智能(néng)微风扇控制器

2021-04-12

如果您不得不長(cháng)时间佩戴护目镜，尤其是如果您在该护眼镜中装有(yǒu)处方，您可(kě)能(néng)已经注意到起雾可(kě)能(néng)是一个主要问题。去年，我设计并3D打印了一个小(xiǎo)型风扇单元，该单元在军用(yòng)护目镜的每一侧都安装了25mm x 25mm x 10mm的风扇。它引导一小(xiǎo)束空气流过镜片内部，即使在凉爽潮湿的天气下进行體(tǐ)育锻炼时也能(néng)保持镜片清洁，使配戴者保持清晰的视力。它使用(yòng)安装在眼镜带背面的2节小(xiǎo)号锂聚合物(wù)電(diàn)池，為(wèi)12个风扇供電(diàn)-足以保持风扇旋转，但消耗的電(diàn)流很(hěn)小(xiǎo)，尽管风扇就在您的耳朵旁边，但听不到声音。该系统存在一些问题，但首先，没有(yǒu)電(diàn)池保护功能(néng)，因此，在延長(cháng)的使用(yòng)期限内，電(diàn)池可(kě)能(néng)完全耗尽，无法安全充電(diàn)。其次，没有(yǒu)速度控制功能(néng)，因此您会受制于電(diàn)池提供的气流速度，这通常很(hěn)好，但是偶尔会有(yǒu)一小(xiǎo)束额外的气流会很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。

从表面上看，设计用(yòng)作风扇控制器的设备是一个相对简单的项目，但是应用(yòng)程序和设计要求增加了一些有(yǒu)趣的约束。该项目要考虑以下限制：

PCB尺寸应為(wèi)25 mm x 10 mm

组件应仅放置在PCB的一侧

PCB理(lǐ)想情况下应為(wèi)2层，但必要时可(kě)以為(wèi)4层

该设备必须能(néng)够控制5V小(xiǎo)型风扇

该设备将使用(yòng)小(xiǎo)型单节锂聚合物(wù)電(diàn)池供電(diàn)

PCB上不应有(yǒu)球栅阵列（BGA）封装组件

電(diàn)池连接器的位置必须符合规定

风扇控制器需要具备以下功能(néng)：

风扇速度应由使用(yòng)PWM的微控制器控制

用(yòng)户应该能(néng)够打开和关闭设备并选择不同的风扇速度模式

设备应具有(yǒu)RGB LED形式的電(diàn)池充電(diàn)指示器。

当電(diàn)池電(diàn)压严重不足时，硬关闭。

PCB的尺寸由风扇决定，我想有(yǒu)一块電(diàn)路板可(kě)以放在风扇的一个边缘上，以便尽可(kě)能(néng)地紧凑。这也推动了对单面组件的需求，而冲击/冲击以及手工组装导致我没有(yǒu)BGA封装。对于这种尺寸的電(diàn)路板，任何BGA都可(kě)能(néng)是晶圆级的，因此极细的间距比通常在较大封装中使用(yòng)的较宽间距BGA封装更具挑战性。

要在電(diàn)池電(diàn)压降得太低时关闭设备，我将实施“自杀开关”。要打开设备，用(yòng)户将按下设备上的一个按钮，该按钮会将稳压器的使能(néng)引脚拉高，从而允许微控制器启动并将该引脚本身置為(wèi)高電(diàn)平。一旦微控制器确定電(diàn)池電(diàn)压过低，就可(kě)以将電(diàn)压调节器使能(néng)引脚拉低，从而关闭设备并停止消耗任何電(diàn)流。对于这种类型的设备，这是比简单地使微控制器进入睡眠状态更為(wèi)理(lǐ)想的解决方案，因為(wèi)如果该单元处于存储状态，则可(kě)能(néng)由于微電(diàn)流消耗而导致電(diàn)池过度消耗，从而损坏電(diàn)池。

元件选择

与以前的设计相比，我希望每个风扇单元都有(yǒu)自己的電(diàn)池，可(kě)以快速更换。无線(xiàn)電(diàn)模型行业為(wèi)小(xiǎo)型電(diàn)池提供了一些绝佳的选择，这使我不得不使用(yòng)小(xiǎo)型室内直升机和飞机中常见的150mAh電(diàn)池-它们非常便宜，质量高并且具有(yǒu)强大的放電(diàn)能(néng)力。这种尺寸的電(diàn)池已经相对标准化，因此开发板将使用(yòng)Molex Picoblade（Molex51021-2P）连接器作為(wèi)電(diàn)池。放置时，電(diàn)池应位于板/风扇单元的顶部，当将单元安装在佩戴者的护目镜上时，这将使在板底部放置一个小(xiǎo)按钮的操作变得容易。这还将在最终组装中将风扇沿着眼镜臂放置，从而使外观保持紧凑。

電(diàn)池的電(diàn)气参数和机械尺寸如下：

容量：150 mAh
電(diàn)压：1个電(diàn)池/ 3.7 V
放電(diàn)：25C恒
重：5 g
尺寸：40 mm x 12 mm x 5.5 mm
平衡插头：Pico（Molex51021-2P）
放電(diàn)插头：Pico（Molex51021-2P）

在原始设计使用(yòng)12V风扇的情况下，对于由单个锂聚合物(wù)電(diàn)池供電(diàn)的设计而言，这不是一个特别实用(yòng)的选择。对于新(xīn)设计，我使用(yòng)的尺寸為(wèi)25x25x10mm的5V型号。

风扇的電(diàn)气参数和机械尺寸如下：

额定電(diàn)压：4.2〜5.7 V
额定電(diàn)流（安培）：60 mA
尺寸/尺寸：正方形-25 mm x 25 mm
宽度：10 mm
重量：0.015 lb（6.8 g）
空气流量：1.8 CFM（0.050m³/ min）
功率（瓦）：300 mW
RPM：8000 RPM
产生的噪声：15.0 dB（A）
端接：2根导線(xiàn)

该框图显示了执行这些功能(néng)所需的最关键的组件和互连。

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

微控制器（MCU）

微控制器用(yòng)于提供风扇的脉冲宽度调制，電(diàn)池電(diàn)压检测以及RGB LED驱动器。我的目标是使用(yòng)成本非常低廉的ARM Cortex M0或M0 +微控制器，希望能(néng)支持MBED平台，该平台允许在一个小(xiǎo)时左右的时间内编写代码。不需要功能(néng)更复杂的微控制器，因為(wèi)它执行的功能(néng)很(hěn)少，ARM Cortex M0仍将完全失效，但它们非常便宜。

选择的微控制器是NXP LPC812M101JDH16J。它是一种廉价的16引脚微控制器，采用(yòng)16TSSOP封装。尽管在价格范围内具有(yǒu)相对较高的性能(néng)，但它是市场上最便宜的微控制器之一。没有(yǒu)USB许可(kě)/支持的微控制器非常便宜！选择该封装的原因是，它為(wèi)PCB布局设计留出了足够的空间以在其下面放置布線(xiàn)轨迹。

16TSSOP微控制器封装的尺寸-尽管该封装比5mm x 5mm QFN封装略大，但它允许在同一层的器件下方布線(xiàn)。

尽管还有(yǒu)其他(tā)更小(xiǎo)的封装可(kě)用(yòng)于该微控制器和其他(tā)低成本的选择，例如QFN 5 mm x 5 mm，但此类封装将利用(yòng)裸露的焊盘在设备下方占用(yòng)大部分(fēn)空间。这将不可(kě)能(néng)在顶层的MCU下方路由走線(xiàn)，从而使路由更具挑战性。

风扇控制

风扇需要使用(yòng)微控制器生成的PWM信号进行控制。但是，风扇不能(néng)由MCU直接控制，因為(wèi)微控制器的输出引脚无法提供流过风扇所需的電(diàn)流。因此，需要一个能(néng)够驱动风扇的附加MOSFET。最初，我正在考虑使用(yòng)MOSFET驱动器IC通过PWM信号正确地打开和关闭MOSFET，以减小(xiǎo)FET的RDS（on），但是我意识到，只有(yǒu)5v電(diàn)源不会有(yǒu)太多(duō)栅极驱动器控制的FET和微控制器IO驱动的FET之间的區(qū)别-PWM速度不会足够高，不会给微控制器的IO電(diàn)流源/灌電(diàn)流能(néng)力带来很(hěn)大的压力。

对于MOSFET，我决定使用(yòng)Diodes Incorporated DMN1019USN-13逻辑電(diàn)平MOSFET。当在栅极上施加3.3 V電(diàn)压时，该晶體(tǐ)管的源极-漏极電(diàn)阻约為(wèi)10毫欧，该電(diàn)阻足够使我满意。结果，器件两端的压降将很(hěn)小(xiǎo)，考虑到风扇的负载相对较小(xiǎo)，MOSFET不会显着发热。最大漏极-源极電(diàn)压為(wèi)12 V，对于该器件来说就足够了，因為(wèi)风扇驱动電(diàn)压為(wèi)5 V，并且在栅极上施加3.3 V電(diàn)压时的漏极-源极電(diàn)流能(néng)力约為(wèi)8.5A。

RGB LED

对于電(diàn)池指示，选择了一个小(xiǎo)的RGB LED。RGB LED可(kě)以显示所需的三种颜色，以指示不同的電(diàn)池電(diàn)量，并且显示的颜色由MCU控制。选择了Citizen的CL-505S-X-SD-T RGB LED。该LED可(kě)提供4引脚SMD 0404封装。典型的正向压降对于红色是1.85 V，对于绿色是2.7 V，对于蓝色是2.75V。红色的最大電(diàn)流為(wèi)30 mA，绿色和蓝色的最大電(diàn)流為(wèi)20 mA。LED所需的限流電(diàn)阻将根据其规格进行选择。我本可(kě)以选择在这里使用(yòng)可(kě)寻址的RGB LED，但是对于少量的设备，我将增加额外的编程时间，这对于以较少的元件组成的更紧凑的板子来说是不值得的。

用(yòng)户输入

為(wèi)开/关和风扇速度模式控制选择了一个小(xiǎo)的触觉按钮，因此用(yòng)户可(kě)以轻松操作设备。开关必须很(hěn)小(xiǎo)，但又(yòu)不能(néng)太小(xiǎo)，以至于很(hěn)难与机械接口。它必须易于访问且易于按下。外壳将集成一个按钮，该按钮将按在按钮上，因此，使按钮比其他(tā)组件靠得更靠板。為(wèi)此，小(xiǎo)的薄膜纽扣不是很(hěn)合适。我选择使用(yòng)C＆K提供的KMR741NG ULC LFS组件。

電(diàn)源供应

所有(yǒu)这些设备都需要電(diàn)源，為(wèi)此必须选择适当的稳压器。仅使用(yòng)一个稳压器不是一个实际的解决方案，因為(wèi)风扇需要5 V的電(diàn)源，而MCU需要3.3 V的電(diàn)源，需要两个单独的稳压器。在单节锂聚合物(wù)電(diàn)池的電(diàn)压范围内，使用(yòng)升压转换器提供5V電(diàn)压，然后利用(yòng)低压降（LDO）稳压器為(wèi)電(diàn)池提供電(diàn)压降压，从而更轻松有(yǒu)效地提高電(diàn)池電(diàn)压。单片机

為(wèi)了产生5 V電(diàn)源，我想要一个非常高效的DC-DC升压转换器。之所以需要高效率，是因為(wèi)从電(diàn)池汲取的最大電(diàn)流将来自风扇，并且所选小(xiǎo)型電(diàn)池的尺寸意味着它没有(yǒu)太多(duō)的容量可(kě)以用(yòng)来节省效率低下的调节器。由于電(diàn)路板面积受到严格的尺寸限制，我选择使用(yòng)德州仪器（TI）TPS61240IDRVRQ1，因為(wèi)它具有(yǒu)很(hěn)高的效率，在此应用(yòng)所需的输出電(diàn)流下约為(wèi)93％，适用(yòng)于電(diàn)池供電(diàn)的应用(yòng)，并且可(kě)以很(hěn)好地输出電(diàn)流超出了我的要求。其固定的5 V输出和较小(xiǎo)的6 WSON封装尺寸（2 mm x 2 mm）使该转换器成為(wèi)该项目的非常合适的选择。在考虑高度紧凑的调节器时，

对于3.3 V電(diàn)源，即使该组件的效率明显降低，仍选择了LDO稳压器。LDO的组件数量较少（无需電(diàn)感器），仅需為(wèi)微控制器供電(diàn)，这将使大部分(fēn)时间都处于睡眠状态，并且仅消耗微不足道的電(diàn)流。我使用(yòng)的是Diodes Incorporated AP7313-33SRG-7，它具有(yǒu)3.3 V的稳定输出電(diàn)压。之所以选择LDO是因為(wèi)其价格低，SC-59封装尺寸小(xiǎo)和固定的输出電(diàn)压。再一次，浪费一个可(kě)调稳压器的反馈電(diàn)阻上的電(diàn)路板空间是不值得的。

原理(lǐ)图设计

電(diàn)源供应

添加了Diodes Incorporated提供的小(xiǎo)型0402 SMD封装TVS二极管DRTR5V0U1LPQ-7B，以保护電(diàn)路免受人體(tǐ)与设备接触或任何電(diàn)压瞬变引起的ESD损坏。由于该设备已经磨损，并且在安装新(xīn)電(diàn)池时要定期触摸，因此非常需要少量的ESD保护。

输入和输出電(diàn)容器是根据数据手册中的建议选择的，使用(yòng)了電(diàn)容值為(wèi)4.7 uF的简单X5R型陶瓷電(diàn)容器。不需要高電(diàn)容值的大容量電(diàn)容器，因為(wèi)设备内没有(yǒu)会突然增加電(diàn)流的组件。同样，唯一对電(diàn)压降敏感的设备是MCU，它是由另一个電(diàn)压源（即LDO）提供的。选择1.5毫米村田電(diàn)子（Murata Electronics）LQH2MCN1R5M52L的SMD 0806封装電(diàn)感器占地小(xiǎo)，因為(wèi)它非常适合我们的应用(yòng)并且不占用(yòng)太多(duō)空间。同样，肖特基二极管RBE05SM20AT2R被选择用(yòng)于输出过压保护。

LDO原理(lǐ)图设计非常简单。使用(yòng)具有(yǒu)0402 SMD占位面积的组件，仅需要两个電(diàn)容器，输入端為(wèi)1 uF，输出端為(wèi)4.7 uF。

電(diàn)池监控

為(wèi)了监视電(diàn)池電(diàn)量，我选择对微控制器ADC引脚使用(yòng)一个简单的分(fēn)压器。虽然電(diàn)池電(diàn)量计IC可(kě)以提供更精确的電(diàn)池状态测量，但我们拥有(yǒu)易于用(yòng)户更换且不会对電(diàn)路中的電(diàn)池充電(diàn)的電(diàn)池。我们也不需要高精度的電(diàn)池百分(fēn)比，而只是用(yòng)硬截止電(diàn)压编译的基本電(diàn)量指示。虽然ADC引脚可(kě)以读取電(diàn)池電(diàn)压，但不能(néng)直接连接它，因為(wèi)最大4.2 V的電(diàn)池最大電(diàn)压会损坏MCU输入，因此需要分(fēn)压器。选择的電(diàn)阻值為(wèi)33千欧和1兆欧。这些值与微控制器的0.1兆欧的ADC引脚输入電(diàn)阻相结合，在实际電(diàn)压為(wèi)4.5 V时為(wèi)ADC输入提供3.3V。

风扇控制

对于风扇控制，选择了一个简单的低侧MOSFET开关来使用(yòng)MCU的PWM信号控制风扇速度。对于风扇连接，使用(yòng)了直径1.25 mm的普通测试点，可(kě)以直接将风扇导線(xiàn)焊接到这些测试点上。它们简单，紧凑，不增加BOM成本，并且是建立永久连接的绝佳解决方案。為(wèi)了保护，选择了双向5V钳位電(diàn)压TVS二极管Micro Commercial Co ESDSLC5V0L2B-TP。该二极管的目的是保护晶體(tǐ)管或DC-DC转换器免受電(diàn)流切换时风扇電(diàn)机产生的任何反電(diàn)动势的影响。内部MCU下拉電(diàn)阻用(yòng)于物(wù)料清单（BOM）优化和控制栅极的引脚上节省空间的考虑。

LED指示灯

最初，我的想法是使用(yòng)微控制器的GPIO引脚作為(wèi)電(diàn)流吸收器来驱动RGB LED電(diàn)池充電(diàn)指示器。但是，已确定微控制器的引脚可(kě)以吸收的電(diàn)流将产生不足的光量，以至于无法在晴天在室外看到。因此，添加了三个小(xiǎo)型N沟道MOSFET，以使用(yòng)适当的限流電(diàn)阻器来驱动RGB LED。為(wèi)了节省空间，在小(xiǎo)型SC-89封装中，使用(yòng)了一个双N沟道MOSFET阵列（Nexperia 2N7002BKS，115）和一个N沟道MOSFET（Rohm Semiconductor RE1C002UNTCL）。

功率控制

如引言中所述，我决定使用(yòng)“自杀开关”電(diàn)路技术来提供一种使用(yòng)单个用(yòng)户按钮进行電(diàn)源/输入的方法，并且还提供一种使用(yòng)電(diàn)路的硬断开的方法。控制電(diàn)压调节器的使能(néng)引脚，并在设备加電(diàn)后向MCU的GPIO引脚提供输入信号，以更改风扇速度模式。

如果设备处于关闭状态，则由于打开升压转换器和设备中其他(tā)IC的電(diàn)路的RC时间常数，必须按住按钮至少0.4秒(miǎo)钟，如下所示。

当MCU开启时，電(diàn)路将DC-DC转换器的ENABLE引脚保持為(wèi)高電(diàn)平，直到用(yòng)户关闭设备為(wèi)止，如下所示。

当電(diàn)压调节器和MCU都打开时，用(yòng)户可(kě)以通过将信号发送到MCU的GPIO引脚（标记為(wèi)BTN）来控制风扇速度模式，如下所示。

微控制器

LCP812微控制器非常好用(yòng)且易于使用(yòng)，其内部振荡器的精度足以满足我们的应用(yòng)需求，因此几乎不需要支持電(diàn)路。该应用(yòng)的支持電(diàn)路仅需要用(yòng)于MCU電(diàn)源的去耦電(diàn)容器。引脚的分(fēn)配是通过在PCB布局中遍历不同的连接来确定最方便的放置和最佳布線(xiàn)的方式来确定的。最终的MCU原理(lǐ)图如下所示。

决定在PCB的末端使用(yòng)cast形孔来连接MCU编程引脚。这将允许在生产中对微控制器进行编程以及在开发中进行调试，而无需占用(yòng)大量宝贵的電(diàn)路板空间。一组弹簧销探针可(kě)与夹具一起使用(yòng)，以与编程接头连接。

PCB设计

我非常喜欢尝试将尽可(kě)能(néng)多(duō)的组件放入这样的小(xiǎo)板上。看到组件和轨道的拼图游戏总是很(hěn)高兴。总共有(yǒu)33个组件都需要放置在PCB的顶侧。

组件放置过程始于将必须严格放置的零件放置在精确的位置，这些零件是電(diàn)池连接器，用(yòng)于微控制器编程的cast形孔和按钮。严格来说，cast形孔可(kě)以根据需要沿板的边缘移动，但是必须确实在边缘上。

然后放置较大的组件，例如MCU，风扇连接点，電(diàn)压调节器和RGB LED，如下所示。粗化关键组件的位置可(kě)以使确定不太关键的组件的位置变得容易得多(duō)。

放置在Altium Designer中的关键组件的2D视图

我开始使用(yòng)相当宽的0.3毫米信号走線(xiàn)和0.5毫米電(diàn)源和接地走線(xiàn)来开始设计。它们的宽度比绝大多(duō)数電(diàn)路板制造商(shāng)所能(néng)处理(lǐ)的要宽得多(duō)，但是我想从我认為(wèi)理(lǐ)想的走線(xiàn)宽度开始，然后，如果有(yǒu)任何点的空间不足以容纳这些走線(xiàn)，则可(kě)以使它们变薄。通孔采用(yòng)相同的方法。如下所示，最终设计中没有(yǒu)几个较宽的通孔。

您可(kě)能(néng)已经注意到，此布局中增加了一个额外的TVS二极管。在布局过程中，从電(diàn)池正极连接布線(xiàn)两个单独的路径比较容易。一条通往稳压器的路径，另一条通往電(diàn)池检测電(diàn)路和RGB LED二极管的路径。如果TVS二极管与发生ESD事件的轨道串联，则它最有(yǒu)效地减轻了ESD事件。通过遠(yuǎn)离電(diàn)池端子的未直接受到串联二极管保护的路径，我们仍可(kě)能(néng)损坏该路径上的敏感電(diàn)路。

组件放置和布線(xiàn)完成后，可(kě)以倒入PCB底侧的接地层。使用(yòng)走線(xiàn)（包括接地网）的全布線(xiàn)板很(hěn)重要。如果仅用(yòng)多(duō)边形填充地面网络，并希望在返回路径方面获得最佳效果，那么您最终可(kě)能(néng)会遇到可(kě)怕的地面路径。

在这里，您可(kě)以在3D视图中查看PCB上的组件密度。

所有(yǒu)所需的组件都可(kě)以放置，而无需删除任何可(kě)选功能(néng)来留出布線(xiàn)空间。该智能(néng)风扇控制板的所有(yǒu)设计目标均得以实现。