Crítica del diseño del circuito de potencia de mi registrador de datos

Estoy diseñando mi primer dispositivo completo, un registrador de datos de sensor bastante simple, con estas especificaciones en mente:

  • Estoy ejecutando un microcontrolador y un sensor a 3,3 V, con una carga que varía de 10 mA a 400 mA
  • el dispositivo será alimentado por una batería recargable de iones de litio (máximo 4.2V)
  • batería cargada por USB (5V)
  • El encendido/apagado del dispositivo se alterna manteniendo presionado un botón o en una condición de bajo voltaje de la batería (@ 3.2 V).

El siguiente esquema muestra la sección relacionada con la potencia de mi circuito hasta el momento. Tenga en cuenta que el Microcontrolador y el Sensor NO se muestran aquí.

( EDITAR : Esquema revisado basado en las sugerencias de @Russell y @Madmanguruman).

Sección de potencia

Etiquetas: descripciones de algunas de las etiquetas que utilicé en la imagen esquemática de arriba:

  • VCC : voltaje (5 V) en la fuente de alimentación USB utilizada para cargar la batería
  • 3.3V : voltaje al que funcionará el microcontrolador, sensor, etc.
  • UC-PIN[1-8] : varios pines del microcontrolador AVR, incluido el pin con capacidad ADC
  • REG-ENABLE : Señal de activación/desactivación enviada desde el pin de salida de STM6601 IC al pin de activación de TPS63001.

Breve resumen de mi enfoque general: desde el suministro de la batería, un regulador buck-boost proporciona 3,3 V para el uC/sensor. Este suministro de 3,3 V se habilita/deshabilita (PwrON vs PwrOFF) mediante un controlador IC especializado, que monitorea el evento del botón pulsador o el bajo voltaje de la batería. La alimentación USB se utiliza para cargar la batería (cuyo voltaje se mide periódicamente mediante un pin ADC en el uC). Eso es.

O más específicamente, como puede ver arriba, estoy usando estos cuatro componentes a continuación (con sus enlaces a las hojas de datos):

  1. MCP73871 : IC de carga de batería que utiliza el método ConstantCurrent-then-ConstantVoltage para cargar el Li-ion. Configuré los pines en el MCP73871 para alimentar la carga con USB (5V) con corriente de 500 mA.
  2. TPS63001 : regulador Buck-Boost, alimentado por la batería y con una salida fija de 3,3 V (también, he habilitado el "modo de ahorro de energía" en este regulador para permitir una mayor eficiencia para el caso de carga más pequeña de mi dispositivo)
  3. STM6601 : IC de controlador ON/OFF basado en pulsador

    • Inicialmente, cuando el STM6601 detecta que el botón pulsador se mantuvo presionado durante un tiempo, envía una señal ALTA, que se conecta al TPS63001, lo que lo habilita y hace que el dispositivo cobre vida.
    • Cuando el STM6601 detecta que el botón se mantiene presionado nuevamente O que el voltaje de la batería cae por debajo del umbral de 3,2 V, el STM6601 envía automáticamente un BAJO, lo que desactiva el regulador.
  4. Interruptor de carga ( FPF1008 ) : controla la corriente que va de la batería V+ a un divisor de tensión
    • El divisor se utiliza para reducir el voltaje de la batería dentro del máximo de 3,3 V permitido en el pin ADC del microcontrolador.
    • El ADC toma mediciones de voltaje de la batería periódicamente, que se asignan a la curva del nivel de descarga, para una indicación aproximada al usuario del dispositivo.

MI PREGUNTA: ¿Tiene alguna sugerencia con respecto a este diseño y enfoque?

Estoy interesado en cualquier comentario que pueda tener. Dada mi falta de experiencia con cualquier diseño profesional, ¡espero que haya al menos un par de cosas "incorrectas"! O cosas que podrían mejorarse; así que estoy francamente abierto a cualquier sugerencia de la que pueda aprender, pequeña o grande, incluso si requieren que tenga que volver a pensar/reconstruir el circuito.

Una cosa que falta en el esquema son los refdes (designadores de referencia). Es difícil discutir cosas si no puedes nombrarlas. Y también, no sé qué software EDA usa, pero necesita un refdes para transferir del esquema a la PCB; los refdes es lo que hace el enlace entre un símbolo y la parte física.
@stevenvh: ¡Actualizado con etiquetas refdes agregadas esta vez!
Tenga en cuenta que no es correcto extraer simplemente 500 mA de USB VBUS. Primero debe negociar eso, y es posible que no esté disponible en algunos entornos (topologías que incluyen un concentrador alimentado por bus, por ejemplo).
@BenVoigt: También he leído sobre esto en alguna parte. Para la solución, ¿qué quiere decir exactamente con "negociar"? El FT232 que estoy usando en esta misma placa solo requiere mucho menos de 500 mA, pero la tasa de carga de la batería se beneficiaría de los 500 mA, por lo tanto, tengo curiosidad por encontrar una solución.
@boardbite: vea esta pregunta y mire la página 23 de la hoja de datos de FTDI que describe el PWREN#pin, que se usa para que su circuito sepa cuándo hay 500 mA disponibles.
@BenVoigt: Suena como un proceso bastante no trivial, aunque tengo la ventaja de tener un FT232 a bordo, que según esa página de Preguntas, simplifica un poco el proceso de enumeración. Me alegro de que hayas señalado este problema.
@boardbite: si bien es "inadecuado" extraer más de 100 mA de un conector USB sin negociación, en realidad, muy, muy pocos hosts USB (al menos en las computadoras modernas) se quejan si consume demasiada energía de las interfaces USB. Como tal, si este proyecto es solo para su propio uso, no me preocuparía la negociación de la alimentación USB. Por otro lado, si planea vender este widget registrador de datos, es importante negociar correctamente la alimentación USB.

Respuestas (2)

Se ve bien. No hay "chistes" obvios a simple vista.

Ha configurado la terminación de carga = 10 mA típico (PROG3 = 100k a tierra).
Esto maximiza la capacidad de la batería a costa de reducir el ciclo de vida. A menos que desee una capacidad máxima absoluta, elegiría la opción de terminación de corriente de 100 MA (PROG3 = 10k)

La corriente de carga de 500 mA está bien siempre que la batería lo tolere.
LiIon generalmente permite una tasa de carga máxima de 0.5C a 1C (depende de las especificaciones del fabricante con algunas más altas. LiPo suele ser más alta. Por lo tanto, debería estar bien para una batería de 1000 mAh y probablemente para 500 mAh, pero verifique la hoja de datos de la batería.

Buck-Boost a menudo tiene una caída de eficiencia desagradable alrededor del punto de transición boost to buck y TPS63001 es uno de esos. Principalmente evidente a bajo Iout y no muy mal en cuanto a potencia, pero puede valer la pena tenerlo en cuenta.


Agregado:

Asegúrese de utilizar un paquete de baterías protegido internamente.
Si bien espera evitar eventos de "ventilación con llama", es una ventaja si puede ubicar la batería para que pueda "derretirse" sin destruirse a sí misma o al área en la que se encuentra. Si bien he leído mucho sobre Eventos destructivos de LiIon y LiPo Nunca he visto uno y nunca he conocido a nadie que haya experimentado uno personalmente. En cuanto al porcentaje, la incidencia es probablemente muy pequeña. Una vez traté de inducir algunas células LiPo que tengo aquí para que se autodestruyeran aplicando una sobretensión bruta, sin éxito.

El IC del cargador parece venir en 4.1, 4.2, 4.35. Versiones de 4,4 voltios.
Si utiliza la versión de 4,1 V, reduce la capacidad de la batería, aumenta la vida útil del ciclo, quizás de manera significativa, y le brinda un mayor margen de seguridad. La siguiente tabla es del sitio web de la Universidad de Battry (copiada en este caso del intercambio de pila "La carga afecta la vida útil de la batería" , que también puede ser útil. ¡Esto sugiere una capacidad final de aproximadamente el 87% del máximo posible simplemente reduciendo Vmax en 0.1 voltios! Afecta en la tensión mecánica de la batería puede ser significativa.

Si le preocupa el ciclo de vida de la batería ultralargo, considere usar la batería LiFePO4. Este cargador IC no lo acomodará. Vmax es 3,6 V, la mayor parte de la energía se entrega en el rango de 3,0 - 3,3 V, por lo que estaría aumentando la mayor parte de la vida útil de la batería para obtener un suministro de 3,3 V.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Si usa iones de litio, podría considerar las ventajas de usar un regulador LDO lineal para el 3V3. Esto significa que "desperdicia" la energía por debajo de aproximadamente 3,4 V, que es aproximadamente el 75% de la capacidad a una tasa de 2C y más del 90% a una tasa de 1C. Si usa una batería de 1000 mAh, entonces 400 mA = 0.4C y obtendrá más del 90% de la capacidad de la batería con un regulador lineal. Aquí hay algunas curvas "típicas" que deben verificarse con la temperatura, la carga y las celdas reales utilizadas en su caso. A 4 V en un regulador lineal es 3,3/4 = 82,5 % de eficiencia y en la media de carga más baja de alrededor de 3,7 V es 3,3/3,7 ~ + 90 % de eficiencia. Su buck-boost posiblemente no sea más eficiente en todo el rango de la batería. No descargar LiIon por debajo de 3,3 V ayudará en gran medida a su ciclo de vida. SIpuede tolerar la pérdida de capacidad al usar Vmax = 4.1V cuando se carga y un regulador LDO lineal obtiene una batería de muy larga duración sin problemas de ruido del regulador de conmutación. El costo total de la batería será mayor para una capacidad determinada, pero los costos totales de la vida útil de la batería pueden ser superiores debido a los largos ciclos de vida útil. Con LiIon, aún debe lidiar con la vida útil del calendario: la batería simplemente "envejece", incluso si se usa poco. Curva a continuación copiada de Cuándo dejar de drenar , que también puede valer la pena leer.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Es posible que desee considerar el uso de un divisor de resistencia de Vin al pin VPCC para proporcionar un apagado de Vin bajo. Esto establece el Vin más bajo que será tolerado. (Atado a Vin actualmente, lo que lo desactiva. Esta es una opción válida). Puede no ser útil en su aplicación.

Tiene una entrada térmica de batería que va directamente a P $ 5 en la actualidad, lo cual es totalmente válido. Pero, asegúrese de que la batería utilizada use un termistor de 10k (como la mayoría lo hace) y no algún otro valor (como puede suceder) y considere si desea adaptar el rango térmico válido para su aplicación agregando la serie R en la línea de detección térmica (cubierto en ficha de datos).

Incorporó la sugerencia de 10K. Haciendo un reemplazo rápido de la vida real en mi tablero para probar el ciclo de carga; Creo que también tendrá el beneficio adicional para el usuario final de declarar más rápidamente la carga de la batería como "completada". En lo que respecta al TPS63001, la caída de la eficiencia en la transición está ahí mirando las curvas, aunque parece ser menos pronunciada para el modo de ahorro de energía en particular (frente al modo de corriente continua).
¡Gracias por los nuevos comentarios! (#1) De hecho, me he asegurado de que el paquete tenga protección interna. (n.º 2) Me gusta la idea del MCP73871 con un corte de 4,1 V, para aumentar el número de ciclos como sugiere y también para disminuir el tiempo de carga, dada la casi meseta después de 4 V. Además, hice una prueba configurando un 100 La terminación de corriente de mA anoche y el voltaje final de la batería fue de solo 4,05 V, por lo que creo que un máximo de 4,1 es suficiente de cualquier manera. (#3) Acabo de actualizar el circuito anterior con la sugerencia del divisor VPCC. Usé 100K y 270K, lo que establece unos cómodos 4,5 voltios como umbral inferior en el USB VCC.
(Los cálculos de LDO anteriores en la ventana de voltaje tienen sentido, pero estoy investigando un poco sobre la opción del regulador LDO, y comentaré sobre eso si corresponde).

El circuito reductor-elevador introducirá cierta ondulación en el suministro de 3,3 V por la naturaleza del hecho de que es un regulador de conmutación. Si necesita que el suministro de 3,3 V esté absolutamente limpio (si se va a utilizar como referencia de ADC, por ejemplo), es posible que necesite un filtro LC separado para suavizarlo. (400mA es difícil de soportar para un post-regulador lineal).

Es posible que desee considerar un picofusible en serie con la alimentación positiva de la batería, en caso de que algo salga catastróficamente mal (una batería en cortocircuito no alimentará la lógica para detectar la temperatura).

Supongo que el encabezado de la batería evitará la inversión accidental de + y -.

Tienes razón; De hecho, la polaridad de suministro está a cargo del conector (la idea es que el dispositivo tenga una batería instalada una sola vez y eso es todo). El 3.3V no se usa aquí como referencia de precisión, pero consideraré la idea del filtro LC de todos modos porque tomo mediciones ADC periódicas del voltaje de la batería con el ADC del AVR (aunque podría usar la referencia interna; tengo que ver). Agregué el fusible y actualizaré la imagen esquemática de arriba. ¡Gracias!