Skip to main content
Revizyon Bilgisi

Bu teknik doküman B107AA R6 için hazırlanmış olup yeni yapılacak olan tasarımlara kaynak niteliğindedir.

5V Boost

B107AA R6 5V Boost (TPS61088)

B107AA‑R6 üzerinde bazı yükler 5V seviyesinde çalışır (özellikle röle bobinleri ve 5V isteyen yardımcı devreler). Kartın ana güç omurgası olan VSYS, BQ24298 power‑path nedeniyle batarya bandında kalır (yaklaşık 3.5–4.4V). Bu nedenle 5V rayı; VSYS’ten üretilen bir boost converter ile sağlanır.

Bu dönüşüm, TPS61088 (Texas Instruments) ile kurulan senkron boost regülatör üzerinden gerçekleştirilir.

note

TPS61088 “buck” değil, boost regülatördür. Bu yüzden 5V rayı; “adaptörden gelen 5V’u tekrar yükseltmek” değildir. VSYS batarya bandında kaldığı için adaptör varken bile 5V için boost anlamlıdır.

5V rayının sistemdeki rolü ve bağımlılıklar​

R6’da 5V yalnızca röleleri değil, dolaylı olarak MCU beslemesini de etkiler. Bunun nedeni 3V3 regülasyonunun 5V rayı üzerinden türetilmesidir. Dolayısıyla 5V boost kapanırsa 3V3 düşer ve MCU hard reset olur.

Bu davranış R6’da bilinçli olarak kabul edilmiştir: 5V rayı aynı zamanda sistemin “üst besleme omurgası” gibi davranır. Sahada kontrolsüz bir 5V çökmesi yaşanıyorsa bu durum “güç yolu / transient / yük” tarafında ele alınmalıdır; EN ile kapatıp açmak birincil çözüm olarak düşünülmez.

Tasarım hedefleri (R6)​

Aşağıdaki hedefler; röle bobinleri gibi gürültülü/dinamik yükler düşünülerek belirlenmiştir.

KalemHedef
Boost giriş aralığıVIN=3.5–4.4 VV_{IN}=3.5\text{–}4.4\,\mathrm{V} (VSYS)
Boost çıkışıVOUT≈5.18 VV_{OUT}\approx 5.18\,\mathrm{V} (R6 kararı)
Akım limit ölçeğiILIM≈5AI_{LIM}\approx 5\mathrm{A} (switch peak limit ölçeği)
Kullanım profili7/24 çalışma, röle aç/kapa transient toleransı
EMI hedefi5V rayını 5V_Relay / 5V olarak ayırma, röle dalını filtreleme

Neden TPS61088? (seçim gerekçesi)​

TPS61088’in R6’daki seçim gerekçeleri:

  • Senkron topoloji: Diyot yerine MOSFET ile iletim → daha düşük kayıp ve daha iyi verim.
  • Yüksek akım kapasitesi: Röle dalı + yardımcı 5V tüketiciler için geniş marj.
  • Düşük giriş geriliminde stabil çalışma: VSYS=3.5V bandında 5V üretimi için uygun.
  • Geniş uygulama referansı: TPS6108x ailesi yaygın; layout ve komponent seçiminde bol referans tasarım bulunur.

R6’da TPS61088 “fazla güçlü” görünebilir; ancak bu, röle gibi gürültülü yüklerde gerilim çökmesi ve beklenmedik reset riskini azaltır. Kısa devre/arızada doğru ILIM seçimi ile stres kontrol altına alınır.

Çıkış gerilimi (FB) hesabı​

TPS61088 geri besleme:

VOUT=VREF⋅(1+R13R14)V_{OUT}=V_{REF}\cdot\left(1+\frac{R_{13}}{R_{14}}\right)

VREF=1.204 VV_{REF}=1.204\,\mathrm{V}

Şematikte seçilen dirençler:

R14=100 kΩR_{14}=100\,\mathrm{k\Omega}

R13=330 kΩR_{13}=330\,\mathrm{k\Omega}

Bu seçimle:

VOUT=1.204⋅(1+330100)≈5.177 VV_{OUT}=1.204\cdot\left(1+\frac{330}{100}\right)\approx 5.177\,\mathrm{V}

R6 kararı (5.18V kabul)​

R6’da röle bobinleri ve yardımcı devreler açısından ≈5.18 V\approx 5.18\,\mathrm{V} seviyesi sorun oluşturmadığı için mevcut seçim korunacaktır.

Komponent seçimi (R13/R14)​

  • R14 (alt): 100 kΩ100\,\mathrm{k\Omega}, %1, 0603
    • Örnek: Yageo RC0603FR-07100KL
  • R13 (üst): 330 kΩ330\,\mathrm{k\Omega}, %1, 0603
    • Örnek: Yageo RC0603FR-07330KL

Akım limit ayarı (ILIM = 5A)​

TPS61088’de ILIM pini; çıktı akımını birebir değil, anahtarlama tarafındaki tepe akım limit ölçeğini belirler. Datasheet bağıntısı:

ILIM=1,190,000R16(Ω)I_{LIM}=\frac{1{,}190{,}000}{R_{16}(\Omega)}

R6 hedefi:

ILIM≈5.0 AI_{LIM}\approx 5.0\,\mathrm{A}

Buna karşılık gelen direnç:

R16=1,190,0005.0≈238,000 ΩR_{16}=\frac{1{,}190{,}000}{5.0}\approx 238{,}000\,\Omega

Standart seçim:

  • R16=237 kΩR_{16}=237\,\mathrm{k\Omega} (E96, %1) → ILIM≈5.02 AI_{LIM}\approx 5.02\,\mathrm{A}

Komponent seçimi (R16)​

  • Yageo – RC0603FR-07237KL (0603, 1%, 237k)
  • Panasonic – ERJ-3EKF2373V (0603, 1%, 237k)
note

ILIM’i gereğinden yüksek bırakmak (örn. 11.9A), kısa devre veya hatalı yüklerde endüktör, MOSFET ve bakır yollar üzerinde gereksiz stres oluşturur. R6’da 5A sınıfı limit; röle/yardımcı 5V rayı ölçeği için daha “emniyetli” bir tavan davranışı sağlar.

İndüktör seçimi (L) ve komponent önerisi​

Boost katmanında indüktör akımı yaklaşık giriş akımı ölçeğindedir:

IL≈IIN≈VOUT⋅IOUTVIN⋅ηI_L\approx I_{IN}\approx \frac{V_{OUT}\cdot I_{OUT}}{V_{IN}\cdot \eta}

Örnek (kötüye yakın VIN):

  • VIN=3.6 VV_{IN}=3.6\,\mathrm{V}
  • VOUT=5.18 VV_{OUT}=5.18\,\mathrm{V}
  • η=0.90\eta=0.90

IOUT=1.0 AI_{OUT}=1.0\,\mathrm{A} için:

IL≈5.18⋅13.6⋅0.9≈1.60 AI_L\approx \frac{5.18\cdot 1}{3.6\cdot 0.9}\approx 1.60\,\mathrm{A}

IOUT=2.0 AI_{OUT}=2.0\,\mathrm{A} için:

IL≈5.18⋅23.6⋅0.9≈3.20 AI_L\approx \frac{5.18\cdot 2}{3.6\cdot 0.9}\approx 3.20\,\mathrm{A}

Bu ölçek; 2.2µH / 4A Irms / 6A Isat sınıfı bir indüktörün, R6’daki 5V kullanım profilinde güvenli marj sunduğunu gösterir.

R6 seçimi (R5 ile uyumlu)​

R5’te seçilmiş ve sahada problem çıkarmayan indüktör R6 için de uygundur:

  • Bourns – SRP4020TA-2R2M
    • L=2.2 μHL=2.2\,\mu\mathrm{H} (shielded)
    • IRMS≈4 AI_{RMS}\approx 4\,\mathrm{A} sınıfı
    • ISAT≈6 AI_{SAT}\approx 6\,\mathrm{A} sınıfı

Alternatif indüktör listesi (ucuzdan pahalıya)​

  1. Bourns – SRP4020TA-2R2M (referans / maliyet-etkin)
  2. Würth – WE‑PD serisi 2.2µH sınıfı (tedarik/ekosistem avantajı)
  3. Coilcraft – XAL4020-222MEC (premium / düşük DCR ve proses tutarlılığı)

Kapasitör seçimi (VIN/VSYS ve 5V çıkışı)​

Boost converter’da kapasitörler iki nedenle kritiktir:

  1. Anahtarlama döngüsü kararlılığı (IC’ye çok yakın MLCC)
  2. Röle gibi dinamik yüklerde droop + EMI (omurgada bulk)

Droop sezgisi:

ΔV≈ΔI⋅ΔtC+ΔI⋅ESR\Delta V\approx \frac{\Delta I\cdot \Delta t}{C}+\Delta I\cdot ESR

Komponent seçim kriterleri (MLCC / polimer / tantal)​

Bu sayfadaki kapasitör seçimleri iki sınıfa ayrılır:

  • Anahtarlama regülatörü için MLCC (yakın yerleşim / düşük ESL): VIN ve 5V omurga üzerinde, TPS61088’e çok yakın konumlanır.
  • Röle dalı için bulk (enerji deposu / transient bastırma): 5V_Relay üzerinde, yük konektörlerine yakın konumlanır.

Aşağıdaki parametreler, BOM seçiminde “kontrol listesi” olarak kullanılmalıdır.

1. Gerilim dayanımı (Voltage rating)​

  • MLCC için pratik kural:

Vrated≥2×VworkingV_{rated} \ge 2\times V_{working}

Örneğin 5V rayında 10V MLCC, 12V rayında 25V MLCC tercih edilir.

  • Polimer/tantal için derating daha konservatif tutulur:

Vrated≥1.5×VworkingV_{rated} \ge 1.5\times V_{working}

2. Dielektrik tipi (MLCC)​

  • X7R önerilir (sıcaklık aralığı ve kapasite stabilitesi dengeli).
  • Y5V/Z5U önerilmez (DC bias ve sıcaklıkta kapasite ciddi düşer; regülatör kararlılığını bozabilir).

3. DC bias / efektif kapasite​

MLCC’lerde datasheet’te yazan nominal değer, DC bias altında düşer. Bu nedenle:

  • 5V hattında 10V X7R seçilmişse bile, efektif kapasite %30–%70 aralığında azalabilir.
  • Bu yüzden “2×47 μF2\times 47\,\mu\mathrm{F}” gibi ifadeler, efektif kapasite düşüşünü telafi etmek için bilinçli fazla seçilir.

4. Kılıf boyutu (case) ve yerleşim​

  • Regülatöre yakın MLCC’ler için 1206/1210 boyut tercih edilir (daha yüksek efektif kapasite + daha iyi mekanik dayanım).
  • Çok küçük kılıflar (0402/0201) yüksek DC bias kaybı ve mekanik çatlak riski nedeniyle güç omurgasında tercih edilmez.

5. ESR/ESL ve ripple akımı​

  • TPS61088 çevresinde MLCC’lerin ESR/ESL düşük olmalıdır (yüksek frekans bileşenleri için).
  • Röle dalındaki bulk kapasitörde ESR, transient sönümlemede faydalı olabilir; ancak çok yüksek ESR droop’u artırır.
  • Polimer kapasitörler genelde yüksek ripple akımını daha rahat taşır ve ömür açısından avantajlıdır.

6. Sıcaklık, tolerans ve güvenilirlik​

  • X7R: -55°C…+125°C çalışma aralığı; saha ortamı için uygundur.
  • Tantal kullanılıyorsa surge/derating kuralları uygulanmalı; mümkünse polimer tercih edilmelidir.
  • MLCC’lerde mekanik stres kaynaklı çatlak riskine karşı: pad tasarımı, board flex ve konnektör yakınlığı dikkate alınmalıdır.
tip

BOM kararında en kritik 3 madde: (1) 10V X7R, (2) DC bias altında efektif kapasite, (3) 1206/1210 kılıf. Bu üçü doğru seçilirse sahadaki “5V çökmesi / reset” problemleri ciddi azalır.

Giriş kapasitörleri (VIN/VSYS)​

  • IC’ye çok yakın 2×22 μF2\times 22\,\mu\mathrm{F} X7R (10V, 1206 tercih)
  • Yanına 0.1 μF0.1\,\mu\mathrm{F} bypass

Çıkış kapasitörleri (5V)​

  • IC’ye çok yakın 2×47 μF2\times 47\,\mu\mathrm{F} X7R (10V)
  • 5V_Relay dalında ek bulk: öncelik polimer (OS-CON / aluminum polymer), ikinci seçenek tantal (100–220µF, düşük ESR)

Röle beslemesi (5V_Relay) için filtreleme​

Röle bobinleri aç/kapa sırasında hem ani akım çeker hem de geri tepme (flyback) ile gürültü üretir. Bu yüzden 5V rayını iki dala ayırmak (5V_Relay / 5V) doğru yaklaşımdır.

Önerilen topoloji​

  • 5V (boost çıkışı) → Ferrit bead / seri eleman → 5V_Relay
  • 5V_Relay üzerinde:
    • Bulk (100–220µF polimer/tantal)
    • MLCC (10–22µF + 100nF)
    • TVS (5V standoff)

Örnek değer seti (R6 başlangıç)​

  • Seri eleman: Ferrit bead (1206/1210, yüksek akım sınıfı)
  • Bulk: 220 μF220\,\mu\mathrm{F} polimer (6.3V veya 10V)
  • MLCC: 22 μF22\,\mu\mathrm{F} + 100 nF100\,\mathrm{nF} (10V, X7R)
  • TVS: unidirectional 5V sınıfı (SMF/SMBJ footprint; standoff 5V)
tip

Bu blokta amaç “röle transient’ini lokalize etmek”. İlk prototipte bead+bulk ile başlayıp, saha ölçümüne göre TVS/seri eleman değerlerini optimize etmek en hızlı yoldur.

Flyback koruması hatırlatması​

  • En basit: bobine paralel diyot (EMI’yi azaltır, bırakma süresini uzatabilir)
  • Daha hızlı bırakma gerekiyorsa: TVS/zener + diyot veya RC snubber yaklaşımı

EN pin kurgusu (sürekli açık)​

R6’da TPS61088’in EN pini, sistem mimarisi gereği sürekli aktif bırakılacaktır. Amaç; 7/24 çalışan bir sistemde EN kontrolü için ek transistör/lojik ekleyip karmaşıklık ve arıza olasılığı yaratmamak, ayrıca saha davranışını tek bir net kurala bağlamaktır.

  • Boost her zaman açıktır.
  • Olası kilitlenme/servis senaryolarında sistem için harici reset butonu zaten bulunmaktadır.

Önerilen bağlantı​

  • EN pini VSYS’ye pull‑up ile bağlanır (örn. 100 kΩ100\,\mathrm{k\Omega}) veya tasarım kararına göre doğrudan VSYS’ye bağlanır.
  • EN hattı kısa tutulur ve SW düğümünden uzak route edilir.
tip

Gelecekte ihtiyaç doğarsa (ör. enerji tasarrufu modu), EN hattına bir test point bırakmak; revizyonla kontrol eklemeyi kolaylaştırır. R6’da ise EN kontrolü uygulanmayacaktır.

PCB yerleşim notları (EMI ve güvenilirlik)​

TPS61088’de en kritik konu, SW çevresindeki yüksek di/dt döngüsünü küçültmektir.

Yerleşim checklist​

  • VIN kapasitörleri VIN–GND pinlerine en yakın konumda.
  • SW–indüktör–VOUT döngüsü en kısa alan olacak şekilde.
  • GND dönüşü geniş, düşük empedanslı; mümkünse kesintisiz GND plane.
  • FB hattı SW’den uzak; FB dirençleri IC’ye yakın; FB izi kısa.
  • 5V_Relay filtresi + bulk kapasitörler röle konektörlerine yakın.
  • Termal: IC altında bakır alan + termal via ile alt katmanlara ısı yayma.

Ölçüm ve doğrulama (TP bazlı)​

  • TP_5V: ≈5.18 V\approx 5.18\,\mathrm{V} doğrula.
  • Röle aç/kapa sırasında 5V_Relay transient/düşüm ölç.
  • ILIM (R16) sonrası overload/short davranışı gözle.
  • Başlangıçta soft‑start / inrush / overshoot ölç.
  • EMI: SW çevresi ve röle dalı kablo/konektör üzerinden yayılan gürültüyü kontrol et.

Komponent seçimi ve alternatifler (özet)​

Bu sayfada TPS61088 çevresindeki kritik seçimleri (FB, ILIM, endüktör ve kapasitörler) netledik. Aşağıdaki tablo, R6 hedef konfigürasyonunu ve muadil seçenekleri tek bakışta özetler.

FonksiyonRefSeçilen (R6 hedef)AlternatiflerYorum
Senkron boost regülatörU?TPS61088TPS61087 (yakın aile), muadil yüksek akım boost’larLayout referansı çok güçlü
FB üst direnciR13330k, %1, 0603332k / 324kVout kalibrasyonu
FB alt direnciR14100k, %1, 0603102k / 97.6kVout kalibrasyonu
ILIM direnciR16237k, %1, 0603232k / 243k5A sınıfı limit hedefi
EndüktörL?Bourns SRP4020TA‑2R2MWürth WE‑PD 2.2µH, Coilcraft XAL4020‑222DCR/Isat/tedarik
VIN MLCCC?2×22µF X7R, 10V, 1206 + 100nF2×47µF (yer varsa)DC bias için paralel
VOUT MLCCC?2×47µF X7R, 10V, 1206/12103×22µFDroop/transient için
5V_Relay seri elemanFB?Ferrit bead, yüksek akımDüşük DCR indüktörRöle transient’ini lokalize eder
5V_Relay bulkCbulk220µF polimer (ops.)100–470µFKablo/konnektör empedansı için
5V_Relay TVSD?DNP (default)SMF/SMBJ 5V standoffSaha ölçümüne göre
info

R6’da 5V omurga “MCU’yu da taşıdığı” için, bu blokta maliyet kırmanın karşılığı genelde reset riski olur.

Bu yüzden R6’da hedef: boost core’u sağlam tutmak, röle dalını ise bead+bulk ile ayrı bir transient alanına taşımaktır.

Tahmini maliyet analizi (5V Boost + röle dalı filtreleme)​

Aşağıdaki maliyetler tahmini olup tedarikçi/adet/stok/kur durumuna göre değişir. Amaç, TPS61088 tabanlı 5V boost mimarisinin R6 BOM etkisini görünür kılmaktır.

info

Bu maliyet tablosu şunları kapsamaz:

  • Rölelerin kendisi (start/stop coil),
  • 3V3 regülatör (AP2112K) ve 3V3 dağıtım,
  • Harici adaptör giriş koruması,
  • Şarj/power‑path (BQ24298).

Bu sayfa yalnız 5V boost ve 5V_Relay filtresi alt bloğunu kapsar.

Varsayımlar (R6 hedef)​

  • VIN=3.5–4.4 VV_{IN}=3.5\text{–}4.4\,\mathrm{V} (VSYS)
  • VOUT=5.18 VV_{OUT}=5.18\,\mathrm{V}
  • ILIM≈5 AI_{LIM}\approx 5\,\mathrm{A} (R16=237k)
  • VIN MLCC: 2×22µF + 100nF
  • VOUT MLCC: 2×47µF + 100nF
  • 5V_Relay: bead populate, bulk opsiyonel

Maliyet tablosu (Boost core)​

KalemAdetPrototip (1–10)Pilot (100)Seri (1k+)Not
TPS61088 (QFN)1$1.85$1.25$0.95Stok etkisi olabilir
Endüktör 2.2µH (SRP4020TA‑2R2M)1$0.38$0.26$0.19Shielded
FB dirençleri (R13 330k + R14 100k)2$0.004$0.002$0.00142×
ILIM direnci (R16 237k)1$0.002$0.001$0.00070603
VIN 22µF X7R 10V2$0.18$0.12$0.082×
VOUT 47µF X7R 10V2$0.26$0.18$0.122× (1206/1210)
100nF X7R2$0.008$0.004$0.0032×
Çeşitli küçük pasifler (tahmini)3$0.012$0.006$0.0045COMP/SS vb.
TOPLAM (Boost core)$2.696$1.823$1.349

Maliyet tablosu (5V_Relay filtresi)​

KalemAdetPrototip (1–10)Pilot (100)Seri (1k+)Not
Ferrit bead (yüksek akım)1$0.22$0.15$0.101206/1210
Bulk 220µF polimer (ops.)1$0.45$0.30$0.22Default: opsiyonel
22µF X7R 10V (ops.)1$0.09$0.06$0.04Bead sonrası lokal MLCC
100nF X7R (ops.)1$0.004$0.002$0.0015
TVS 5V standoff (ops.)1$0.10$0.07$0.05Default: DNP
TOPLAM (5V_Relay filtre)$0.864$0.582$0.412Opsiyonlar dahil maksimum

Toplam (R6 perspektifi)​

  • Minimum (sadece Boost core):

    • Prototip: $2.696
    • Pilot: $1.823
    • Seri: $1.349

  • Filtre opsiyonları dahil (maksimum):

    • Prototip: $3.560
    • Pilot: $2.405
    • Seri: $1.761
warning

Bu blokta sahadaki en yaygın hata “kapasitörü artırınca her şey düzelir” düşüncesidir.

Kapasite yardımcı olur; ancak kalıcı çözüm çoğu zaman:

  • 5V_Relay dalını ayırmak,
  • bead + lokal bulk ile transient’i lokalize etmek,
  • SW loop’u küçültmek,
  • FB hattını SW’den uzak tutmak

gibi yerleşim ve döngü alanı kararlarıdır.