elecrow用KiCAD設定

 毎回基板発注する度に忘れて調べなおして結局本家のスペックをよく読むに落ち着くのだが、時間取られるので今回発注を機会に記録しておく。まだ発注結果出てないので間違ってるかもしれない。

①デザインルール

elecrow発注ページ

PCBスペック

2層1oz基板の場合、最小線幅6mil(0.1524mm)、スペース6mil、最小ドリル径0.3mm、リング幅0.15mmから最小ビア径0.6mm、Hole-to-Holeはホールビア間のスペースを意味していて0.15mmのようだ。

しかし推奨は8mil線幅・スペース、hole-to-holeも同様に考えてこんな感じで設定している。

②マイデザインルール

厳しいピッチの配線でも10mil、基本は15mil。電源周りは20/25milを使う。

ビア(スルーホール)は厳しいところは0.6/0.3mmだが、基本的に0.8/0.4mmを使っている。最小DRよりかなり緩くルーティングしているが本当に意味があるのかはわからない。

電源周りのビアはダブルビア等。

線幅、ビアの電流の目安

③V-CUT

本家のV-CUT説明

KiCAD上でEdge.Cutsで書いておいて、ガーバー出力した後にV-CUTのレイヤ(.GKO)にファイル名を変える。V-CUTを挟んだ線同士は0.7mm(1mm厚基板)

本家の説明によればV-CUTをシルクレイヤに明示するようになっているが、こんな感じだろうか。これから発注して確かめる。

Panelize後の最小サイズは8cmx8cmとあるので、足りない場合は捨て基板を設定してV-CUTで切るみたい。1x2にPanelizeして、足りない1cm分を捨て基板にしたつもり。これもこれから発注して確かめる。

④ガーバー出力の設定。PCBエディタのFile->Plotから。

標準でいっぱいレイヤが設定されててまごつくが、2面基板だと必要なのは6レイヤ＋カットのみ。

拡張子が変わるのはドリル.drl => .TXTと、カットレイヤ=>.GKOのみ。

他6レイヤ(上下それぞれのCu/Mask/Silk)は拡張子を大文字に変えて、ヘッダー名をそろえる。KiCAD出力そのままのファイル名でも通るらしいが、一応本家のファイル名指定に従う。

⑤最終確認項目

・Footprintのピン番号と回路図が合ってるか

・ガーバー表示でハンダ載せられるところを確認

・ガーバーF/B印刷してみてパーツと合うか、ハンダ付けする余裕があるか

・JRC(日清紡?)のSMTはDMPというオリジナルパッケージ

Arduino Unoを使ってATMEGA328に3.3V/8MHzスケッチ書き込み

今まで5V PIC/AVR使っていたけど、3.3Vで使ってみたい。AVRのライタを持っていないのでArduino Unoを使ってブートローダー、ヒューズを書き込む。

1.Arduino UnoのAVRにArduinoISPを書き込む。

2. こちらを参考に配線。ブートローダー書き込み時は5V

3. 3.3V/8MHzに設定してブートローダー書き込み

4. "書き込み装置を使って書き込む"からBlinkを書き込む(テスト)

しかしこのAVR, 3.3Vを繋いでも動作しない。(5Vでは動作する)

どうやら、この構成では3.3Vにヒューズを設定していても、5V～3.5Vまでしか動作しないっぽい。

AVCCにもVCCつなげてやると、5V～2.5Vまで動作する。AVCCは、5Vの時は必要ないけど3.3Vでは接続必要ってこと？知らんかった・・・ここでだいぶつまずいた。

ArudinoUnoの5V系RST,RX,TXを秋月の双方向ロジックレベル変換モジュールで3.3VにしてATMEGA328に接続、シリアルライタとして書き込み

3.3V ATMEGA328にSSD1331 OLEDをつなげて表示テスト

ハーフブリッジモータードライバ回路

手書きの適当回路図しかなかったが修正を繰り返してわからなくなってきたので書き起こしてみた。ハーフブリッジの直流ブラシモータドライバ回路だ。

マイコンでPWMを作り、IR2302MOSFETドライバでルネサスのRJH60F6DPK(600V IGBT 85A)2パラを駆動する。バリスタとスナバ回路で逆起電力を低減しているつもり。本当は150Vくらいの高電流流せるパワーMOSFETがよかったが、秋月によさそうなのがない。なのでかなり高耐圧のIGBTを使っている。

EVバイクなので、後退はしないからハーフブリッジで十分。2パラで170Aまで流せるはず。実際、8s2p18650セルでシャント抵抗には発進時に150A流れたりしているので定格としては想定内。ただし減速時はモーターの起電力がローサイド側のIGBTのボディーダイオードを流れる。今回ローサイド側のIGBTが両方死んでいたので、これが原因かもしれない。

まだ元気な時のモータードライバ回路。

今まで総走行距離10kmは走っていたので、回路的に全然無理なわけではなかったと思う。ローサイドIGBT側の負荷が大きくて、長時間のストップ＆ゴーで熱がたまったのかもしれない。

ただ、壊れたレギュレータ、マイコン/IGBTを置き換えるだけでは同じ問題が発生するだろうから設計し直すしかない。あとIR2302が秋月で入手できない問題もある。

EVバイク用モータードライバ故障

自作 EVバイクに乗っていたらパワーが弱ってきたなーと感じた、やがてモータードライバから煙が出てきて停止。開けてみると5Vのレギュレータが破裂している。

36V->5Vに落としているので電流のわりに発熱が多かったのかもしれない、と楽観的に考えていたが、IGBTは短絡している（コレクタ・エミッタ間はともかく、ゲートが短絡している）

オシロで見る限りPIC16F18313は謎の発振をしているが、生死が不明なので、MPLAB Snapで書き込めるか試してみる。久々すぎて接続すら忘れてるので写真残しておく。

PICは書き込みすらできないので死んでると思われる。

IGBT破壊→ゲート短絡→MOSFETドライバ負荷→マイコン負荷→レギュレータ死亡のような気がする。全部交換だ・・・

MOSFETドライバのIR2302が秋月から消えている。SMTも在庫切れだ。どうするか。

自作トランシーバー VoBLE

子供のころ、学研のラジホーンGT-01というトランシーバでいろいろ遊んだ（いまだに動作する）。PTTを押している間送話できる。さらにボタンを押すとピーピーとモールスが出せる。中身はたった2石の2SC945だ。

ただし、受信時はノイズがかなりうるさいし、全然飛ばない（大声の方が届く）。

免許がいらず手軽に無線ごっこができるトランシーバが欲しいと思って作ってみた。TWILITEの参考回路図に、LM386をつなげただけだ。

音声はデジタルに変換されてBluetoothで送られる、またSWを切り替えるとPTTでモールスが出せる。技適通っているので安心して使える。ありがたい。

適当な空き箱に詰めてみた。カメラのように見える黒い部分はスピーカである。左下の穴がマイク

中身はこちら。アンテナ直付けのDIPのTWILITEを使っているのでこんな配置になった。

トランシーバは同じものを2つ作らなければならないので穴あき基板だと面倒に感じる。

電動バイク用リチウム電池ペア

スポット溶接で2個のリチウム電池を接続して”6Ahのセル”のように扱う。放電電流もしくは容量は倍になるので電動バイクの走行距離も伸びるしよりパワフルになるはず。しかも充電するときは容量倍のセルとして扱えるので、既存の充電器が使いまわせる(リチウム電池パック充電器は次の開発アイテム)

ペアを8個作成。4.2x8=34Vでモーター電圧は変えず、容量だけ増える

放電容量に耐えるかわからんが既存の18650電池ボックスに取り付ける。

振動で脱落する心配があったが、試験走行では問題なかった。2並列にすることで、

・発熱が格段に減った

・停止状態からの始動のトルクが体感では向上、電流は最大140A程度流れた

・最高速は変わらず？(電圧は変わってないから当然かも)

・モータードライバのルネサスIGBT RJH60F6DPK(600V/85A)2パラはモータ始動時で電流容量ギリギリになってきたが、今のところ問題なく動作している

スポット溶接試験

 

溶接試験の様子。派手に見えるよう300msで溶接してみたが、実際は0.1mm厚Ni板なら100msで十分、0.15mm厚なら200ms必要。それ以上は赤熱範囲が広がって焦げ臭くなるだけで溶接強度は上がってない気がする。

100msの放電でキャパシタ電圧は35mV下がった。1500Fとすると140J放出していることになる。電圧2.7Vなので140J/2.7V/0.1s=520A流れてるはず？思ったより少ないような、それでも溶接できてるからこのぐらいのNi厚なら問題ないような感じ。MOSFETの容量的には問題なし。

スポット溶接機実装

実装完了。青いのが2.7V 500Fスーパーキャパシタx3、大電流が流れるラインは2.6mmVVFで接続。その下の縦基板がパワーMOSFET基板。その下のケースに固定した縦基板がOLEDパネル。

左側は、2.7Vからの昇圧DCコンバータを載せているため見えにくいが、その下にマイコンがのったメイン基板がある

配線材がごちゃごちゃしてるがなんとか入った。電流制限抵抗は手持ちの50W品がでかくて外付けになったが、運用次第では取り替えたり放電に使ったりするのでよしとする

前から見た絵。モニターは、上段にキャパシタ電圧、1.7V以上では電流制限抵抗をバイパスする直接充電のCHARGE表示。

下段はパルス幅。赤ボタンを押すと、3->2->1とカウントダウンして、FIRE表示(溶接棒から放電される)

パルス幅は黒ボタンで切り替え(100ms~900ms)

放電棒は2.6mmVVFを削って先端を尖らせる。配線はAWG12。ちなみにAWG12の抵抗は1.6Ω/1000ftぐらいらしいので、20cmでも1mΩに達してしまう。2.6mmVVFは3.35Ω/kmから20cmで0.7mΩ。配線とMOSFETだけで2mΩ近い、比較的高抵抗なはんだ付けを考えると、2.7Vという低電圧では1000A流れるかどうかだ。やはり電圧はもっと高い方がよかったかも

パワーMOSFET基板

 OnSemiconductorのFDBL9403-F085T6は表面実装パッケージ(H-PSOF8L?)だが、これだけのために基板を起こすのももったいないので、ベタ銅基板をけがいて作成。

MOSFET実装後、経路が低抵抗になるように2.6mmVVFの銅線もはんだ付け。

試しにゲート電圧かけてみるとSD間導通するので動作してるはず

コンデンサ式スポット溶接 回路設計

①スーパーキャパシタの構成

タカチのYM-150をなんとか使いたい。500Fスーパーキャパシタは最大4個入る。4個なら2パラ2直列がよさそうだが、スイッチ用のMOSFETや回路規模を考えると全部入らない気がしてきた。

3個なら直列8.1V/170Fか、並列2.7V/1500F。エネルギーなら前者有利、ジュール熱は電流依存だから後者。直列にするとスーパーキャパシタ間の電圧バランスが崩れそうで、モニターが面倒だからとりあえず並列にする。2.7Vなんて低電圧に見えるが、前述のスーパーキャパシタの放電を見る限り大丈夫なはず

②充電

2.7Vは中途半端な電圧なので、手持ちのCVCC電源から直接供給する。最初は0.5Ω抵抗で電流制限し、キャパシタ電圧をモニターしながら十分上がってきたら電流制限をMOSFETでバイパスさせることで充電を速める。

P-chMOSFETの手持ちがなかったのでN-chを使う、ゲート電圧高めだしいけるはず。1815は貴重品になってきたので、手持ちの多い2SC458を使う。

③放電

オンセミコンダクターのNchMOSFET FDBL9403-F085T6CT, 40V/連続300Aも流せて、on抵抗は0.95mΩしかない。すごい。さらにこれを5パラで使う。

ただ、ロジックの5VだとIdが100A、on抵抗も1.3mΩと性能が出ないので、ゲート電圧10Vを設定する。MOSFETドライバはInternational RectifierのIR4427、これも6V以上なのでゲート電圧10Vで動作させる。

④ユーティリティ

表示はOLEDモジュールSO1602AWWB、スピーカは小型のUGCM0603APE。押しボタンスイッチは放電パルス幅切り替え用と、放電開始用の2つ、充電の切り替えSWが1つ

秋月の同期式昇圧型スイッチング電源モジュールがちょうど入力2.7Vからなので、キャパシタ充電用のCVCC電源2.7Vを使い、まず10Vに昇圧し、MOSFETドライバやMOSFETをドライブする。降圧して5Vロジック、さらに降圧して3.3V有機ELパネルを駆動。

コンデンサ式再考

リチウム電池式に傾いていたころ、ダメ元でアリエクスプレスで注文していた別ブランドの500Fスーパーキャパシタが届いた。端子が太いので大電流流しやすいしバスバー作りやすそうなタイプだ。充電電流はしっかり5A流れるし(0.5Ω電流制限抵抗)、6個全部良品ぽいのでアタリだった。

0.15mm厚Ni板で放電してみると赤熱。すごいパワーだ。これが本来の500Fの力か・・・。

すでにリチウム電池式に投資してしまっていたが、これはコンデンサ式で再考した方がよさそうかも。

一応、コンデンサの容量も簡易に計測してみた。2.7V5A CVCC＋0.5Ω電流制限かけて充電し始めた。結構時間かかって待てんと5分で電流制限外してため途中で跳ね上がっている。電流の積分は1040A・s(C)、Q=CVなので、容量は385Fとなる。多少少ないけど

リチウム電池式スポット溶接

 コンデンサ式スポット溶接はうまくいかなかったので、今度はリチウム電池式をテストしてみた。定格は2C放電だが短時間なら10C程度は流れるので、並列にしてやれば溶接できるはず。リチウム電池パックが必要になるがその溶接をしたいのでまずは電池ボックスを可能な限り低抵抗ではんだ付けするしかない。

18650を4パラ程度では赤熱せず。徐々に増やし、最終的に12パラ接続なら0.15mm厚Ni板が溶接できた。すでにタカチのYM-150を買ってあるがなんとか入りそう

スポット溶接機DIY

 電動バイクのリチウム電池パックを大容量化すべく、スポット溶接機の制作を考えている。500Fスーパーキャパシタを使った簡易溶接を見かけるが、放電時間をマイコンで制御してフル固体素子はできないだろうか。

試しにアリエクスプレスで2.7V500Fを4個購入。しかし2個は全く充電されない。残り2個は充電されるものの、2.7Vで1Aくらいしか吸い込まない。放電はするものの弱い。充電クーロンから推定する容量は1/10の50Fくらい？

コンデンサがダメなのか、そもそもコンデンサはこの程度なのかよくわからず。。。