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Petite alimentation à haut rendement

Buck Converter MP1584

mp


La problématique des alimentations
Raisons du choix de cette platine MP1584
Le potentiomètre
Coupure de l’alimentation du Nextion
Conclusion

Maj : 30/05/20

Abstract :
This buck lower converter is a small and cheap device, with a very good efficiency.
It convert a supply voltage to the needs of microcontrolers environements.
This card is a part of my project <Nextion> arduino

Résumé :
Ce convertisseur abaisseur buck est un petit appareil bon marché, au très bon rendement.
Il convertit une tension d'alimentation pour les besoins des environnements de microcontrôleurs.
Cette carte fait partie de mon projet <Nextion> arduino

arduino  La problématique des alimentations

Dans le cas de l’utilisation d’un afficheur Nextion, la conception des cartes d’extension pour microcontrôleurs a montré le besoin de sélectionner deux alimentations indépendantes, pour des tensions et courants différents.
Les écarts des rendements font privilégier les régulateurs à découpage aux régulateurs linéaires.

Les cartes d’extension ont un jack d’entrée classique comme pour la famille des anciens Arduino, en 5.5 x 2.1 mm.
Les mesures de rendement se font avec une tension d’entrée classique de 13.6 V, mais en exploitation les cartes doivent accepter entre 8 et 30 Volts.

-L’alimentation principale pour un ESP32 sera de 3.3 V permanent sous 30 mA.

Rendement à faible courant d’une pompe down converter en 13.6 V -> 3.3 V = 80%
Consommation sur le 13.6 V = 30 * (3.3 /13.6) / 0.8 = 9 mA
En sommeil elle est presque de zéro.

Si l’on était passé par un régulateur linéaire : 30 mA en 3.3 V = 30 mA en 13 .6 V
soit un rendement de 3.3/13.6 = 24%, la puissance de 30 mA* (13.6-3.3 V) = 300 mW,
soit les 76% restants étant dissipés en chaleur perdue.


-Le très vorace Nextion demande 5 V, 500 mA, qu’il faut couper automatiquement à la demande par une commande d’un port GPIO, quand personne n’est en face de l’afficheur.

Rendement à fort courant d’une pompe down converter en 13.6 V -> 5 V = 90%
Consommation sur le 13.6 V = 500 * (5 /13.6) / 0.9 = 150 mA

J’ai testé diverses platines de convertisseurs pour répondre à ces besoins, mais aucune ne m’a réellement convaincu, quant au rendement, au bruit résiduel, à la taille…
Le choix final s’est porté sur le MP1584.

La première version n’implantait pas ces deux alimentations, elles sont montées en sauvage sur la zone libre, mais la deuxième version les intégre grâce à la surface un peu plus grande.

 

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arduino  Raisons du choix de cette platine MP1584

Pour mes premières cartes, j’avais commandé une première fournée d’une dizaine de cartes d’alimentation (down converters).
Les platines chinoises MP1584EN à 6€ les dix (port compris), délai un à deux mois, ont un prix imbattable au vu des composants implantés.
L’examen du datasheet du MP1584EN montre que c’est un excellent circuit très répandu.

 

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1 La première mauvaise surprise

Ce premier lot arrivé, je suis passé aux tests !

L’étude du datasheet m’a montré que la consommation à vide (mode sommeil) devrait être inférieure à 1 mA sur le 12 V.
Constatations immédiates contraires aux spécifications :

Pour 5 V,  500 mA, le chip chauffe très anormalement, rendement médiocre.

Pour 3.3 V, sortie en l’air consommation à vide de 23 mA sur le 12 V, au lieu des moins du 1 mA attendu !


Devant ces résultats catastrophiques j’ai examiné de plus près les cartes.
Sur tous les sites eBay, Bangood,…, la photo de la carte montre bien un vrai chip, bien implanté comme sur le datasheet du MP1584EN.
Malheureusement, les cartes envoyées ne sont pas du tout les mèmes, comme vous pouvez le voir sur les photos, ce n’est absolument pas un vrai chip, mais un faux piratage chinois sans sérigraphie, aux pattes dans un ordre tout différent et aux performances lamentables.

Vrai : Vin pin 7, Self  (SW) pin 5, GND pin 5…
Faux: Vin pin 2, Self  (SW) pin 3, GND pin 4…

Un rapide reverse engineering de la carte m’a laissé très perplexe.
Le montage des composants n’est pas du tout conforme à la photo de l’annonce.
Le chip sans marque à une répartition des pattes farfelue et jamais vue, qui ne correspond à aucun circuit existant sur les catalogues.
L’idée était d’exploiter les modes sommeil pour travailler à des courants moyens très faibles, c’est évidement exclu avec cet ersatz défectueux.

C’est de la tromperie !

 

 

Après échanges dans le forum Arduino, il m’a été signalé que ceux-ci sont des vrais : fr.aliexpress.com/...
J'ai reçu ces 15 vrais modules de chez AliExpress, livrés en 15 jours, pour une somme totale de 7.69€, soit 0.50€ la pièce.
Depuis j’ai commandé plusieurs autres lots de 10 qui se sont avérés bons


<Attention aux lamentables contrefaçons> Je répète encore : Les faux consommaient 23 mA à vide !

Ces vrais modèles consomment 0.24 mA à vide soit 100 fois moins.
En charge, sur résistance 10 ohms, 3.3V 330 mA, avec en entrée 13.3V 101.6mA
Le rendement est donc : (3.3 * 0.330) / 13.3 * 0.1016) = 0.8
En sortie 5V, 0.6 A, le rendement monte à 88%

Excellent rendement de 80 à 88% conforme aux spécifications.

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arduino  Le potentiomètre

Il faut remplacer le fragile et minuscule potentiomètre par deux résistances fixes ou le noyer dans une goutte de cire de bougie pour le protéger car il est trop instable, et les tensions de sorties pourraient être imprévisibles.

Dans cette phase, l’examen du circuit montre une curiosité.
Le datasheet préconise une résistance optimale pour R2 de 40 kOhms, celle montée sur la carte (série microscopique 0603 de 1.5*0.76 mm) marquée 822 fait en réalité 7.8 kOhms (choix curieux).
La taille de la CMS rend son remplacement délicat
Le potentiomètre (monté en résistance variable) doit donc être calé en 25.95 kOhms pour le 3.3 V et en 43.5 kOms pour le 5 V.
Attention, il faudra ajuster car la référence n’est pas exactement à 0.8 Volt…
Pour ce faire, je dessoude le petit potentiomètre à l’air chaud, je soude provisoirement un potentiomètre multitours professionnel de 50 kOhms, sur deux fils fins le temps de trouver les bonnes valeurs.
Il faut maintenant trouver dans ses stocks de CMS deux résistances disponibles pour faire un assemblage parallèle afin de trouver exactement le bon résultat.
Il est plus facile d’empiler deux CMS dans l’espace disponible que de tenter la solution série.
Consultez pour cela la page Wikipedia qui liste les valeurs en fonctions des séries et cherchez ce dont vous disposez : wikipedia.org...
Les prix ses séries CMS sont dérisoires en Chine, il faut faire du stock.
J’ai déterminé pour mon cas, sans changer R2 :
Pour le 5 V : (Série E12) : 68 en // sur 120 pour faire 43.5 kOhms (exactement 43.4)
Pour le 3.3 V : 35 en // sur 100 pour faire 25.95 kOhms (exactement 25.95)

 

1 Petite curiosité

La consommation typique à vide est annoncée à 100 µA sur le datasheet, elle est en réalité du double sur la carte, cela provient du choix hasardeux des composants installés par défaut.
Cela n’est pas très gênant, le rendement reste très bon pour des consommations raisonnables.

 

1 Autre anomalie

Le fait de prendre des libertés avec les valeurs optimales du constructeur à toujours des effets secondaires comme par exemple :
Sous 5 V, réglé exactement à vide et jusqu’à 50 mA, la tension augmente à 5.23 V pour 500 mA.
Il faudra tester pour sa plage de consommation, et si les tensions sont critiques, une petite résistance sera insérée en sortie VOut
Dans cet exemple une résistance de 0.46 Ohms, fera chuter de  230 mV à 500 mA pour retrouver exactement 5 V, la perte de 23 mV sous 50 mA sera négligeable.

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arduino  Coupure de l’alimentation du Nextion

Il est indispensable d’éteindre le Nextion, qui consomme 500 mA sous 5V, si personne n’est devant.
C’est le rôle du radar et du capteur infrarouge de fournir cette information traitée par un ATTiny.

Le plus simple est de souder un petit fil au point commun entre les deux résistances R5 et R8 pour court-circuiter R8 et mettre la commande Enable à zéro ce passe en consommation nulle (0.2 mA).
Ce fil va sur le drain d’un minuscule Mosfet N en SOT23 comme l’ AO3400A (moins de 4€ les 100 pièces), qui convient parfaitement.
Une patte GPIO commande la gate pour réaliser un commutateur parfait.

Pour éteindre le Nextion, il n’y a aucun problème, mais pour le rallumer c’est moins simple car il a tout perdu.
Nous verrons dans le logiciel comment il faudra tout réinitialiser et retrouver l’état qu’il avait avant la coupure.

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arduino  Conclusion

Une platine toute montée comme celle-ci à 0.50 € est tout à fait imbattable et permet de résoudre les problèmes d’alimentation Arduino et des périphériques avec un très bon rendement.
Il faut simplement ne pas tomber sur une contrefaçon inutilisable, mais au vu des sommes engagées, l’enjeu reste raisonnable.

Même pour une simple application sans périphérique extérieur, en termes de rendement, il est bien préférable de passer par un convertisseur abaisseur Buck.
Le régulateur linéaire d’origine d’une carte Arduino dissipe l’excès de tension en chaleur : W = RI ² watts

Le rendement pour une alimention de 13.6 V vers 3.3 est de 3.3/13.6 soit de 24 %
Avec un buck converter, il est supérieur à 80 %

Les ours polaires vous seront reconnaissants de moins échauffer la planète…

Vous trouverez en pages <électronique>, les détails sur l’utilisation de cette carte avec le Nextion arduino

 

© Christian Couderc 1999-2019     Toute reproduction interdite sans mon autorisation


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