Error de voltaje de batería RTC; ¿Error de amplificador operacional no ideal?

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Primer post aquí de un aficionado a la electrónica, así que por favor, tengan paciencia conmigo. Estoy feliz de hacer lo que pueda para mejorar mi pregunta para la comunidad.

Para un poco de historia de fondo, tengo un proyecto que requiere un RTC para una Raspberry Pi. Necesito que el RTC sea delgado, al menos más delgado que la mayoría de los módulos que puede comprar, y quiero poder leer el voltaje de la batería para poder recibir una advertencia si el voltaje baja antes de que falle. Entonces, diseñé una placa que usa el DS3231M para el cronometraje y un ADC con un seguidor de voltaje para leer el voltaje sin afectar mucho el consumo de corriente de la batería. El amplificador operacional es un LMC7101BIM5 / NOPB y el ADC es un ADC081C027CIMK (consulte las URL a continuación).

Aquí está el esquema, el diseño de la placa y la carpeta de águila zip'd para referencia: Eagle Files

Cuando la placa está unida a la Pi, funciona muy bien; Puedo leer el reloj y puedo leer el voltaje de la batería a través del seguidor de voltaje / ADC. Pero cuando lo desconecto con la batería, la OSF se dispara. Utilicé este diseño básico para otro RTC (sin la lectura de voltaje de la batería), así que estoy seguro de que la batería está bien conectada. Usé mi multímetro y resulta que mientras la batería lee ~ 2.8V cuando la Pi está en el voltaje es de < 2.4V cuando se quita la energía.

Mi opinión es que tiene que ver con el amplificador operacional. Corté el rastro conectando la batería al circuito de lectura de voltaje y el voltaje volvió a ~ 2.8V, por lo que pienso que es un problema con la implementación del amplificador operacional. Supongo que tiene que ver con mi funcionamiento bajo el supuesto de un amplificador operacional ideal. Pensé que tal vez la batería estaba intentando alimentar el circuito a través del amplificador operacional, consumiendo demasiada corriente y disminuyendo el voltaje. Así que superé el rastro que corté antes de soldar, corté el rastro al suministro del amplificador operacional y lo soldé en un diodo (no me importa la caída de voltaje siempre que pueda "ver" una caída de voltaje para dar una advertencia de baja tensión). Esto ayudó un poco, pero el voltaje es apenas de > 2.4V y la corriente es de aproximadamente 1 mA.

Cualquier ayuda es apreciada, incluso si se trata solo de mi diseño de esquema / tablero.

También, sería un poco difícil cambiar los diseños en este punto, pero creo que puede haber IC de batería que manejan este tipo de cosas. ¿Valdría la pena cambiar a algo así?

No puedo publicar más de dos enlaces, así que publicaré las URL de los componentes como comentarios.

    
pregunta James Peterson

2 respuestas

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el problema no es el amplificador operacional en sí mismo, sino la suposición del ingeniero de cómo se comportan los pines de entrada y salida de los IC cuando no se aplica energía a ese IC.

Muchos ingenieros no saben que hay diodos de protección ESD o diodos parásitos (o ambos) en las entradas y salidas de los circuitos integrados. Las hojas de datos no hacen esto obvio. Echa un vistazo a este artículo .

Por lo tanto, cuando se elimina VCC de su ADC y opamp, hay una ruta de diodo desde VBATT a la red VCC debido al diodo ESD dentro del IC opamp. Casi todos los circuitos integrados tendrán esta arquitectura. Continúe y mida el VCC con el conector retirado y encontrará que hay una caída de aproximadamente 1 diodo por debajo del voltaje VBATT. ¡Esto significa que su celda de moneda está activando el ADC y opamp cuando se quita el conector! Es por eso que el voltaje de la celda de la moneda está cayendo.

La solución más simple pero un poco cursi es poner una resistencia de 100k en el opamp IN +. Esto reducirá la corriente empujada en ADC y opamp. Sería aproximadamente (2.8V - 0.6V) / 100k = 20 microAmps. Aumentaría el error de ADC en cualquier momento en que la corriente de polarización de entrada de su opamp sea la resistencia de la serie de 100k, y esto aún sería una corriente adicional que drena su celda de moneda.

Una mejor solución sería utilizar un pequeño MOSFET para desconectar la entrada opamp cada vez que se desconecte VCC. Pero esto sumaría 2 transistores y algunas resistencias. Puedo dibujar un circuito si quieres.

Realmente no hay una solución simple y fácil (aparte de la resistencia en serie). En realidad, es todo un desafío de diseño cuando realiza este tipo de circuito de "intercambio en caliente", donde tiene que cambiar la alimentación a su circuito a diferentes suministros sobre la marcha o tiene que manejar entradas distintas a cero incluso cuando se elimina la alimentación de su circuito. .

Espero que ayude, -Vince

    
respondido por el Vince Patron
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Aquí hay una solución alternativa que habíamos discutido, un circuito para desconectar VBATT de la entrada opamp cuando no se aplica VCC. Para el MOSFET de canal P, simplemente elija uno pequeño de baja potencia que tenga un voltaje de umbral bajo para asegurarse de que 3V lo encienda completamente. Tenga en cuenta que un VBATT muy bajo no activará el MOSFET, por lo que limita la cantidad de voltaje que puede medir. -Vince

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

    
respondido por el Vince Patron

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