Circuito de conmutación de batería / USB

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Antecedentes: soy un no-EE (un 0x11?: ^) empujado en el mundo del diseño de sistemas integrados. Comencé este proyecto con una única comprensión de los circuitos a nivel de física en la universidad, pero estoy aprendiendo gradualmente.

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

El dispositivo normalmente 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 el USB y la batería, sin un reinicio del 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 de OR. El problema aquí es que estaría desperdiciando energía (corriente x caída de tensión directa del diodo), y eso es algo que quiero evitar.

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

Pregunta 1 : ¿Parece adecuado?

Una de las preocupaciones que tengo es el retraso en el cambio 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 de 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). Al observar la Figura 1 en la hoja de datos (vea también la descripción de los capacitores de derivación en la página 5), el truco es elegir correctamente un valor para el capacitor de salida, C_out. Calculé un valor, pero no estoy seguro de si mi enfoque es válido. Si me soportas:

El CC1111 normalmente funciona a 3 V con 2 baterías AA. Supongamos que podría funcionar a solo el 90% de eso (2.7 V). Uso la corriente consumida por la carga (mi dispositivo) y la tensión nominal (3V) para generar una resistencia equivalente (V / I). Según mis mediciones y las corrientes de suma tomadas de las hojas de datos, el dispositivo puede dibujar 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, por lo que diga 50 uF.

Pregunta 2 : ¿ese enfoque y este cálculo son válidos?

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

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

    
pregunta David

2 respuestas

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No, como ya habrás temido que esto no sea kosher. El 3 V es el mínimo, y el voltaje de las baterías AA caerá rápidamente por debajo de eso. Si está utilizando las pilas recargables de NiMH, solo obtendrá 2.4 V, por lo que no funcionará, a menos que pueda usar 3 de ellas en serie. (No use baterías en paralelo como usted menciona en su pregunta). Por lo tanto, tres celdas de NiMH le darán 3.6 V. Fino.

Ese 3,6 V es el VDD máximo para el dispositivo, por lo que si desea desconectarlo de la alimentación por USB, necesitará un regulador de voltaje LDO (caída baja) 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:

\ $ \ Delta V = \ dfrac {I \ cdot \ Delta t} {C} \ $

o

\ $ C = \ dfrac {I \ cdot \ Delta t} {\ Delta V} \ $

Las células de NiMH tienen una frecuencia constante de 1,2 V, que solo descienden por debajo de 1,1 V cuando están casi descargadas.

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

\ $ C = \ dfrac {70 mA \ cdot 175 \ mu s} {300 mV} = 41 \ mu F \ $

que es lo que Ben también encontró. Si crees que no irás por debajo de 1.15 V, entonces eso se convertiría en 27 µF, así que eso no va a cambiar mucho, pero te da un poco de margen si quieres usar una tapa de 47 µF. AndrejaKo señala acertadamente que los condensadores electrolíticos tienen grandes tolerancias, generalmente de -20%, y luego me gustaría una tapa de 68 µF / 6.3 V.

    
respondido por el stevenvh
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No, no debes usar una ecuación de constante de tiempo resistivo para la electrónica activa. Simplemente asuma un consumo de corriente independiente del voltaje, junto con la ecuación del capacitor:

I = C * dV/dt

y resuelve para C.

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

(está bien, es más o menos lo mismo, porque la corriente de descarga de R-C está por encima del 90% del valor de inicio, mientras que la tensión está por encima del 90%)

La especificación del USB indica que la carga capacitiva máxima que se puede colocar en el extremo posterior de un cable es de 10 uF . Vas a tener un problema si tus baterías se descargaron, a menos que limites la fuente USB.

    
respondido por el Ben Voigt

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