータICシリーズの中で、3.3V固定出力のタイプのICです。このICは「電池2,3本で動作するESP32-C3ボードの設計方法」の記事で、ESP32-C3を電池で動作させるために使いました。

今回は、先日作ったESP32-C3用の電源部分を抜き出して、汎用的な電池2〜3本で動作する3.3V電源モジュールを作りたいと思います。

アートワーク

まずはモジュール1個分の基板を設計します。ICのパッドはとても小さいのですが、結構大きな電流が流れるため入出力のパターンは太くしてあります。

この基板を面付けするので、左右にミシン目を配置してあります。ミシン目は穴と穴の間は0.25mmにしました。

先ほどの基板を10枚面付けします。ちょうど10cm x 10cmのサイズになっています。

PCBgogoに基板を発注

パラメータの設定

PCBgogoに基板を発注します。いろいろパラメータがありますが、基本的には上の５カ所を設定すればOKです。

メタルマスクも一緒に作ってもらいます。ステンシルプリンターの機械がないので「枠なし」にします。また、元々のサイズがとても大きいので小さくカットしてもらいます。基板のサイズ+20mmがいい感じです。

以上でパラメータの設定は完了です。画面右側の「カートに入れる」をクリックします。

ガーバーファイルのアップロード

「ガーバーデータを入稿」をクリックして、ガーバーファイルのzipをアップロードします。「確認」をクリック。すると、PCBgogoでデータのチェックが開始されます。

支払い

データのチェックが完了するとメールが届きます。データのチェックは早いと数10分で完了します。右側の赤い「レジに進む」で支払いへと進みます。

お好みの配送手段を選択し、右側の「支払い」をクリックします。PayPalの支払い画面が表示されるので、PayPalやクレジットカードで支払いを行います。

以上で発注完了です。

基板が届く

発注して10日ほどで基板が届きました。これまではPCBgogoのロゴが入った箱だったのですが、白い箱に変わっていました。

TPS63001はVSON(10)という0.5mmピッチ、幅0.25mmのとても小さなパッドなのですが、とっても綺麗に製造されています。

何よりすごいのが、今回10枚面付けした基板を10枚製造してもらったのですが、子基板の全てが良品だったのです。

基板の発注時に、子基板の一部に製造不良が入ってもOKですという「Xマーク基板を許容できる」を「はい」にしているので、子基板に不良が混入する可能性があります。

しかし、これまで何度もPCBgogoで「Xマーク基板を許容できる」を「はい」にして基板を発注していますが、1回も不良に当たったことがありません。

子基板が不良になってしまう可能性もあるのでしょうが、PCBgogoの製造品質が高いためか、その確率はかなり低いのかもしれませんね。

組み立て

はんだペーストの印刷

基板にメタルマスクを乗せて、マップピンで位置合わせをします。クリームはんだには低融点の鉛フリーはんだを使います。138度で溶けるので普通のオーブンでも簡単にリフローできます。

スキージでクリームはんだを手前に引き寄せながら、印刷します。

マップピンで基板とメタルマスクの位置合わせをしているので、VSONの0.25mm幅のパッドにも正確な位置にクリームはんだが印刷できています。

部品の実装

以前作ったSMDフィーダーと、電動バキュームピック HAKKO394を使って部品を実装していきます。

電動バキュームピックのおかげで、スムーズに実装が完了しました。

リフロー

コンベクションオーブンでリフローします。100度→120度→140度→165度と温度を変化させてリフローします。

基板が完成しました!!

動作テスト

電源をつないで、1.8V、3V、5Vと入力電圧を変化させてみます。昇降圧DCDCコンバータなので、入力電圧が3.3V以下の時は昇圧して3.3を出力し、入力電圧が3.3V以上の場合は降圧して3.3Vを出力していることが確認できました。

無負荷時の消費電流は

• 1.8v 12.38mA
• 3v 3.7mA
• 4.5v 6.16mA
• 5v 7.8mA
  

と、入力電圧が3.3Vから離れるほど、消費電流が大きい結果となりました。

今回のDCDCコンバータには、軽負荷時にPWMからPFM動作することで省電力動作する、ECOモードがあります。

左側のジャンパーをカットして、右側のジャンパーをショートします。これでECOモードになります。

ECOモード無負荷時の消費電流

• 1.8v 100uA
• 3v 60uA
• 4.5v 130uA
• 5v 140uA

かなり低消費電流になりましたね。

完成！

電池2〜3本(1.8V〜5.5V)の電圧を3.3Vに変換できる、昇降圧DCDCコンバータモジュールが完成しました！！

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