智能微風(fēng)扇控制器

2021-04-12

如果您不得不長(cháng)時(shí)間佩戴護目鏡，尤其是如果您在該護眼鏡中裝有處方，您可能已經(jīng)注意到起霧可能是一個(gè)主要問(wèn)題。去年，我設計并3D打印了一個(gè)小型風(fēng)扇單元，該單元在軍用護目鏡的每一側都安裝了25mm x 25mm x 10mm的風(fēng)扇。它引導一小束空氣流過(guò)鏡片內部，即使在涼爽潮濕的天氣下進(jìn)行體育鍛煉時(shí)也能保持鏡片清潔，使配戴者保持清晰的視力。它使用安裝在眼鏡帶背面的2節小號鋰聚合物電池，為12個(gè)風(fēng)扇供電-足以保持風(fēng)扇旋轉，但消耗的電流很小，盡管風(fēng)扇就在您的耳朵旁邊，但聽(tīng)不到聲音。該系統存在一些問(wèn)題，但首先，沒(méi)有電池保護功能，因此，在延長(cháng)的使用期限內，電池可能完全耗盡，無(wú)法安全充電。其次，沒(méi)有速度控制功能，因此您會(huì )受制于電池提供的氣流速度，這通常很好，但是偶爾會(huì )有一小束額外的氣流會(huì )很有用。

從表面上看，設計用作風(fēng)扇控制器的設備是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的項目，但是應用程序和設計要求增加了一些有趣的約束。該項目要考慮以下限制：

PCB尺寸應為25 mm x 10 mm

組件應僅放置在PCB的一側

PCB理想情況下應為2層，但必要時(shí)可以為4層

該設備必須能夠控制5V小型風(fēng)扇

該設備將使用小型單節鋰聚合物電池供電

PCB上不應有球柵陣列（BGA）封裝組件

電池連接器的位置必須符合規定

風(fēng)扇控制器需要具備以下功能：

風(fēng)扇速度應由使用PWM的微控制器控制

用戶(hù)應該能夠打開(kāi)和關(guān)閉設備并選擇不同的風(fēng)扇速度模式

設備應具有RGB LED形式的電池充電指示器。

當電池電壓嚴重不足時(shí)，硬關(guān)閉。

PCB的尺寸由風(fēng)扇決定，我想有一塊電路板可以放在風(fēng)扇的一個(gè)邊緣上，以便盡可能地緊湊。這也推動(dòng)了對單面組件的需求，而沖擊/沖擊以及手工組裝導致我沒(méi)有BGA封裝。對于這種尺寸的電路板，任何BGA都可能是晶圓級的，因此極細的間距比通常在較大封裝中使用的較寬間距BGA封裝更具挑戰性。

要在電池電壓降得太低時(shí)關(guān)閉設備，我將實(shí)施“自殺開(kāi)關(guān)”。要打開(kāi)設備，用戶(hù)將按下設備上的一個(gè)按鈕，該按鈕會(huì )將穩壓器的使能引腳拉高，從而允許微控制器啟動(dòng)并將該引腳本身置為高電平。一旦微控制器確定電池電壓過(guò)低，就可以將電壓調節器使能引腳拉低，從而關(guān)閉設備并停止消耗任何電流。對于這種類(lèi)型的設備，這是比簡(jiǎn)單地使微控制器進(jìn)入睡眠狀態(tài)更為理想的解決方案，因為如果該單元處于存儲狀態(tài)，則可能由于微電流消耗而導致電池過(guò)度消耗，從而損壞電池。

元件選擇

與以前的設計相比，我希望每個(gè)風(fēng)扇單元都有自己的電池，可以快速更換。無(wú)線(xiàn)電模型行業(yè)為小型電池提供了一些絕佳的選擇，這使我不得不使用小型室內直升機和飛機中常見(jiàn)的150mAh電池-它們非常便宜，質(zhì)量高并且具有強大的放電能力。這種尺寸的電池已經(jīng)相對標準化，因此開(kāi)發(fā)板將使用Molex Picoblade（Molex51021-2P）連接器作為電池。放置時(shí)，電池應位于板/風(fēng)扇單元的頂部，當將單元安裝在佩戴者的護目鏡上時(shí)，這將使在板底部放置一個(gè)小按鈕的操作變得容易。這還將在最終組裝中將風(fēng)扇沿著(zhù)眼鏡臂放置，從而使外觀(guān)保持緊湊。

電池的電氣參數和機械尺寸如下：

容量：150 mAh
電壓：1個(gè)電池/ 3.7 V
放電：25C恒
重：5 g
尺寸：40 mm x 12 mm x 5.5 mm
平衡插頭：Pico（Molex51021-2P）
放電插頭：Pico（Molex51021-2P）

在原始設計使用12V風(fēng)扇的情況下，對于由單個(gè)鋰聚合物電池供電的設計而言，這不是一個(gè)特別實(shí)用的選擇。對于新設計，我使用的尺寸為25x25x10mm的5V型號。

風(fēng)扇的電氣參數和機械尺寸如下：

額定電壓：4.2?5.7 V
額定電流（安培）：60 mA
尺寸/尺寸：正方形-25 mm x 25 mm
寬度：10 mm
重量：0.015 lb（6.8 g）
空氣流量：1.8 CFM（0.050m3/ min）
功率（瓦）：300 mW
RPM：8000 RPM
產(chǎn)生的噪聲：15.0 dB（A）
端接：2根導線(xiàn)

該框圖顯示了執行這些功能所需的最關(guān)鍵的組件和互連。

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

微控制器（MCU）

微控制器用于提供風(fēng)扇的脈沖寬度調制，電池電壓檢測以及RGB LED驅動(dòng)器。我的目標是使用成本非常低廉的ARM Cortex M0或M0 +微控制器，希望能支持MBED平臺，該平臺允許在一個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間內編寫(xiě)代碼。不需要功能更復雜的微控制器，因為它執行的功能很少，ARM Cortex M0仍將完全失效，但它們非常便宜。

選擇的微控制器是NXP LPC812M101JDH16J。它是一種廉價(jià)的16引腳微控制器，采用16TSSOP封裝。盡管在價(jià)格范圍內具有相對較高的性能，但它是市場(chǎng)上最便宜的微控制器之一。沒(méi)有USB許可/支持的微控制器非常便宜！選擇該封裝的原因是，它為PCB布局設計留出了足夠的空間以在其下面放置布線(xiàn)軌跡。

16TSSOP微控制器封裝的尺寸-盡管該封裝比5mm x 5mm QFN封裝略大，但它允許在同一層的器件下方布線(xiàn)。

盡管還有其他更小的封裝可用于該微控制器和其他低成本的選擇，例如QFN 5 mm x 5 mm，但此類(lèi)封裝將利用裸露的焊盤(pán)在設備下方占用大部分空間。這將不可能在頂層的MCU下方路由走線(xiàn)，從而使路由更具挑戰性。

風(fēng)扇控制

風(fēng)扇需要使用微控制器生成的PWM信號進(jìn)行控制。但是，風(fēng)扇不能由MCU直接控制，因為微控制器的輸出引腳無(wú)法提供流過(guò)風(fēng)扇所需的電流。因此，需要一個(gè)能夠驅動(dòng)風(fēng)扇的附加MOSFET。最初，我正在考慮使用MOSFET驅動(dòng)器IC通過(guò)PWM信號正確地打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET，以減小FET的RDS（on），但是我意識到，只有5v電源不會(huì )有太多柵極驅動(dòng)器控制的FET和微控制器IO驅動(dòng)的FET之間的區別-PWM速度不會(huì )足夠高，不會(huì )給微控制器的IO電流源/灌電流能力帶來(lái)很大的壓力。

對于MOSFET，我決定使用Diodes Incorporated DMN1019USN-13邏輯電平MOSFET。當在柵極上施加3.3 V電壓時(shí)，該晶體管的源極-漏極電阻約為10毫歐，該電阻足夠使我滿(mǎn)意。結果，器件兩端的壓降將很小，考慮到風(fēng)扇的負載相對較小，MOSFET不會(huì )顯著(zhù)發(fā)熱。最大漏極-源極電壓為12 V，對于該器件來(lái)說(shuō)就足夠了，因為風(fēng)扇驅動(dòng)電壓為5 V，并且在柵極上施加3.3 V電壓時(shí)的漏極-源極電流能力約為8.5A。

RGB LED

對于電池指示，選擇了一個(gè)小的RGB LED。RGB LED可以顯示所需的三種顏色，以指示不同的電池電量，并且顯示的顏色由MCU控制。選擇了Citizen的CL-505S-X-SD-T RGB LED。該LED可提供4引腳SMD 0404封裝。典型的正向壓降對于紅色是1.85 V，對于綠色是2.7 V，對于藍色是2.75V。紅色的最大電流為30 mA，綠色和藍色的最大電流為20 mA。LED所需的限流電阻將根據其規格進(jìn)行選擇。我本可以選擇在這里使用可尋址的RGB LED，但是對于少量的設備，我將增加額外的編程時(shí)間，這對于以較少的元件組成的更緊湊的板子來(lái)說(shuō)是不值得的。

用戶(hù)輸入

為開(kāi)/關(guān)和風(fēng)扇速度模式控制選擇了一個(gè)小的觸覺(jué)按鈕，因此用戶(hù)可以輕松操作設備。開(kāi)關(guān)必須很小，但又不能太小，以至于很難與機械接口。它必須易于訪(fǎng)問(wèn)且易于按下。外殼將集成一個(gè)按鈕，該按鈕將按在按鈕上，因此，使按鈕比其他組件靠得更靠板。為此，小的薄膜紐扣不是很合適。我選擇使用C＆K提供的KMR741NG ULC LFS組件。

電源供應

所有這些設備都需要電源，為此必須選擇適當的穩壓器。僅使用一個(gè)穩壓器不是一個(gè)實(shí)際的解決方案，因為風(fēng)扇需要5 V的電源，而MCU需要3.3 V的電源，需要兩個(gè)單獨的穩壓器。在單節鋰聚合物電池的電壓范圍內，使用升壓轉換器提供5V電壓，然后利用低壓降（LDO）穩壓器為電池提供電壓降壓，從而更輕松有效地提高電池電壓。單片機

為了產(chǎn)生5 V電源，我想要一個(gè)非常高效的DC-DC升壓轉換器。之所以需要高效率，是因為從電池汲取的最大電流將來(lái)自風(fēng)扇，并且所選小型電池的尺寸意味著(zhù)它沒(méi)有太多的容量可以用來(lái)節省效率低下的調節器。由于電路板面積受到嚴格的尺寸限制，我選擇使用德州儀器（TI）TPS61240IDRVRQ1，因為它具有很高的效率，在此應用所需的輸出電流下約為93％，適用于電池供電的應用，并且可以很好地輸出電流超出了我的要求。其固定的5 V輸出和較小的6 WSON封裝尺寸（2 mm x 2 mm）使該轉換器成為該項目的非常合適的選擇。在考慮高度緊湊的調節器時(shí)，

對于3.3 V電源，即使該組件的效率明顯降低，仍選擇了LDO穩壓器。LDO的組件數量較少（無(wú)需電感器），僅需為微控制器供電，這將使大部分時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)，并且僅消耗微不足道的電流。我使用的是Diodes Incorporated AP7313-33SRG-7，它具有3.3 V的穩定輸出電壓。之所以選擇LDO是因為其價(jià)格低，SC-59封裝尺寸小和固定的輸出電壓。再一次，浪費一個(gè)可調穩壓器的反饋電阻上的電路板空間是不值得的。

原理圖設計

電源供應

添加了Diodes Incorporated提供的小型0402 SMD封裝TVS二極管DRTR5V0U1LPQ-7B，以保護電路免受人體與設備接觸或任何電壓瞬變引起的ESD損壞。由于該設備已經(jīng)磨損，并且在安裝新電池時(shí)要定期觸摸，因此非常需要少量的ESD保護。

輸入和輸出電容器是根據數據手冊中的建議選擇的，使用了電容值為4.7 uF的簡(jiǎn)單X5R型陶瓷電容器。不需要高電容值的大容量電容器，因為設備內沒(méi)有會(huì )突然增加電流的組件。同樣，唯一對電壓降敏感的設備是MCU，它是由另一個(gè)電壓源（即LDO）提供的。選擇1.5毫米村田電子（Murata Electronics）LQH2MCN1R5M52L的SMD 0806封裝電感器占地小，因為它非常適合我們的應用并且不占用太多空間。同樣，肖特基二極管RBE05SM20AT2R被選擇用于輸出過(guò)壓保護。

LDO原理圖設計非常簡(jiǎn)單。使用具有0402 SMD占位面積的組件，僅需要兩個(gè)電容器，輸入端為1 uF，輸出端為4.7 uF。

電池監控

為了監視電池電量，我選擇對微控制器ADC引腳使用一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器。雖然電池電量計IC可以提供更精確的電池狀態(tài)測量，但我們擁有易于用戶(hù)更換且不會(huì )對電路中的電池充電的電池。我們也不需要高精度的電池百分比，而只是用硬截止電壓編譯的基本電量指示。雖然ADC引腳可以讀取電池電壓，但不能直接連接它，因為最大4.2 V的電池最大電壓會(huì )損壞MCU輸入，因此需要分壓器。選擇的電阻值為33千歐和1兆歐。這些值與微控制器的0.1兆歐的ADC引腳輸入電阻相結合，在實(shí)際電壓為4.5 V時(shí)為ADC輸入提供3.3V。

風(fēng)扇控制

對于風(fēng)扇控制，選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的低側MOSFET開(kāi)關(guān)來(lái)使用MCU的PWM信號控制風(fēng)扇速度。對于風(fēng)扇連接，使用了直徑1.25 mm的普通測試點(diǎn)，可以直接將風(fēng)扇導線(xiàn)焊接到這些測試點(diǎn)上。它們簡(jiǎn)單，緊湊，不增加BOM成本，并且是建立永久連接的絕佳解決方案。為了保護，選擇了雙向5V鉗位電壓TVS二極管Micro Commercial Co ESDSLC5V0L2B-TP。該二極管的目的是保護晶體管或DC-DC轉換器免受電流切換時(shí)風(fēng)扇電機產(chǎn)生的任何反電動(dòng)勢的影響。內部MCU下拉電阻用于物料清單（BOM）優(yōu)化和控制柵極的引腳上節省空間的考慮。

LED指示燈

最初，我的想法是使用微控制器的GPIO引腳作為電流吸收器來(lái)驅動(dòng)RGB LED電池充電指示器。但是，已確定微控制器的引腳可以吸收的電流將產(chǎn)生不足的光量，以至于無(wú)法在晴天在室外看到。因此，添加了三個(gè)小型N溝道MOSFET，以使用適當的限流電阻器來(lái)驅動(dòng)RGB LED。為了節省空間，在小型SC-89封裝中，使用了一個(gè)雙N溝道MOSFET陣列（Nexperia 2N7002BKS，115）和一個(gè)N溝道MOSFET（Rohm Semiconductor RE1C002UNTCL）。

功率控制

如引言中所述，我決定使用“自殺開(kāi)關(guān)”電路技術(shù)來(lái)提供一種使用單個(gè)用戶(hù)按鈕進(jìn)行電源/輸入的方法，并且還提供一種使用電路的硬斷開(kāi)的方法?？刂齐妷赫{節器的使能引腳，并在設備加電后向MCU的GPIO引腳提供輸入信號，以更改風(fēng)扇速度模式。

如果設備處于關(guān)閉狀態(tài)，則由于打開(kāi)升壓轉換器和設備中其他IC的電路的RC時(shí)間常數，必須按住按鈕至少0.4秒鐘，如下所示。

當MCU開(kāi)啟時(shí)，電路將DC-DC轉換器的ENABLE引腳保持為高電平，直到用戶(hù)關(guān)閉設備為止，如下所示。

當電壓調節器和MCU都打開(kāi)時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)將信號發(fā)送到MCU的GPIO引腳（標記為BTN）來(lái)控制風(fēng)扇速度模式，如下所示。

微控制器

LCP812微控制器非常好用且易于使用，其內部振蕩器的精度足以滿(mǎn)足我們的應用需求，因此幾乎不需要支持電路。該應用的支持電路僅需要用于MCU電源的去耦電容器。引腳的分配是通過(guò)在PCB布局中遍歷不同的連接來(lái)確定最方便的放置和最佳布線(xiàn)的方式來(lái)確定的。最終的MCU原理圖如下所示。

決定在PCB的末端使用cast形孔來(lái)連接MCU編程引腳。這將允許在生產(chǎn)中對微控制器進(jìn)行編程以及在開(kāi)發(fā)中進(jìn)行調試，而無(wú)需占用大量寶貴的電路板空間。一組彈簧銷(xiāo)探針可與夾具一起使用，以與編程接頭連接。

PCB設計

我非常喜歡嘗試將盡可能多的組件放入這樣的小板上?？吹浇M件和軌道的拼圖游戲總是很高興?？偣灿?span>33個(gè)組件都需要放置在PCB的頂側。

組件放置過(guò)程始于將必須嚴格放置的零件放置在精確的位置，這些零件是電池連接器，用于微控制器編程的cast形孔和按鈕。嚴格來(lái)說(shuō)，cast形孔可以根據需要沿板的邊緣移動(dòng)，但是必須確實(shí)在邊緣上。

然后放置較大的組件，例如MCU，風(fēng)扇連接點(diǎn)，電壓調節器和RGB LED，如下所示。粗化關(guān)鍵組件的位置可以使確定不太關(guān)鍵的組件的位置變得容易得多。

放置在Altium Designer中的關(guān)鍵組件的2D視圖

我開(kāi)始使用相當寬的0.3毫米信號走線(xiàn)和0.5毫米電源和接地走線(xiàn)來(lái)開(kāi)始設計。它們的寬度比絕大多數電路板制造商所能處理的要寬得多，但是我想從我認為理想的走線(xiàn)寬度開(kāi)始，然后，如果有任何點(diǎn)的空間不足以容納這些走線(xiàn)，則可以使它們變薄。通孔采用相同的方法。如下所示，最終設計中沒(méi)有幾個(gè)較寬的通孔。

您可能已經(jīng)注意到，此布局中增加了一個(gè)額外的TVS二極管。在布局過(guò)程中，從電池正極連接布線(xiàn)兩個(gè)單獨的路徑比較容易。一條通往穩壓器的路徑，另一條通往電池檢測電路和RGB LED二極管的路徑。如果TVS二極管與發(fā)生ESD事件的軌道串聯(lián)，則它最有效地減輕了ESD事件。通過(guò)遠離電池端子的未直接受到串聯(lián)二極管保護的路徑，我們仍可能損壞該路徑上的敏感電路。

組件放置和布線(xiàn)完成后，可以倒入PCB底側的接地層。使用走線(xiàn)（包括接地網(wǎng)）的全布線(xiàn)板很重要。如果僅用多邊形填充地面網(wǎng)絡(luò )，并希望在返回路徑方面獲得最佳效果，那么您最終可能會(huì )遇到可怕的地面路徑。

在這里，您可以在3D視圖中查看PCB上的組件密度。

所有所需的組件都可以放置，而無(wú)需刪除任何可選功能來(lái)留出布線(xiàn)空間。該智能風(fēng)扇控制板的所有設計目標均得以實(shí)現。