Zasilanie 3,3V układu + ładowarka USB + bateria

[MR1979]

Witam!

Planuję zaprojektować zasilanie 3,3V do przyszłych budowanych układów.

Wymagania:
- Max prąd na wyjściu 250mA
- Bateria Li-Po 3,7V
- Ładowanie przez USB
- Możliwie mały - czyli układy SMD
- Możliwy do ręcznego polutowania bez Hot Air
- Max prąd pobierany z USB - 500mA. (Wiem, że prawidłowo układ powinien pobierać 100mA a później dokonać identyfikacji portu USB i przełączyć się na 500mA, ale na początek nie chcę komplikować układu).

Zamierzam skorzystać z jedno-układowych modułów ładowania z USB oraz przetwornicy DC/DC (step up/down).

Nigdy nie budowałem ładowarki USB i zasilania z baterią w jednym urządzeniu, dlatego na początek chciałbym potwierdzić ogólny układ blokowy (w załączniku).

Czy rzeczywiście wystarczy równolegle połączyć moduł ładowarki, baterię i przetwornicę?
Czy tak podłączony układ ładujący będzie działać prawidłowo w czasie gdy jednocześnie będziemy zasilać odbiornik?
Myślałem jeszcze nad drugą opcją, żeby na czas podłączenia zasilania USB, przetwornicę odciąć od baterii (np tranzystorem MOSFET) i zasilać bezpośrednio. Tylko jak wtedy ograniczyć max prąd pobierany z USB.

 

[Gieneq]

11 godzin temu, MR1979 napisał:

Tylko jak wtedy ograniczyć max prąd pobierany z USB.

Jak chcesz ograniczać prąd to możesz zastosować rezystor bocznik (shunt), do niego układ pomiaru napięcia - z prawa Ohma prąd. Ale nie sądzę, że jest to tu istotne, bo jeżeli chcesz wykorzystać ładowarkę w formie modułu to ona nie pobiera więcej niż 500mA.

11 godzin temu, MR1979 napisał:

Myślałem jeszcze nad drugą opcją, żeby na czas podłączenia zasilania USB, przetwornicę odciąć od baterii (np tranzystorem MOSFET) i zasilać bezpośrednio.

Więc wystarczy że kupisz taką co ma 2 terminale (bateria i osobno wyjście). Wtedy będzie się sama przełączać zależnie czy bateria jest ładowana czy zasilanie jest pobierane z baterii - tu trzeba konkretnie sprawdzić czy to co kupujesz ma taką funkcję. Wtedy ten układ naprawdę będzie składał się z modułu ładowarki - lipola i przetwornicy 😉

Jak chcesz być bardzo ambitny, możesz zaprojektować własną płytkę i dodać jakieś zabezpieczenia - przed odwrotnym podłączeniem itd. Great Scott na YT robił kiedyś własny moduł ładowarki z wyjściem 5V.

 

Edytowano Sierpień 23, 2019 przez Gieneq

[MR1979]

@Gieneq Możliwe że nie wyraziłem moich zamiarów jasno. Pisząc moduł miałem na myśli część układu zasilania który chcę zbudować. Nie chcę kupować gotowych modułów zasilania.

Wracając do projektu....

Przeglądałem ofertę w sieci i wstępnie wybrałem następujące układy ([+] zalety [-] wady):

1. Charger IC - TP4056
        + Dostępny w ilościach detalicznych
        + Łatwa w montażu obudowa SOP-8
        + Wymaga niewielu dodatkowych elementów do działania
        + Można płynnie zmieniać prąd ładowania zależnie od potrzeb nawet do 1A
        + Możliwość kontroli temp baterii (opcjonalnie)
        + Niska cena
        - Nie wiem jak z jakością tego układu, mało znany chiński producent

2. DC/DC Converter - LTC3440EMS
        + Dostępny w ilościach detalicznych
        + Łatwa w montażu obudowa MSOP-10
        + Wymaga niewielu dodatkowych elementów do działania
        + Napięcie wejściowe 2,5 - 5,5V
        + Napięcie wyjściowe 2,5 - 5,5V (można dowolnie zmieniać zależnie od potrzeb)
        + Prąd wyjściowy do 600mA
        + Możliwość kontroli układu przez wejście ~SHDN (shut down)

3. Power button controller - Tu wciąż szukam układu. Na razie znalazłem dwa:

STM6600
        + dostępny w ilościach detalicznych
        + wiele ciekawych opcji w połączeniu z mikrokontrolerem
        - bez Hot Air raczej nie przylutuję
        - nigdzie w sklepach nie znalazłem przejściówki TDFN12 -> DIP do prototypowania (może ktoś widział? ma na sprzedaż?)
        - wysoka cena

MAX16054
        + Łatwa do lutowania obudowa SOT23
        - w ilościach detalicznych praktycznie niedostępny w Polsce
        - dużo mniejsze możliwości niż STM6600
        - wysoka cena (wyższa nawet niż STM6600)
 

[MR1979]

Jeszcze wracając do pierwszego postu. Rozważam dwie opcje:

1. Przetwornica DC/DC połączona równolegle z ładowaniem oraz baterią:
+ Łatwiejsza konstrukcja
- Wciąż nie jestem pewien czy takie połączenie jest prawidłowe (jak zachowa się logika układu ładującego gdy będzie ładował baterię i zasilał przetwornicę jednocześnie ?)

2. Przetwornica odłączana MOSFETem w momencie podłączenia zasilania USB:
+ W momencie podłączenia zasilania przetwornica i ładowarka działają niezależnie (jestem pewien że logika ładowarki będzie działać prawidłowo)
- Prąd zasilania przetwornicy oraz ładowarki sumują się więc istnieje ryzyko przeciążenia portu USB.

Może jakiś bardziej doświadczony kolega skomentuje?

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Anonim]

Tak się zastanawiam po co Ci ten stm6600???  @Gieneq  podał Ci najlepsze rozwiązanie dla przełączania: kup przetwornicę z taką możliwością do pracy na baterii. Do pracy na zasilaniu najłatwiej będzie zastosować stabilizator napięcia i po sprawie. Dodaj sobie diodę/zworę od napięcia USB do pinu przetwornicy enable z pooldownem do masy na jakimś grubym rezystorze i masz full automatic. Może się też okazać że trzeba sygnał zanegować ale chyba sobie poradzisz, większość przetwornic ma enable na H state.

Moduły ładowarek często mają zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem, mają wtedy osobne wejście na aku i osobno wyjście zasilania.  To te z 4056. U mnie się sprawdzają, warto natomiast przykleić sobie dodatkowo gniazdo USB do ładowania bo lubi odpadać po kilku - kilkunastu razach 😜

[MR1979]

@atMegaTona Chcę wszystko zaprojektować i zbudować sam. W celach edukacyjnych. Nie chcę kupować gotowych modułów.

STM6600 lub coś podobnego chcę dodać w późniejszym etapie bo wydaje mi się ciekawym układem i daje między innymi następujące możliwości:
+ Włączenie układu jednym przyciskiem (krótkie wciśnięcie)
+ Wysłanie przerwania do mikrokontrolera gdy krótko wciśniemy przycisk POWER (np w celu zapisania danych do EEPROM przed wyłączeniem)
+ Możliwość wywołania hard reset długim przytrzymaniem przycisku POWER (przydatne gdy układ się zawiesi a urządzenie jest zabudowane i nie ma łatwej możliwości odłączenia baterii)
+ Automatyczne wyłączenie układu gdy poziom baterii spadnie poniżej dozwolonego
+ Możliwość kontroli stanu zasilania przez mikrokontroler
+ Możliwość wywołania wyłączenia zasilania układu z poziomu mikrokontrolera
 

Tak więc możliwości są duże i chciałbym się tym układem pobawić. Na razie w celach edukacyjnych.

 

[MR1979]

Projekt skończony. Powstał z tego fajny moduł do prototypownia urządzeń zasilanych baterią LiPo. Ostatecznie moduł bazuje na następujących układach:

1. MCP73871-2CC - zintegrowana ładowarka LiPo + power path
2. STM6601-CQ2BDM6F - układ nadzorujący, komunikacja z uC, obsługa przycisku [POWER]
3. TPS63001 - konwenter DC/DC typu buck/boost z wyjściem 3,3V do 1,2A.

Projekt został zaprojektowany od kart katalogowych, tzn nie użyłem ani jednego gotowego modułu.

Główne funkcje:
1. Bezpieczne ładowanie praktycznie dowolnej baterii LiPo 3,7V (pełna konfiguracja parametrów przez wymianę dwóch rezystorów oraz ustawienie zworek na płytce)
2. Pełna obsługa przycisku [POWER] jak w telefonach komórkowych:
- Krótkie wciśnięcie gdy układ jest wyłączony - uruchomienie zasilania. Wtedy uC musi potwierdzić że wszystko OK ustawiając stan wysoki na linii HOLD.
- Krótkie wciśnięcie gdy układ jest włączony - sygnał wysłany do uC. Oprogramowanie może zapisać swój stan, a następnie bezpiecznie wyłączyć zasilanie przez ustawienie stanu niskiego na linii HOLD.
- Długie wciśnięcie (powyżej 10s) - awaryjne wyłączenie zasilania - np gdy uC przestanie odpowiadać.
3. Zabezpieczenia zintegrowane w zastosowanych układach:
- Przeciwzwarciowe (TPS6301)
- Gdy napięcie baterii spadnie poniżej 3,3V nie można uruchomić urządzenia przyciskiem [POWER]. Jednak jeżeli urządzenie już działa to będzie ono zasilane do momentu gdy napięcie w baterii spadnie do poziomu 3,1V [STM6601]
- Gdy napięcie na baterii spadnie do poziomu 3,1V - nastąpi awaryjne wyłączenie urządzenia [STM6601]
- Dodatkowo na baterii zwykle jest zintegrowany układ zabezpieczający odcinający zasilanie na poziomie 3V
- Zabezpieczenie przed przeciążeniem gniazda USB. Całkowity prąd pobierany z gniazda zasilania można skonfigurować na poziomie 100mA, 500mA lub wyłączyć to ograniczenie. Zasilany układ ma zawsze priorytet i jeżeli pobór prądu będzie zbyt duży to układ ładujący automatycznie obniży prąd ładowania baterii, tak żeby całkowity pobór prądu nie przekroczył ustawionego limitu [MCP73871]
- Możliwość podłączenia czujnika temperatury w celu monitorowania baterii podczas ładowania [MCP73871]
- Zabezpieczenie przed zwarciem w obwodzie baterii [MCP73871]
 

Poniżej zdjęcia z poszczególnych etapów prac na modułem:

1. Prototypowanie i testy.

Zacząłem od zamówienia przejściówek QFN, DFN na DIP (nie były nigdzie dostępne potrzebne mi rodzaje więc musiałem zrobić projekt PCB i zamówić). Zamówiona została też specjalna płytka na której wykonałem kompletny przetwornik DC/DC. Ze względu na wymóg jak najkrótszych połączeń między elementami przetwornika - nie można było go złożyć na płytce stykowej.

2. Projektowanie PCB

3. Zamówione płytki drukowane i montaż

Montaż nie nastręczał problemów. Najtrudniej było przylutować gniazdo USB 🙂 Montowałem i testowałem układ w następującej kolejności: konwerter DC/DC -> układ nadzorujący -> układ ładowania.

4. Gotowy moduł:

 

Pozdrawiam,
Marek

 

 

 

Edytowano Styczeń 31, 2020 przez MR1979

[piotr_first]

Witam,

Czy układ STM6601-CQ2BDM6F działa tak jak to zostało opisane tzn. "Długie wciśnięcie (powyżej 10s) - awaryjne wyłączenie zasilania - np gdy uC przestanie odpowiadać." czy ta funkcjonalność działa tylko z użyciem jednego przycisku PB (bez SR)? 

 

[MR1979]

16 godzin temu, piotr_first napisał:

Witam,

Czy układ STM6601-CQ2BDM6F działa tak jak to zostało opisane tzn. "Długie wciśnięcie (powyżej 10s) - awaryjne wyłączenie zasilania - np gdy uC przestanie odpowiadać." czy ta funkcjonalność działa tylko z użyciem jednego przycisku PB (bez SR)? 

 

WItam,

Tak. Domyślnie ta funkcjonalność działa wyłącznie przez aktywację dwóch przycisków jednocześnie. Dlatego w moim projekcie połączyłem na stałe wejścia PB i SR pod jeden przycisk. Czyli wciskając przycisk PWR modułu ustawiam niski stan jednocześnie na PB i SR układu STM6601. Ponieważ opóźnienie awaryjnego wyłączenia układu ustawiłem kondensatorem Csrd na 10s, więc taka konfiguracja nie ma wpływu na podstawową funkcjonalność przycisku PWR.

Pozdrawiam,
Marek

[piotr_first]

Witam,

Dziękuję za szybką odpowiedź, wczoraj montowałem próbny układ z jednym przyciskiem i trafiłem na problem wyłączania. Zrobiłem właśnie modyfikację połączenia SR z PB (tak jak Pan) z mniejszym kondensatorem C_SRD 100nF, żeby układ wyłączał się po 1s. Układ testowy mam bez procesora, tylko sam stabilizator napięcia i dioda do testów. PS_HOLD spinam przez rezystor podciągnięty do 3.3V, aby umożliwić start płytki gdy procesor nie jest jeszcze zaprogramowany. Układ działa prawidłowo, dziękuję bardzo za pomoc. 

Pozdrawiam

[Anonim]

Trzeba przyznać, że wyszło bardzo fajnie. Jaki jest jednostkowy koszt takiej płytki? Jeśli to nie tajemnica handlowa to czy możesz załączyć projekt tej płytki?

Pozdrawiam

[MR1979]

18 minut temu, atMegaTona napisał:

Trzeba przyznać, że wyszło bardzo fajnie. Jaki jest jednostkowy koszt takiej płytki? Jeśli to nie tajemnica handlowa to czy możesz załączyć projekt tej płytki?

Pozdrawiam

Witam,

Nie mam pojęcia jaki jest jednostkowy koszt. To hobby więc ekonomia projektu nie była dla mnie priorytetem. Najdroższym elementem była oczywiście PCB. Resztę cen możesz sprawdzić na farnell albo podobnej hurtowni online.

Projekt płytki w załączniku (format KiCad). Jakbyś robił własną PCB to najtrudniejsza jest część pod przetwornicę DC/DC.

Pozdrawiam.

psu.zip