Circuito de conmutación USB/batería

Antecedentes: no soy EE (¿un 0x11? :^) metido en el mundo del diseño de sistemas integrados. Comencé este proyecto con una comprensión de circuitos de nivel universitario de física, pero estoy aprendiendo gradualmente.

El diseño en el que estoy trabajando consta de varios sensores, una tarjeta SD y un SoC TI CC1111 . El CC1111 incluye un núcleo 8051, un controlador USB y un transceptor de RF. Mi diseño se basa en un diseño de dongle USB de referencia proporcionado por TI.

El dispositivo generalmente funcionará con energía de la batería, usando 2 baterías AA en serie (o potencialmente 4 baterías AA en pares paralelos), a menos que esté conectado a un puerto USB. Me gustaría que el dispositivo cambie sin problemas entre USB y batería, sin reiniciar el microcontrolador.

Estoy buscando un circuito para cambiar entre las dos fuentes de alimentación (baterías o bus USB). Por lo que puedo decir, lo más simple sería usar diodos OR. El problema aquí es que estaría desperdiciando energía (corriente x caída de voltaje directo del diodo), y eso es algo que quiero evitar.

Una opción que estoy considerando es el controlador de energía LTC4412 , recomendado en respuesta a la pregunta de otra persona.

Pregunta 1 : ¿Esto parece adecuado?

Una preocupación que tengo es la demora en cambiar de la alimentación del bus USB a la alimentación de la batería cuando el dispositivo está desconectado del USB. De acuerdo con la hoja de datos LTC4412, el tiempo de encendido de la puerta MOSFET puede ser de hasta 175 us. No quiero que se reinicie el CC1111 (o los sensores digitales). Mirando la Figura 1 en la hoja de datos (vea también la discusión de los condensadores de derivación en la página 5), ​​el truco es elegir correctamente un valor para el condensador de salida, C_out. Calculé un valor, pero no estoy seguro de si mi enfoque es válido. Si me aguantas:

Figura 1

El CC1111 normalmente funciona a 3 V con 2 pilas AA. Supongamos que podría funcionar con solo el 90 % de eso (2,7 V). Uso la corriente consumida por la carga (mi dispositivo) y el voltaje nominal (3V) para obtener una resistencia equivalente (V/I). Según mis mediciones y la suma de las corrientes tomadas de las hojas de datos, el dispositivo puede generar una corriente entre 35 mA y 70 mA. Esto me da una resistencia equivalente en el rango de 43 ohmios a 86 ohmios.

Si quiero que el voltaje caiga a no menos del 90 % después de 175 us (el tiempo de activación de la compuerta LTC4412), luego de hacer los cálculos obtengo una constante de tiempo (RC) de 1,66 ms. Usando 40 ohmios para estar seguro, se me ocurre C > (1,66 ms/40 ohmios) = 42 uF. Tal vez agregue otro 10% o 20% por seguridad, digamos 50 uF.

Pregunta 2 : ¿Es válido ese enfoque y cálculo?

Saqué ese número del 90% de la nada. La hoja de datos CC1111 dice que 3.0 V es el voltaje mínimo, por lo que no estoy seguro de que lo que estoy haciendo sea kosher. ¿Debo usar algún tipo de convertidor elevador para obtener, digamos, 3.3V de las baterías?

Gracias de antemano por su ayuda (y por leer tanto texto).

Sobre el cálculo del condensador: debe tener en cuenta las tolerancias de los condensadores. Pueden, en algunos casos, para los electrolíticos de aluminio ir tan bajo como -30% y tan alto como +40% y la capacitancia puede disminuir con el tiempo.
También tenga cuidado, los dispositivos USB solo pueden consumir una cierta cantidad de corriente de entrada (aunque esto será un problema menor cuando las baterías estén instaladas y ya cargadas). ¿Puede usar 3 baterías, eso acercará su voltaje a VUSB (que es ~ 5V), y no tendrá problemas cuando las baterías se agoten o si alguien coloca baterías recargables (1.2V por celda).

Respuestas (2)

No, como ya habrás temido, esto no es kosher. De hecho, los 3 V son el mínimo, y el voltaje de las pilas AA caerá rápidamente por debajo de eso. Si usa baterías recargables de NiMH, incluso obtiene solo 2.4 V, por lo que no funcionará, a menos que pueda usar 3 de ellas en serie. (No use baterías en paralelo como menciona en su pregunta). Entonces, tres celdas de NiMH le darán 3.6 V. Bien.

Ese 3,6 V es el VDD máximo para el dispositivo, por lo que si desea que funcione con alimentación USB, necesitará un regulador de voltaje LDO (baja caída) para obtener 3,6 V. El LP2981 es una buena parte para esto.

Ahora el cambio. 175 µs me parece una eternidad, pero tendremos que vivir con eso. Ben ya te dio la ecuación correcta para una descarga de corriente constante:

Δ V = yo ⋅ Δ t C

o

C = yo ⋅ Δ t Δ V

Las celdas de NiMH tienen 1,2 V bastante constantes, que solo caen por debajo de 1,1 V cuando están casi descargadas.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Así que podemos usar eso como un límite. Con un voltaje mínimo de 3 V y una corriente en el peor de los casos de 70 mA, obtienes

C = 70 metro A ⋅ 175 m s 300 metro V = 41 m F

que es lo que Ben también encontró. Si cree que no bajará de 1,15 V, entonces se convertiría en 27 µF, por lo que no cambiará mucho, pero le da algo de margen si desea usar un límite de 47 µF. AndrejaKo señala acertadamente que los condensadores electrolíticos tienen grandes tolerancias, normalmente -20 %, y yo optaría por un límite de 68 µF/6,3 V.

Muchas gracias. Estoy digiriendo tu respuesta. ¿Tiene sentido mi enfoque general, es decir, usar el LTC4412? Además, ¿nunca está bien tener baterías en paralelo? Sé que esto es malo para diferentes voltajes, o incluso para diferentes baterías del mismo tipo, pero pensé que estaba bien para baterías idénticas y nuevas. Por cierto, el diseño de referencia para el dongle USB ya incluye un regulador para reducir la alimentación del bus USB de 5V, específicamente el TPS76933 .
@David: sin haber leído detenidamente la hoja de datos, el LTC4412 parece una buena solución. Quería sugerir el ICL7673, pero eso es para corrientes muy bajas (alta resistencia). Sin embargo, la hoja de datos muestra una solución con 2 transistores externos. Las baterías nunca son idénticas y una pequeña diferencia de voltaje causará una corriente relativamente grande de una batería a la otra. Especialmente malo para los no recargables, pero también para la pérdida de energía.
Sólo para que conste, pág. 229 de la hoja de datos CC1111 dice que tiene un regulador de voltaje LDO "que se usa para proporcionar una fuente de alimentación de 1,8 V a la fuente de alimentación digital CC1110Fx/CC1111Fx... El pin de entrada del regulador de voltaje AVDD_DREG debe conectarse a la fuente de alimentación no regulada de 2,0 V a 3,6 Fuente de alimentación V. La salida del regulador digital está conectada internamente en el CC1110Fx/CC1111Fx a la fuente de alimentación digital. No se puede usar para alimentar circuitos externos, pero esto hace que parezca que el CC1111 podría funcionar con un voltaje de entrada tan bajo como 2V. Sin embargo, al menos otro componente necesita al menos 3V.
@David - Interesante. Pero si permite que el voltaje caiga a 2 V, el núcleo puede continuar sin interrupciones, pero las E/S pueden ver un pico negativo. ¿No es eso un problema?
Soy yo otravez. No creo que dejaría que bajara a 2V. Confío en su palabra sobre los picos. Sin embargo, estoy pensando en deshacerme del LTC4412. Si recuerda, el LTC4412 requiere un PFET externo y un límite de 47 uF. Como señaló Ben, la gran capitalización superaría el límite de corriente de entrada de USB permitido. Creo que podría abordar eso con un circuito RC de arranque suave alrededor de la puerta PFET, pero ¿qué pasaría si en su lugar usara un TI TPS2113 ( ti.com/lit/ds/symlink/tps2112.pdf ) para mux entre USB VBUS y 3 Pilas AA en serie?
@David: estoy de acuerdo, el TPS2112 parece una mejor opción. Buen descubrimiento. Sin embargo, es posible que aún desee un condensador (más pequeño) en la salida.
Gracias por la respuesta. La salida del TPS2113 se alimentará a un regulador LDO TPS76933 ( ti.com/lit/ds/symlink/tps76933.pdf ), que requiere al menos un límite de 4,7 uF entre Vout y GND (pág. 12). ¿Sería eso suficiente, ya que todavía está "aguas abajo" de la salida del mux de potencia?
@David: ese límite no está relacionado con la entrada. Es una parte necesaria para el circuito de control del regulador; sin él, el regulador será inestable (léase: puede oscilar).
ESTÁ BIEN. Pensé que tal vez esa tapa podría cumplir una doble función al proporcionar suficiente protección durante el cambio de mux, pero aparentemente no es así. ¿Qué tamaño de condensador necesito en la salida del mux de potencia? Y una pregunta de EE relacionada: cuando su "carga" es un circuito complicado con todo tipo de componentes (resistencias, tapas, inductores, transistores, circuitos integrados, ...) ¿hay alguna forma de obtener una capacitancia equivalente total (como Thevenin's teorema)? ¿Cuánta capacitancia interna es visible para el mundo exterior, por así decirlo? Se aceptan términos aptos para Google. ¡Gracias!

No, no debe usar una ecuación de constante de tiempo resistiva para la electrónica activa. Simplemente asuma un consumo de corriente independiente del voltaje, junto con la ecuación del capacitor:

I = C * dV/dt

y resolver para C.

C = I * delta-t / delta-V
  = 70mA * 175uS / .3V = 41 uF

(bueno, es más o menos lo mismo, porque la corriente de descarga RC está por encima del 90% del valor inicial mientras que el voltaje está por encima del 90%)

La especificación USB establece que la carga capacitiva máxima que se puede colocar en el extremo descendente de un cable es de 10 uF . Tendrá un problema si sus baterías se descargaron, a menos que limite la corriente de la fuente USB.

Gracias, Ben y @stevenvh. Me habría perdido el problema de la capacitancia USB y estoy investigando soluciones. Por 'consumo de energía independiente del voltaje', ¿quiere decir potencia constante? Suponiendo que P = IV es constante, C(dV/dt) = -I = -P/V = -I0*V0/Vobtengo , donde I0 y V0 son la corriente y el voltaje iniciales. Resolviendo esta diferencia. ec. Obtengo V(t) = sqrt(V0^2 - 2t*I0*V0/C)Resolviendo para C cuando V = 0.9*V0, C = 2*70 mA * 175 uS / (3V * (1-0.9^2)) = 44 uF.supongo que todos están en el mismo estadio.
@David: Lo siento, en realidad quise decir corriente constante, no potencia constante.
Estoy pensando en evitar el LTC4412 e ir con el mux de potencia TPS2113 de TI en su lugar (ver el comentario anterior). Parece que necesitaría menos capacitancia para protegerme de la caída de voltaje, evitando el problema de la irrupción. ¿Qué piensas?
Circuito de conmutación USB/batería
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