Projeto de um PDB de alta potência (placa de distribuição de energia) para um Pixhawk: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Um PCB para alimentar todos eles!

Atualmente, a maioria dos materiais que você precisa para construir um drone está disponível a baixo custo na Internet, então a ideia de fazer um PCB desenvolvido por você mesmo não vale a pena, exceto em alguns casos em que você deseja fazer um drone estranho e poderoso. Nesse caso, é melhor você ser engenhoso ou ter um tutorial Instructables sobre isso …;)

Etapa 1: Objetivos

Os objetivos deste PCB (e as razões pelas quais ele não pode ser encontrado na internet) são:

1.- Deve alimentar o Pixhawk 4 com a medida de corrente, a medida de tensão e o mesmo conector.

2.- Deve ter os conectores I / O e FMU direcionados aos pinos, o CAP & ADC não é necessário no meu caso.

3.- Deve ser capaz de alimentar 5 motores com uma corrente máxima combinada de 200A, Sim, 0, 2 KiloAmperes!

Nota: ainda é útil para projetos com menos motores ou menos corrente. Este é apenas o meu caso.

Etapa 2: esquemas e escolha de componentes

OK, agora sabemos o que queremos fazer. Para prosseguir, vamos projetar os esquemas.

Se você não quiser entender a eletrônica por trás desta placa, copie os esquemas e vá para a próxima etapa.

Os esquemas podem ser divididos em duas partes principais, o DCDC para alimentar o pixhawk e a distribuição de energia dos motores.

Com o DCDC, a maneira mais fácil seria usar um Traco Power DCDC e evitar ter que projetá-lo, mas como não gosto da maneira fácil, usarei um LM5576MH da Texas Instruments. Este integrado é um DCDC que pode gerenciar uma saída de até 3A e seu datasheet informa todas as informações sobre as conexões e componentes necessários e dá as fórmulas para obter as especificações desejadas do DCDC modificando os componentes usados.

Com isso o design do DCDC para o Pixhawk, no meu caso, acaba como visto na foto.

Por outro lado, a distribuição de energia consiste na detecção da corrente e da tensão e na própria distribuição que será considerada na próxima etapa.

O sensor de tensão será simplesmente um divisor de tensão que em sua tensão máxima de 60 V (tensão máxima suportada pelo DCDC) ele emite um sinal de 3,3 V.

O sensor de corrente é um pouco mais complexo, mesmo que ainda estejamos usando a lei de Ohm. Para detectar a corrente, usaremos resistores de derivação. Para maximizar a quantidade de corrente que eles podem suportar, resistores de 10W serão usados. Com essa potência, os menores resistores shunt SMD que consegui encontrar eram de 0,5mohm.

Combinando os dados anteriores e a fórmula de potência, W = I² × R, a corrente máxima é 141A, o que não é suficiente. É por isso que dois resistores shunt em paralelo serão usados para que a resistência equivalente seja de 0,25 mohm e então a corrente máxima seja de 200A desejado. Esses resistores serão conectados a um INA169 também da Texas Instruments e, como no DCDC, seu projeto será feito seguindo a ficha técnica.

Finalmente, os conectores usados são da série GHS dos conectores JST e a pinagem do pixhawk 4 é seguida para fazer a conexão correta.

Nota: Eu não tinha o componente INA169 no Altium, então usei apenas um regulador de tensão com a mesma pegada.

Nota 2: Observe que alguns componentes são colocados, mas o valor diz NÃO, o que significa que eles não serão usados a menos que algo no projeto funcione errado.

Etapa 3: Projeto do PCB com Altium Designer

Nesta etapa, o roteamento do pcb será feito.

Primeiro, o que deve ser feito é colocar os componentes e definir o formato da placa. Neste caso, duas áreas diferentes serão feitas, o DCDC e conectores, e a zona de potência.

Na zona de potência, as almofadas ficam fora da placa, de modo que algum tubo termorretrátil pode ser usado após a soldagem e a conexão permanece bem protegida.

Feito isso, segue-se o roteamento dos componentes, para que as duas camadas sejam utilizadas de forma eficiente e traços maiores sejam utilizados nas conexões de energia. E lembre-se, não há ângulos retos nos traços!

Feito o roteamento e não antes, os polígonos são aplicados, aqui haverá um polígono GND na camada inferior e outro na camada superior, mas cobrindo apenas o DCDC e a zona dos conectores. A zona de potência da camada superior será usada para a entrada de tensão, conforme mostrado na terceira imagem.

Finalmente, esta placa não suportou o 200A para o qual foi projetada, então algumas zonas do polígono serão expostas sem serigrafia, como visto nas duas últimas imagens, de forma que algum fio descoberto seja soldado ali e então a quantidade de corrente que pode passar pelo quadro é mais do que suficiente para atender aos nossos requisitos.

Etapa 4: Criando os arquivos Gerber para JLCPCB

Assim que o projeto estiver concluído, ele deve se tornar uma realidade. Para fazer isso, o melhor fabricante com quem trabalhei é a JLCPCB, eles verificam sua placa antes mesmo de você pagar por ela, para que se encontrarem algum erro nela você possa consertá-la sem perder dinheiro e, acredite em mim, esse é um verdadeiro salva-vidas.

Como esta placa é de duas camadas e tem menos de 10x10 cm, 10 unidades custam apenas 2 $ + o frete, obviamente uma opção melhor do que fazer você mesmo, porque por um preço baixo você obtém a qualidade perfeita.

Para enviar o design a eles deve ser exportado para arquivos gerber, eles têm tutoriais para Altium, Eagle, Kikad e Diptrace.

Finalmente, esses arquivos só precisam ser carregados para o site de cotação.

Etapa 5: Fim

E é isso!

Quando os PCBs chegam, vem a parte legal, soldagem e testes. E claro! Vou fazer upload de mais fotos!

Durante a semana seguinte, estarei soldando meu protótipo e testando-o, então se você quiser fazer este projeto espere até a próxima marca de status OK. Com isso, evitarei qualquer trabalho mal feito ou substituição de resistência

Solda: AINDA NÃO

Teste: AINDA NÃO

Observe que esta é a soldagem SMD, se for sua primeira vez ou não tiver um bom ferro de solda, considere fazer outro projeto, pois pode ser uma fonte de problemas.

Se alguém tiver alguma dúvida sobre o processo não duvide em me contactar.

Além disso, se você fizer isso, por favor, eu adoraria saber e ver!