В последнее время заинтересовался батарейным питанием и немедленно решил разработать соответствующую плату. В данной статье опишу ее и ее возможности.
Отладочная плата STM32L051 версия 1.0 (ревизия 0)
Сердцем и мозгом платы снова является STM32. На этот раз это микроконтроллер из малопотребляющей серии L, да и к тому же еще и на энергоэффективном ядре Cortex-M0+. Итак полное название контроллера STM32L051C. Из интересных особенностей наличие двух аналоговых компараторов. Аналоговые компараторы не очень часто встречаются в МК фирмы ST и в дальнейшем я бы хотел поработать с ними поплотнее.
Отладочная плата также является и зарядником для литий ионных аккумуляторов. Заряд производится спец микросхемой MCP73831, включенной по стандартной схеме. Ток заряда микросхемы выбирается с помощью номинала резистора, подключенного к 5 выводу.
Решил разработать две версии отладочной платы для МК в корпусе TQFP32 и TQFP48. Первая версия сделана по нормам 3 класса и заказана в городе Волгораде. К сожалению на этом производстве не делается металлизация отверстий и максимальный класс точности 3 (0,25мм/0,25мм), но эти недостатки очень компенсирует цена. Цены, как мне кажется, очень низкие, а качество вполне приемлемое. Все это позволяет не возится с химией и экономит время при изготовлении прототипов, а появившиеся время можно потратить на новые разработки и эксперименты.
Отладочная плата STM32L051 версия 1.1 (ревизия 1)
Версия платы 1.1 из за корпуса TQFP48 имеет более высокий класс точности и поэтому ради интереса я решил заказать ее изготовление в Китае. С выбором завода особо не заморачивался, выбрал однин из самых популярных на алиэкспрессе. Как заказывать изготовление ПП на алиэкспрессе, есть много информации. Если коротко, то отправляете на указанный в лоте адрес электронной почты письмо с запросом на изготовление с приложенными файлами в указанных форматах, лучше всего в формате Gerber.
Основное отличие ревизии 1.1 это наличие электронного потенциометра для регулировки тока заряда. В нулевой ревизии просто установлен резистор номиналом 2 кОм для обеспечения, тока заряда номиналом 500 мА.
Схемы измерения токов на ZXCT1107 и ZXCT1110
На выходе MCP73831 идет цепь измерения тока заряда, причем двумя способами: при помощи микросхемы ZXCT1107 и простое измерение мультиметром в разрыв цепи (X6). Со вторым способом все ясно, а вот про микросхему ZXCT1107 расскажу подробнее. ZXCT1107 представляет собой специализированную микросхему измерения тока. По сути она представляет собой дифференциальный усилитель с возможностью работы с синфазным напряжением, превышающим напряжения питания. Правда конкретно эти микросхемы и питаются от измеряемых напряжений и за счет этого вносят некоторую погрешность измерения. Коэффициент усиления определяется резистором на выходе. Расчет напряжения, пропорционального току через шунтирующий резистор, довольно простой.
Приведу пример расчета.
Исходные данные: Il=500 мА, Uoutt=2В, Vsense=100 мВ.
- Il — ток через нагрузку
- Uoutt (treshold) напряжение на выходе микросхемы, которое мы хотим получить при максимальном (или номинальном токе) . Т.е. при токе 500 мА на выходе микросхемы будет 2В. Я выбрал такое значение, чтобы был запас на измерение больших токов.
- Vsense — падение напряжение на шунте при протекании тока нагрузки. Его выбор помимо всего прочего определяет погрешность измерения тока.
Таблица погрешностей измерения при различном падении напряжении на шунте.
Хоть у меня не будет такого низкого тока на линиях где установлен ZXCT1107, но все равно решил выбрать падение а шунте 100 мВ. Все дело в том, что у меня просто есть в наличии резисторы нужного номинала.
Формулы для расчета из документации:
Il=500 мА, Uoutt=2В, Vsense=100 мВ.
Rsense=100mV/0.5A=200mOhm
Rgain=2/(0.004*0.1)=5k
Пример расчета сделан для канала измерения тока зарядки аккумулятора. Вместо номинала 5кОм взял наиболее близкий 4.9кОм. Соответственно напряжение на выходе микросхемы Uoutt, при силе тока 500 мА составит 1,96В. Расчет произведен по формуле: Uoutt=Rgain*0.004*Il.
ZXCT1110 отличается ZXCT1107 меньшей погрешностью измерения, а также корпусом(имеет отделенный вывод GND). Расчеты для ZXCT1110, полностью аналогичные.
Схема защиты от переполюсовки.
На плате также расположена цепь защиты от переполюсовке напряжения питания. В качестве защитного элемента установлен p-канальный полевой транзистор IRLML5203. Хотя конечно входной разъем стандартный USB Type-B и случай переполюсовки кажется не правдоподобным, но тем не менее на этапе сборке хочу проверить данную схему.
Схема защиты от переполюсовки на полевом транзисторе
Транзистор включен по так называемой схеме идеального диода. Когда напряжение подано правильным образом, то на затвор поступает потенциал земли, что явно меньше потенциала истока, а потенциал стока будет меньше потенциала истока за счет паразитного диода — соответственно транзистор открывается и шунтирует паразитный диод исток-сток. Следовательно диод перестает влиять на цепь и падение напряжения на транзисторе минимально. Теперь падение напряжение на транзисторе определяется просто омическим сопротивлением канала. Падения напряжения в таком режиме гораздо меньше, чем даже на диоде Шоттки.
Схема выбора источника питания на полевом транзисторе.
На схеме присутствую два источника питания для МК: основной — внешний источник на 5В, резервный — литий-ионный аккумулятор (2,5-4,2В). Для того, чтобы питание МК автоматически переключалось с одного источника на другой и при этом во время питания от основного источника не разряжался аккумулятор используется схема на полевом транзисторе.
Схема переключения источников питания
В зависимости от наличия источников напряжения на выходе питание будет от одно из них, причем напряжение на истоке должно быть выше чем напряжение на затворе.
Например в нашем случаи Vbat≈4,2В (напряжение на заряженном аккумуляторе), диод VD2 будет закрыт и ток в нагрузку будет протекать от источника 5В. А при отсутствии напряжения 5В или его снижении ниже 4,2В питание будет происходить через VD2. Схема довольно простая, но имеет недостаток в виде диода Шоттки, на котором мы теряем 0,35В. Но в моем случаи я посчитал это допустимым, т.к. МК работает в диапазоне,питающего напряжения — 1,8-3,6В (в некоторых режимах еще и меньше). То есть даже при разряженном аккумуляторе с напряжением 2,5В, значение напряжения питание МК не выйдет из рабочего диапазона.
На данной плате хочу поэкспериментировать с режимами пониженного энергопотребления, а также проверить на деле микросхемы измерения тока ZXCT1107 и ZXCT1110. ZXCT интересуют в плане точности при установки в схему не претенциозных деталей с погрешностью +5%-10%. Также хочу попробовать скомпенсировать погрешность путем калибровки по заданному току.