Crítica al diseño del circuito de alimentación de mi registrador de datos

Question

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

• Estoy ejecutando el microcontrolador y el sensor @ 3.3V, con carga que varía de 10 mA a 400 mA
• El dispositivo se alimentará de una batería recargable de iones de litio (4,2 V como máximo)
• batería cargada por USB (5V)
• El encendido/apagado del dispositivo se activa al mantener pulsado el botón o al producirse una condición de baja tensión en la batería (a 3,2 V).

El siguiente esquema muestra el Sección relacionada con la energía de mi circuito hasta ahora. Tenga en cuenta que el microcontrolador y el sensor son NO que se muestra aquí.

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

Etiquetas: Descripciones de algunas de las etiquetas que he utilizado en la imagen esquemática de arriba:

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

Breve resumen de mi enfoque general: Desde la alimentación de la batería, un regulador buck-boost proporciona 3,3V para el uC/sensor. Este suministro de 3,3V se activa/desactiva (PwrON vs PwrOFF) mediante un CI controlador especializado, que supervisa el evento del pulsador o la subtensión de la batería. La alimentación USB se utiliza para cargar la batería (cuyo voltaje se mide periódicamente por un pin ADC en el uC). Eso es todo.

O más concretamente, como puedes ver arriba, estoy utilizando estos cuatro componentes de abajo (con sus enlaces de hojas de datos):

1. MCP73871 : IC de carga de la batería que utiliza ConstantCurrent-then-ConstantVoltage enfoque para cargar el Li-ion. He configurado los pines en el MCP73871 para alimentar la carga con USB (5V) con 500 mA de corriente.
2. TPS63001 : Regulador Buck-boost, alimentado por la batería, y con una salida fija de 3,3V (Además, he habilitado el "modo de ahorro de energía" en este regulador para permitir una mayor eficiencia para el caso de carga menor de mi dispositivo)

3. STM6601 : Controlador ON/OFF basado en pulsadores IC

   • Inicialmente, cuando el STM6601 detecta que el pulsador se mantiene pulsado durante un tiempo, entonces envía una señal HIGH, que se conecta al TPS63001, habilitándolo así, y dando vida al dispositivo.
   • Cuando el STM6601 detecta que el pulsador se mantiene pulsado de nuevo O que el voltaje de la batería cae por debajo de un umbral de 3,2V, entonces el STM6601 envía automáticamente un LOW, desactivando 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 bajar el voltaje de la batería hasta el máximo de 3,3V permitido en el pin ADC del microcontrolador.
   • El ADC toma mediciones de la tensión de la batería periódicamente, que se asigna a la curva de nivel de descarga, para una indicación aproximada al usuario del dispositivo.

MI PREGUNTA: ¿Tienen alguna sugerencia sobre esta disposición y enfoque?

Estoy interesado en cualquier comentario que pueda tener. Dada mi nula experiencia en maquetación profesional, espero que haya al menos un par de cosas "incorrectas". O cosas que se podrían mejorar; así que estoy francamente abierto a cualquier sugerencias de las que pueda aprender, pequeñas o grandes, incluso si me obligan a replantear/reconstruir el circuito.

Answer 1

Se ve bien. No hay "divertimentos" obvios en un vistazo rápido.

Ha ajustado la terminación de carga = 10 mA típicos (PROG3 = 100k a tierra).
Esto maximiza la capacidad de la batería a costa de reducir su vida útil. A menos que quiera la máxima capacidad absoluta, yo elegiría la opción de terminación de corriente de 100 MA (PROG3 = 10k)

Una corriente de carga de 500 mA está bien mientras la batería la tolere.
LiIon normalmente permite una tasa de carga máxima de 0,5C a 1C (depende de las especificaciones del fabricante, con algunas más altas). Las LiPo suelen ser más altas. Así que esto debería estar bien para la batería de 1000 mAh y probablemente para la de 500 mAh, pero compruebe la hoja de datos de la batería.

Los Buck-Boost a menudo tienen una desagradable caída de eficiencia alrededor del punto de transición de boost a buck y el TPS63001 es uno de ellos. Es evidente sobre todo a bajas Iout y no es muy malo en cuanto a la potencia, pero puede valer la pena tenerlo en cuenta.

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Añadido:

Asegúrese de utilizar un paquete de baterías con protección interna.
Si bien se espera evitar los eventos de "ventilación con llama", es una ventaja si se puede ubicar la batería para que pueda "fundirse" sin que se destruya a sí misma o a la zona en la que está alojada. Aunque 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. Porcentualmente la incidencia es probablemente muy pequeña. Una vez traté de inducir la autodestrucción de algunas celdas LiPo que tengo aquí, aplicando una gran sobretensión, sin éxito.

El cargador IC parece venir en 4,1, 4,2, 4,35. 4,4 voltios.
Si utilizas la versión de 4,1V disminuyes la capacidad de la batería, aumentas la vida útil del ciclo - quizás de forma significativa, y te das más margen de seguridad. La siguiente tabla está sacada de la página web de la Universidad de Battry (copiada en este caso de stack exchange "La carga afecta a la duración de la batería" que también puede ser útil. ¡Esto sugiere una capacidad final de alrededor del 87% de la máxima posible sólo por la caída de Vmax en 0,1 voltios! El efecto sobre la tensión mecánica de la batería puede ser significativo.

Si se preocupa por la vida ultra larga de la batería, considere el uso de la batería LiFePO4. Este cargador IC no se adaptará a ella. Vmax es de 3,6V, la mayor parte de la energía se entrega en el rango de 3,0 - 3,3 V, por lo que estaría impulsando para la mayor parte de la vida de la batería para obtener el suministro de 3,3V.

Si utilizas iones de litio podrías considerar las ventajas de utilizar un regulador lineal LDO para los 3V3. Esto significa que se "desperdicia" la energía por debajo de unos 3,4V, lo que supone un 75% de capacidad a una tasa de 2C y un 90%+ a una tasa de 1C. Si usas una batería de 1000 mAh entonces 400 mA = 0.4C y obtendrías un 90% + de la capacidad de la batería con un regulador lineal. Aquí hay algunas curvas "típicas" que hay que comprobar con la temperatura, la carga y las células reales utilizadas en su caso. A 4V en un regulador lineal es 3,3/4 = 82,5% de eficiencia y en la media de carga más baja de alrededor de 3,7V es 3,3/3,7 ~+ 90% de eficiencia. Su buck-boost es muy posiblemente no más eficiente en todo el rango de la batería. No descargar el LiIon por debajo de 3,3V va a ayudar mucho a su ciclo de vida. SI puedes tolerar la pérdida de capacidad por usar Vmax = 4,1V al cargar y un regulador LDO lineal, obtienes una batería de muy larga duración sin problemas de ruido del regulador de conmutación. El coste total de la batería será mayor para una capacidad determinada, pero el coste total de la vida útil de la batería puede ser superior debido a los largos ciclos de vida. Con el LiIon todavía tienes que lidiar con la vida del calendario - la batería simplemente "envejece" incluso si se utiliza poco. Curva de abajo copiada de Cuándo dejar de drenar - que también puede valer la pena leer.

Puede considerar el uso de una resistencia diivder de Vin a la clavija VPCC para proporcionar un apagado de Vin bajo. Esto establece el Vin más bajo que será tolerado. (En la actualidad, está atado a Vin, lo que lo desactiva, pero es una opción válida). Puede no ser útil en su aplicación.

Usted tiene la entrada térmica de la batería va directamente a P $ 5 en la actualidad - que es totalmente válido. Pero, asegúrese de que la batería utilizada utiliza un termistor de 10k (como la mayoría) y no otro valor (como puede suceder) y considere si desea adaptar el rango térmico válido para su aplicación mediante la adición de la serie R en la línea de detección térmica (cubierta en la hoja de datos).

Answer 2

El circuito buck-boost introducirá cierta ondulación en la alimentación de 3,3V por el hecho de ser un regulador de conmutación. Si necesitas que la alimentación de 3,3V esté limpia (si se va a utilizar como referencia ADC, por ejemplo) puedes necesitar un filtro LC separado para suavizarla. (400mA es difícil para un post-regulador lineal).

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

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