3,3 voltin DC-DC Muunnin TPS62132 piirillä

Nykyaikaiset mikrokontrollerit ynnä muut digitaaliset laitteet tarvitsevat usein käyttöjännitteeksi 3,3 volttia. Tämän vuoksi halusin toteuttaa 3,3 voltin dc-dc muuntimen käyttämällä jotain valmista IC-piiriä. Texas Instrumentsilta löytyikin minun käyttööni sopiva piiri TPS62132. Kyseinen IC-piiri tarvitsee aika vähän ulkoisia komponentteja (5 komponenttia) itsensä lisäksi, jotta kytkennästä saadaan toimiva. Kyseisen piirin datalehti löytyy tästä osoitteesta, ja datasivuilla näytetäänkin kuinka piiri tulee kytkeä. Alla kuvakaappaus mainitusta:

Kytkennän toiminta

Kytkentä kokonaisuudessaan toimii aika yksinkertaisesti sisäisen kontrollerin ansiosta (sisäinen toiminta ei kuulu tämän kirjoituksen aihepiiriin). Piiri reguloi lähtevän jännitteen joko esiasetettuun arvoon, tai käyttäjän haluamaksi. Piiristä on saatavilla vakiojänniteasetuksella olevia versioita sekä säädettävää mallia oleva. Tarkemmat piirinumerot löytyvät datalehdestä, enkä niitä sen vuoksi tähän luettele. Käyttämäni malli on kuitenkin TPS62132 ja sille on esiasetettu 3,3 voltin lähtöjännite. Käyttöjännite tällä piirille voi olla 3,3 - 17 volttia ja hyötysuhteeksi luvataan yli 90%, eli paristokäyttöisessä laitteessa varsin hyvä piiri.

Koska käytän hyödykseni mallia jonka käyttöjännite on vakio eikä siis säädettävä, niin minun ei tarvinnut piirin FB-pinniä kytkeä jännitejakokytkentään, joka tyypillisesti muutoin kytkettäisiin tiettyyn jännitteeseen. FB-pinni on dc-dc-muuntimissa yleensä ns. 'FeedBack' -pinni, minkä mukaan muunnin joko nostaa tai laskee jännitettä, riippuen kytkennästä luonnollisesti.

SS/TR -pinniin kytkettävä pieni kondensaattori määrää piirin käynnistymisajan, joka kuvan kondensaattorilla on 1.65 millisekuntia. Kelana käytin pientä Würth Elektronikin 2,2 mikrohenryn kelaa (744 773 022). Piirin PG-nastasta voidaan mikrokontrollerille tai vastaavalle tuoda tieto siitä, kun jännite on kytkennässä ok. VOS-pinni kytketään kelan toiseen päähän. Tämä pinni havaitsee myös onko jännite oikea ja jos tämän jättää kytkemättä, ei piiri toimi oikein.

Käytettävistä kondensaattoreista sanotaan, että ne tulisi olla kerkoja ja low-ESR mallisia. Eli kondensaattoreita joiden sisäinen resistanssi on hyvin hyvin pieni. Tässä käytin kahta 10 mikrofaradin keraamista kondensaattoria (eli kerkoa). Näiden ESR-luvusta ei ollut hajuakaan, mutta en uskonut sen haittaavan.

Kokonaisuudessaan käyttämäni kytkennän näet tästä (PDF-tiedosto).

Piirilevyn teko

Alla näkyy muutama piirilevyn tekovaiheesta otettu kuva, jotka tuli kameralla räpsittyä.

Perinteiseen tapaan piirilevyn teko alkaa siirtokalvolle tulostettavalla kuvalla.

Sopivaa piirilevykokoa löytyy harvemmin, joten levyn katkominen sopivaan mittaan onnistuu suhteellisen helposti mattoveitsen ja pihtien avustuksella. Mattoveitsi vain kuluu nopeasti ja terä menee yhden katkaisun jälkeen vaihtoon.

Piirilevyn pinnan tulee olla puhdas ja rasvaton ennen kuvan siirtoa levylle. Kuvassa näkyy puhdistettu levy. Ylempään kuvaan verrattuna puhdasta ja likaista levyä ei ole vaikea erottaa silmällä.

Syövytysallas sanomalehden päällä. Edelleen korostan sitä, että ferrokloridilla syövytettäessä pitää olla huolellinen. Aine todellakin tahraa jokaisen paikan.

Syövytyksen jälkeen musta maskiaine poistetaan ja levy puhdistetaan uudestaan. Tämän jälkeen voi aloittaa komponenttien latomisen ja juottamisen. Reiätkin on hyvä porata ennen tätä vaihetta.

Käyttämäni IC-piiri oli QFN-kotelossa, eli jalattomassa pintaliitoskotelossa, joten yritin hieman erilaista lähestymistapaa kyseisen piirin paikalleen juottamisessa. Hella-menetelmä toimii ja on nopea, mutta piirin saaminen oikeaan kohtaan on hankalaa.

Bypass konkat, kela ja vastus paikoilleen. Sen jälkeen oikosulkujen tarkastaminen/poistaminen ja testaus.

Lopuksi vielä USB-mikroskooppikuva tästä varsin epäilyttävältä näyttävästä tinaklöntistä ;). Kuvassa siis pääosan esittäjä: TPS62132. Taustatanssijoina kela, vastus ja kerkot.

Testaus

Ensimmäinen käynnistyskerta ei sujunut ongelmitta. Nämä ongelmat ilmenivät siten, että lähtöjännitteenä näkyi vain 1 voltti kun syöttöjännite oli 5 volttia ja virtaakin kytkentään upposi 150 mA. Tarkastelun jälkeen lämmitin piirilevyä vielä lisää koska arvelin, että piiri ei ole juottunut kunnolla. Korjauksen jälkeen lähdössä näkyi kuitenkin liikaa jännitettä (4,2 V), jolloin epäilykseni heräsivät ja tarkastin olinko kytkenyt kaiken oikein. Ja kuten arvata saattaa, kytkennässähän oli ensin virhe.

Viimeisimmässä kuvassa näkyy pieni sininen hyppylanka, joka piti lisätä, koska alkuperäisessä kytkennässä oli virhe VOS-pinnin kytkemisessä. Olin kytkenyt sen epähuomiossa kelan väärään päähän, joten piiri ei toiminut oikein ja jännite näytti 4,2 volttia. Korjauksen jälkeen kytkentä kuitenkin toimi oikein, eikä piiri itsessään näyttänyt mittarin mukaan syövän sähköä juuri ollenkaan (mikroampeereita vain), käyttöjännitekin oli oikeat 3,3 volttia.

Kuormitin lähtöä hieman vastuksen avulla ja seurasin vielä notkahtaako lähtöjännite. Niin ei kuitenkaan käynyt, joten kaikki toimi kuten oli tarkoitettukin.

Havaintoja QFN-paketin käyttämisestä

Kuvassa näkyvä 14-pinninen QFN koteloinen TPS62132 piiri ei ole mikään valtavan suuri komponentti. Vertailun vuoksi kuvaan on ujutettu tavallinen kuulakärkikynä, joten sen koosta voi myös päätellä jotain. Piiri "istuu" piirilevylle tehdyn decalin päällä, jonka tulostin tarkistaessani että tekemäni decal on oikean kokoinen ennen siirtokuvan tulostamista.

Kotelon pohjassa oleva pad tulee juottaa maatasoon ja jäähdytyksestä pitäisi huolehtia läpiviennein. Tämä on harrastelijan näkökulmasta usein hankalaa ellei jopa mahdotonta, joten täytyy vain luottaa siihen, että riittävä määrä lämpöä ja tinaa juottaa pohjapadin paikoilleen.

Aivan aluksi oli ongelmia saada piiri juottumaan kunnolla sen pohjassa ja sivuilla olevista nastoista. Tähän kuitenkin auttoi kunnollinen kuumennus ja riittävä määrä tinaa sekä tunti-pari ähertämistä ja voivottelua. En tosin suosittele tätä kotelotyyppiä aloittelijoille tai edes muillekaan, mutta jos on pakko tällaista käyttää niin se onnistuu jos kärsivällisyyttä riittää. Juottaminen olisi myös paljon helpompaa, jos käytössä olisi oikea piirilevy, siis sellainen tehtaalta tullut juotteen-estopinnoitteineen.