Crítica del diseño del circuito de energía del registrador de datos

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

  • Estoy usando el microcontrolador y el sensor a 3.3V, con una carga que varía de 10 mA a 400 mA
  • el dispositivo será alimentado por una batería recargable de ion de litio (4.2V máximo)
  • batería cargada por USB (5V)
  • El encendido / apagado del dispositivo se alterna mediante una presión de botón o en una condición de bajo voltaje de la batería (@ 3.2 V).

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

( EDIT : esquema revisado según las sugerencias de @Russell y @ Madmanguruman)

Etiquetas:Descripcionesdealgunasdelasetiquetasqueutilicéenlaimagendelesquemaanterior:

  • VCC:voltaje(5V)enlafuentedealimentaciónUSButilizadaparacargarlabatería
  • 3.3V:voltajealqueseejecutaráelmicrocontrolador,sensor,etc.
  • UC-PIN[1-8]:variospinesdelmicrocontroladorAVR,incluidounalfilerconcapacidadADC
  • REG-ENABLE:habilita/deshabilitalaseñalenviadadesdeelpindesalidadelSTM6601ICalpindehabilitacióndeTPS63001.

Breveresumendemienfoquegeneral:Delafuentedealimentacióndelabatería,unreguladorBuck-boostproporciona3.3VparaeluC/sensor.Estafuentedealimentaciónde3.3Vestáhabilitada/deshabilitada(PwrONvsPwrOFF)poruncontroladorespecializadoIC,quemonitoreaeleventodebotónpulsadorolatensióninsuficientedelabatería.LaalimentaciónUSBseutilizaparacargarlabatería(cuyovoltajesemideperiódicamentemedianteunpinADCenlaunidaddecontroldetemperatura).Esoestodo.

Omásespecíficamente,comopuedeverarriba,estoyusandoestoscuatrocomponentesacontinuación(consusenlacesalahojadedatos):

  1. MCP73871 : IC de carga de batería que usa ConstantCurrent-then-ConstantVoltage enfoque para cargar el ion-litio. Configuré los pines en el MCP73871 para alimentar la carga con USB (5V) con una corriente de 500 mA.
  2. TPS63001 : regulador Buck-boost, suministrado por la batería, y con una salida fija de 3.3 V (Además, he habilitado el "Modo de ahorro de energía" en este regulador para permitir una mayor eficiencia en el caso de menor carga de mi dispositivo)

  3. STM6601 basado en el botón pulsador / OFF controlador IC

    • Inicialmente, cuando el STM6601 detecta que el botón pulsador se mantiene durante un tiempo, luego envía una señal ALTA, que está conectada al TPS63001, lo que lo habilita y da vida al dispositivo.
    • Cuando el STM6601 detecta que se presiona nuevamente el botón pulsador O que el voltaje de la batería cae por debajo de un umbral de 3.2 V, entonces el STM6601 envía automáticamente un BAJO, deshabilitando el regulador.
  4. Interruptor de carga ( FPF1008 ) : controla la corriente que va de la batería V + a un divisor de voltaje
    • El divisor se usa para reducir el voltaje de la batería dentro del máximo de 3.3 V permitido en el pin del 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. Dado que no tengo experiencia con ningún diseño profesional, espero que haya al menos un par de cosas "incorrectas". O cosas que podrían mejorarse; por lo que estoy francamente abierto a cualquier sugerencias de las que pueda aprender, pequeñas o grandes, incluso si requieren que tenga que volver a pensar / reconstruir el circuito.

    
pregunta boardbite

2 respuestas

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

Ha configurado la terminación de carga = 10 mA típica (PROG3 = 100k a tierra).
Esto maximiza la capacidad de su batería al costo de reducir la vida útil del ciclo. A menos que desee una capacidad máxima absoluta, elegiría la opción de terminación actual de 100 MA (PROG3 = 10k)

La corriente de carga de 500 mA está bien siempre y cuando la batería lo tolere.
 LiIon generalmente permite una tasa de carga máxima de 0.5C a 1C (depende de las especificaciones del fabricante y algunas más altas. El LiPo generalmente es más alto. Por lo tanto, esto 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 de buck y TPS63001 es uno de ellos. Principalmente evidentes en Iout bajo y no muy mal en cuanto a poder, pero vale la pena tenerlo en cuenta.

Añadido:

Asegúrese de utilizar un paquete de baterías protegido internamente.
 Si bien espera evitar los eventos de "ventilación con llama", es una ventaja si puede ubicar la batería para que pueda "derretirse" sin destruirse a sí misma ni a la zona en la que se encuentra. Si bien he leído una gran cantidad de información acerca de Eventos destructivos de LiIon y LiPo Nunca he visto uno y nunca he conocido a nadie que haya experimentado uno personalmente. Porcentaje sabio la incidencia es probablemente muy pequeña. Una vez traté de inducir algunas células de LiPo que tengo aquí para autodestruirse 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 usa la versión 4.1V, disminuye la capacidad de la batería, aumenta la vida útil del ciclo, quizás de manera significativa, y le da más margen de seguridad. La tabla a continuación es del sitio web de Battry University (copiada en este caso del intercambio de pila " La carga afecta la vida útil de la batería ", lo que también puede ser útil. Esto sugiere una capacidad máxima de aproximadamente el 87% del máximo posible simplemente al dejar caer Vmax en 0,1 voltios. El efecto sobre la tensión mecánica de la batería puede ser significativo.

Si le importa el ciclo de vida de la batería ultra largo, considere usar la batería LiFePO4. Este cargador IC no lo acomodará. Vmax es 3.6V, la mayor parte de la energía se entrega en el rango de 3.0 - 3.3 V, por lo que aumentaría la vida útil de la batería para obtener un suministro de 3.3V.

Siusaionesdelitio,podríaconsiderarlasventajasdeusarunreguladorLDOlinealparael3V3.Estosignificaqueusted"desperdicia" la energía por debajo de aproximadamente 3.4V, que es aproximadamente el 75% de la capacidad a una tasa de 2C y el 90% + a una tasa de 1C. Si usa una batería de 1000 mAh, entonces 400 mA = 0.4C y obtendría un 90% + de capacidad de la batería con un regulador lineal. Aquí hay algunas curvas "típicas" que deben verificarse contra 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% eficiente y en la media de carga más baja de aproximadamente 3.7V es 3.3 / 3.7 ~ + 90% eficiente. Es probable que su potenciador no sea más eficiente en el rango de la batería. No descargar LiIon por debajo de 3.3V ayudará en gran medida a su ciclo de vida. SI puede tolerar la pérdida de capacidad del uso de Vmax = 4.1V cuando se está cargando y un regulador LDO lineal obtiene una batería de muy larga duración sin problemas de ruido en el regulador de conmutación. El costo general de la batería será mayor para una capacidad determinada, pero el costo total de la batería de por vida puede ser superior debido a la larga vida útil del ciclo. Con LiIon, aún debe lidiar con la vida útil del calendario: la batería simplemente "se vuelve vieja", aunque se use poco. La siguiente curva se copió de Cuándo dejar de drenar , que También puede valer la pena leer.

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

En este momento, la entrada térmica de la batería va directamente a P $ 5, lo cual es totalmente válido. Pero, asegúrese de que la batería utilizada use un termistor de 10k (como la mayoría) 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 (cubierta en ficha de datos).

    
respondido por el Russell McMahon
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El circuito Buck-boost introducirá alguna ondulación en la fuente de alimentación de 3.3 V debido a que es un regulador de conmutación. Si necesita que la fuente de alimentación de 3.3 V esté limpia (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 llevar para un postregulador lineal).

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

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

    
respondido por el Adam Lawrence

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