ИДЗ. Пульт. Этап 2.
Ефименко Даниил, ИВТ-33, Вариант 8.6
Выбор электронно-компонентной базы.
1. Микроконтроллер.
Согласно варианту задания, требуется выбрать микроконтроллер из семейства NRF52. Микроконтроллеры (далее МК) данного семейства имеют встроенную поддержку беспроводного интерфейса 2,4 ГГц, и предназначены для энергосберегающих беспроводных приложений, в частности, устройств с Bluetooth BLE. Применяя стратегию наименьшего необходимого функционала, рассмотрим младшую линейку NRF52805. Забегая вперёд, заметим, что у этой линейки всего 2 канала АЦП, а также отсутствует поддержка аппаратной генерации ШИМ. Наличием вышеперечисленных возможностей, требующихся в данном проекте, и кроме них, некоторых других, не представляющих интерес, отличается следующая линейка, NRF52810. Выберем вариант в корпусе QFN32. Таким образом, выбираем МК NRF25810-QCAA.
Поскольку придётся работать с временными интервалами (импульсы на передатчик, частоты для динамика), будем тактировать МК от внешнего кварцевого резонатора на 32 МГц. Низкочастотный генератор, если понадобится, задействуем внутренний, либо, можно сформировать 32.768 кГц от внешнего, уже используемого кварца. Примеры подключения обвязки к МК есть в даташите.
2. Разъёмы.
Программирование МК NRF52 осуществляется через интерфейс SWD. Выведем его на простые пины PLS-ки с шагом 2.54 мм. Для отладочного вывода по UART сделаем то же самое. Динамик, батарейный отсек и радиопередатчик (FS1000A, согласно заданию) будут установнены в корпусе устройства и подключены к плате посредством пайки проводов: специальных разъёмов тут не требуется. Таким образом, будут применены штыревые разъёмы PLS-4 (SWD) и PLS-3 (UART). Отметим, что подтягивающие резисторы для интерфейса SWD уже предусмотрены внутри МК.
3. Индикация.
Согласно заданию, в устройстве должны быть предусмотрены 2 светодиода, сигнализирующие состояние устройства. Не мудрствуя лукаво, применим красные SMD светодиоды GNL-0805EC. В таком случае в конструкции передней панели корпуса надо будет предусмотреть 2 отверстия под прозрачные пластиковые втулки-световоды. Также, согласно варианту задания, требуется предусмотреть семисегментный индикатор для отображения уровня заряда батареи. Используем распространённый модуль 4-разрядного 7-сегментного индикатора на базе микросхемы TM1637. Данный модуль не займёт много места в корпусе устройства. Необходимо отметить, что у данного модуля свой двухпроводной интерфейс, не совместимый с общепринятым I2C, так как нет механизма адресации, поэтому на структурной схеме интерфейс подписан как TWI, в остальном он схож с I2C. К плате он будет подключаться посредством прямого штыревого разъёма PLS-4, а также монтироваться на нейлоновые или латунные стойки высотой 6 мм.
4. Органы управления.
Согласно варианту задания, управление машинкой будет осуществляться с помощью джойстика и кнопок. В качестве кнопок возьмём простые и понятные тактовые кнопки из линейки KLS7-TS6601. В качестве джойстика выберем распространённый двухосевой аналоговый джойстик в виде модуля, часто встречающегося под названием F05. Отметим, что в данном модуле также предусмотрена тактовая кнопка. Монтаж на плату будет осуществляться с помощью контактов PLS-5 и нейлоновых стоек. Таким образом, высота джойстика над платой будет эргономично согласована с семисегментным дисплеем.
При отладке может потребоваться сброс микроконтроллера, поэтому добавим ещё одну SMD-кнопку PTS636.
5. Динамик.
Согласно варианту задания, необходимо предусмотреть в устройстве динамик. Будем рассматривать маломощные динамики, поскольку единственной его задачей в устройстве будет вывод информации. Например, о низком заряде батареи. Возьмём динамик J13AJ092032. Данный динамик имеет сопротивление 32 Ома (точнее, импеданс на частоте 1 кГц) и номинальную мощность 100 мВт. Выходной усилительный каскад для него (усиление необходимо т.к. для пина МК это слишком низкоомная нагрузка) будет состоять из полевого N- канального транзистора и токоограничительного резистора. Питать его будем от 5В. Примем рабочую мощность чуть меньше номинальной и расчитаем резистор.
Usp = √ |
|
Psp = 0.08 Вт; |
Zsp = 32 Ом ; UVDD = 5 В |
||
Psp Zsp |
= 1.6 В Напряжение надинамике |
||||
Isp = |
Psp |
= 0.05 А Ток черездинамик |
|||
|
|||||
U sp |
|
||||
Uextra = UVDD−Usp = 3.4 В |
Должно упастьна резисторе |
||||
Rextra = Uextra = 68Ом Сопротивление резистора |
|||||
|
|
Isp |
|
||
Pextra=U extra Iextra = 0.17 Вт |
Мощность, рассеиваемаяна резисторе |
||||
Таким образом, подойдёт резистор на 68 Ом 0.25 Вт.
В качестве транзистора применим маломощный N-MOSFET AO3400A. Максимальный ток стока у него 5.8А, максимальное пороговое напряжение открытия составляет 1.4В (типовое 1.1В). МК NRF52810 при питании от не менее чем 2.7 В обещает (согласно даташиту) выдавать уровень логической единицы не ниже VDD-0.4 В, а в нашем случае, при питании от 3.3В, это 2.9В, так что потянет. Цена в чипдипе: 5 рублей.
6. Радиоуправление
Согласно техническому заданию, необходимо использовать модуль-радиопередатчик FS1000A. Подключение его вполне тривиально: питание 5В, земля, и вход модулируемого сигнала. Вход сигнала — это ТТЛ-вход, поэтому 3.3 В с вывода МК будет достаточно, и дополнительных мер согласования не требуется.
Поскольку у нашего МК есть встроенный радиоинтерфейс, предусмотрим на плате посадочные места под обвязку для антенны на 2,4 ГГц: по крайней мере, будет возможность легко добавить данный функционал и отказаться от FS1000A, если потребуется.
7. Блок измерения напряжения питания
Измерять напряжение питания будем с помощью встроенного в МК АЦП через делитель напряжения. Входное сопротивдение АЦП NRF52810, согласно даташиту, не менее 1 МОм. Значит, ток при максимальном напряжении равном UVDD = 3.3В не более 3.3 мкА. Зададим ток через делитель равным 330 мкА. Максимальное напряжение батарейки может достигать 10.8 В. Тогда:
R 1+R 2 = |
10.8 В |
= 33 кОм |
||||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
0.33 |
мА |
|||||
10.8 В |
|
R 2 |
|
= 3.3 В |
||||||
R |
1+R 2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||
R 2 |
3.3 |
(R1 |
+R 2) ≈ 10083 Ом , ближайшее меньшее значение из E 96: 10 кОм |
|||||||
= |
|
|||||||||
10.8 |
||||||||||
R 1 |
= 10−R 2 = 23 ≈ 23.2 кОм |
|||||||||
8. ВИП
Согласно структурной схеме, входное напряжение с кроны будет сначала понижено до 5В, затем с 5 до 3.3В. Это сделано из соображений компактности микросхем-преобразователей с 5В: они доступны в корпусах SOT-23-5 или 6, а с более высокого напряжения преобразователи, как правило, в более крупных корпусах.
Оценим сверху потребление тока на шине 3.3В. МК в самом большом сценарии, из рассмотренных в даташите, потребляет около 14.2 мА. Возьмём с запасом 20 мА. Семисегментный дисплей в среднем потребляет 80мА. Примем с запасом 100мА. Итого в сумме для шины 3.3В будем выбирать импульсный понижающий пребразователь с выходным током от 150 мА. Поскольку напряжение 3.3В — стандартное, будем выбирать преобразователь с фиксированным выходом. Рассмотрим TPS62203DBVR: выходной ток до 300мА, входное напряжение от 3.3 до 6 В. выходное — 3.3В, корпус — SOT-23-5, частота ШИМ: 1 МГц. Поскольку нагрузка не будет близка к предельной для данного преобразователя, значения входной и выходной ёмкостей, а также индуктивности катушки, можно взять из рекомендаций производителя без перерасчётов, т.е. Cin = 4,7 мкФ, Cout = 10 мкФ, L = 10 мкГн. Расчитаем максимальный ток через катушку.
|
|
1− |
V O |
|
|
1− |
3.3 |
|
|||
I |
=V |
V I |
|
= 3.3 |
5 |
≈ 112 мА |
|||||
|
L f |
|
10−5 106 |
||||||||
L |
O |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
ILmax = IO+ |
|
L |
|
|
≈ 156 мА |
|
|
||||
|
2 |
|
|
|
|||||||
При выборе катушки будем следить, чтобы ток насыщения был не менее 200 мА. Оценим сверху потребление тока на шине 5В. Согласно графикам из даташита на
TPS6220xx, КПД при выходном напряжении 3.3В и токе нагрузки 100 мА будет около 95%. Расчитаем максимальную мощность, потребляемую шиной 3.3В, и входной ток:
P3V 3 |
вых = 100 мА 3.3 В = 0.33 Вт |
||||
P3V 3 |
вх = |
P3 V 3 вых |
= 0.35 Вт |
||
η |
|
||||
|
|
3V 3 |
|
|
|
I3 V 3вх = |
P3V 3 вх |
|
= 0.07 А |
||
|
|||||
|
|
5 В |
|
|
|
Кроме шины 3.3В от шины 5В будет питаться радиопередатчик FS1000A , он потребляет до 40 мА, а также динамик, его ток потребления равен 50 мА. Итого выходной ток шины 5В примем с запасом 200 мА. Будем выбирать импульсный понижающий преобразователь с фиксированным выходом на 5В с током не ниже 300 мА. Рассмотрим преобразователь LM2674M-5.0: Uвх от 6.5В до 40В. Iвых до 500 мА, частота ШИМ: 260 кГц, корпус: SOIC-8 (и 2 других). Расчитаем номиналы пассивных компонентов обвязки, согласно инструкциям производителя. CB = 0.01 мкФ (вспомогательный конденсатор для формирования напряжения на затворе ключа, чтобы он открывался полностью), L = 100 мкГн (по таблице) ток насыщения, согласно аналогичным расчётам, 300мА (с запасом), производитель рекомендует от 480мА. Если габариты и цена не будут сильно отличаться, возьмём с бо́льшим запасом. СOUT = СIN = 100 мкФ/16 В, алюминиевый в корпусе ECAP. Расчитаем параметры диода.
I |
D _ AVG |
= I |
(1− |
V OUT |
) = 0.2 (1− |
5 |
) = 0.107 A Средний ток черездиод |
|
|
||||||
|
|
OUT |
V IN |
|
10.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ID _ MAX = 1.3 I D_ AVG = 0.14 A Максимальный ток через диод(при размыкании ключа)
Выберем диод Шоттки MBR0520. Он выдерживает обратное напряжение в 20В, средний прямой ток 0.5А и доступен в компактном корпусе SOD-123. И стоит 3 рубля в чипидипе.
Расчитаем КПД получившегося ВИП:
P3V 3вх = 0.35 |
Вт |
P5Vвых = 0.16 |
A 5 В = 0.8 Вт |
η3 V 3 ≈ 95% |
(КПД TPS 6220 для наших условий согласнографику из даташита) |
η5 V ≈ 93% (КПД LM 2674 для наших условий согласнографику из даташита) |
|
P5Vнаг = P5Vвых−P3V 3 вх = 0.45 Вт (Мощностьнагрузкишины 5 В ,не включая шину3,3В) |
|
P9Vпол = P3V 3 вых+P5Vвых−P3V 3вх = 0.78 Вт |
|
P9Vотд = |
P5Vвых |
|
= 0.860 Вт |
||
η5 V |
|
||||
ηВИП = P9Vпол |
≈ 91% |
||||
P9Vотд |
|
|
|
|
|
Если использовать 2 LM2674: один для питания 5В шины, второй для 3,3В, то |
|||||
η3 V 3 = 87%(приблизительное КПД LM 2674 длянаших услових согласнографикуиз даташита) |
|||||
|
P5Vнаг |
|
|
P3V 3 вых |
|
P9Vотд = |
|
+ |
|
=0.863 Вт |
|
η5V |
η3 V 3 |
||||
ηВИП ≈ 90%
Нетрудно видеть, что в нашем случае первый вариант, даже учитывая приблизительность данных из графиков, может быть лучше второго, несмотря на то, что в общем случае второй считается эффективнее.
Перед входом преобразователя LM2674 поставим защиту от переполюсовки питания на P- канальном MOSFET транзисторе AO3401A. Максимальный ток стока: 4,2А; напряжение открытия затвор-исток: -1,3В; максимальное напряжение затвор-исток: ±12В — в нашем случае оно не будет достигнуто даже при максимальном заряде батареи, поэтому ограничимся резистором на 10 кОм между затвором и землёй. Сопротивление открытого канала в нашем случае будет менее 65 мОм, значит потеряем не более 7 мВ (ток батареи не более 100 мА).