USB / Batterie-Umschaltkreis

Hintergrund: Ich bin ein Nicht-EE (ein 0x11? :^) und stoße in die Welt des Designs eingebetteter Systeme. Ich begann dieses Projekt mit einem Verständnis von Schaltungen auf College-Physik-Niveau, aber ich lerne allmählich.

Das Design, an dem ich arbeite, besteht aus mehreren Sensoren, einer SD-Karte und einem TI CC1111 SoC . Der CC1111 enthält einen 8051-Core, einen USB-Controller und einen HF-Transceiver. Mein Design basiert auf einem von TI bereitgestellten USB - Dongle - Referenzdesign .

Das Gerät wird normalerweise im Batteriebetrieb mit 2 AA-Batterien in Reihe (oder möglicherweise 4 AA-Batterien in parallelen Paaren) betrieben, sofern es nicht an einen USB-Anschluss angeschlossen ist. Ich möchte, dass das Gerät ohne Mikrocontroller-Reset nahtlos zwischen USB und Batterie umschaltet.

Ich suche nach einer Schaltung zum Umschalten zwischen den beiden Stromquellen (Batterien oder USB-Bus). Soweit ich das beurteilen kann, wäre es am einfachsten, ODER-Dioden zu verwenden. Das Problem hier ist, dass ich Strom verschwenden würde (Strom x Durchlassspannungsabfall der Diode), und das möchte ich vermeiden.

Eine Option, die ich in Betracht ziehe, ist der LTC4412-Leistungsregler , der als Antwort auf die Frage eines anderen empfohlen wird.

Frage 1 : Sieht das passend aus?

Eine Sorge, die ich habe, ist die Verzögerung beim Umschalten von USB-Busstrom auf Batteriestrom, wenn das Gerät von USB getrennt wird. Laut Datenblatt des LTC4412 kann die Einschaltzeit für das MOSFET-Gate bis zu 175 us betragen. Ich möchte nicht, dass der CC1111 (oder die digitalen Sensoren) zurückgesetzt werden. Betrachtet man Abbildung 1 im Datenblatt (siehe auch die Diskussion der Bypass-Kondensatoren auf Seite 5), besteht der Trick darin, den richtigen Wert für den Ausgangskondensator C_out zu wählen. Ich habe einen Wert berechnet, bin mir aber nicht sicher, ob mein Ansatz gültig ist. Wenn Sie mich ertragen:

Abbildung 1

Der CC1111 wird normalerweise mit 3 V aus 2 AA-Batterien betrieben. Angenommen, es könnte nur mit 90 % davon (2,7 V) betrieben werden. Ich verwende den von der Last (meinem Gerät) gezogenen Strom und die Nennspannung (3 V), um einen äquivalenten Widerstand (V/I) zu erhalten. Basierend auf meinen Messungen und Summenströmen aus Datenblättern kann das Gerät einen Strom zwischen 35 mA und 70 mA ziehen. Dies gibt mir einen äquivalenten Widerstand im Bereich von 43 Ohm bis 86 Ohm.

Wenn ich möchte, dass die Spannung nach 175 us (der Gate-Einschaltzeit des LTC4412) auf nicht weniger als 90 % abfällt, erhalte ich nach der Berechnung eine Zeitkonstante (RC) von 1,66 ms. Wenn ich sicherheitshalber 40 Ohm verwende, komme ich auf C > (1,66 ms / 40 Ohm) = 42 uF. Vielleicht fügen Sie zur Sicherheit weitere 10% oder 20% hinzu, also sagen wir 50 uF.

Frage 2 : Ist dieser Ansatz und diese Berechnung gültig?

Ich habe diese 90%-Zahl aus dem Nichts gezogen. Das CC1111-Datenblatt besagt, dass 3,0 V die Mindestspannung ist, daher bin ich mir nicht sicher, ob das, was ich tue, koscher ist. Sollte ich eine Art Aufwärtswandler verwenden, um beispielsweise 3,3 V aus den Batterien zu bekommen?

Vielen Dank im Voraus für Ihre Hilfe (und dafür, dass Sie so viel Text lesen).

Zur Kondensatorberechnung: Sie sollten Toleranzen von Kondensatoren berücksichtigen. Sie können in einigen Fällen bei Aluminiumelektrolyten bis auf -30 % und bis zu +40 % sinken, und die Kapazität kann mit der Zeit abnehmen.
Beachten Sie auch, dass USB-Geräte nur eine bestimmte Menge an Einschaltstrom ziehen dürfen (obwohl dies weniger ein Problem darstellt, wenn Batterien installiert sind und die Batterie bereits geladen ist). Können Sie 3 Batterien verwenden, die Ihre Spannung näher an VUSB (das sind ~ 5 V) bringen, und Sie werden keine Probleme haben, wenn die Batterien leer sind oder wenn jemand wiederaufladbare Batterien einsteckt (1,2 V pro Zelle).

Antworten (2)

Nein, wie Sie vielleicht schon befürchtet haben, ist das nicht koscher. Die 3 V sind in der Tat das Minimum, und die Spannung der AA-Batterien wird schnell darunter fallen. Wenn Sie NiMH-Akkus verwenden, erhalten Sie sogar nur 2,4 V, das reicht also nicht, es sei denn, Sie können 3 davon in Reihe verwenden. (Verwenden Sie keine Batterien parallel, wie Sie in Ihrer Frage erwähnen.) Drei NiMH-Zellen geben Ihnen also 3,6 V. Gut.

Diese 3,6 V sind die maximale VDD für das Gerät. Wenn Sie es also über USB betreiben möchten, benötigen Sie einen LDO-Spannungsregler (Low Drop-Out), um 3,6 V zu erhalten. Der LP2981 ist dafür ein guter Teil.

Jetzt das Umschalten. 175 µs kommen mir wie eine Ewigkeit vor, aber damit müssen wir leben. Ben hat Ihnen bereits die richtige Gleichung für eine Konstantstromentladung gegeben:

Δ v = ich ⋅ Δ t C

oder

C = ich ⋅ Δ t Δ v

NiMH-Zellen haben ziemlich konstante 1,2 V, die nur auf unter 1,1 V abfallen, wenn sie fast entladen sind.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Also können wir das als Grenze verwenden. Bei einer Mindestspannung von 3 V und einem Worst-Case-Strom von 70 mA kommt man darauf

C = 70 m EIN ⋅ 175 μ s 300 m v = 41 μ F

was Ben auch gefunden hat. Wenn Sie glauben, dass Sie nicht unter 1,15 V gehen, werden daraus 27 µF, das wird sich also nicht sehr ändern, aber es gibt Ihnen etwas Spielraum, wenn Sie eine 47-µF-Kappe verwenden möchten. AndrejaKo weist zu Recht darauf hin, dass Elkos große Toleranzen haben, in der Regel -20 %, und dann würde ich einfach zu einer 68 µF/6,3 V-Kappe greifen.

Vielen Dank. Ich verdaue deine Antwort. Ist mein genereller Ansatz, also die Verwendung des LTC4412, sinnvoll? Ist es auch nie in Ordnung, Batterien parallel zu haben? Ich weiß, dass dies für unterschiedliche Spannungen oder sogar unterschiedliche Batterien des gleichen Typs schlecht ist, aber ich dachte, es wäre in Ordnung für identische, neue Batterien. Übrigens enthält das Referenzdesign für den USB-Dongle bereits einen Regler zum Herunterfahren der 5-V-USB-Busspannung, insbesondere den TPS76933 .
@ David - Ohne das Datenblatt gründlich gelesen zu haben, sieht der LTC4412 nach einer guten Lösung aus. Ich wollte den ICL7673 vorschlagen, aber das ist für sehr niedrige Ströme (hoher Einschaltwiderstand). Das Datenblatt zeigt jedoch eine Lösung mit 2 externen Transistoren. Batterien sind nie identisch, und eine kleine Spannungsdifferenz verursacht einen relativ großen Strom von einer Batterie zur anderen. Besonders schlecht für nicht wiederaufladbare Geräte, aber auch Stromausfall.
Nur fürs Protokoll, S. 229 des CC1111-Datenblatts besagt, dass es einen LDO-Spannungsregler hat, "der verwendet wird, um eine 1,8-V-Stromversorgung für das digitale CC1110Fx/CC1111Fx-Netzteil bereitzustellen. ... Der Eingangspin AVDD_DREG des Spannungsreglers muss mit den ungeregelten 2,0 V bis 3,6 verbunden werden V Stromversorgung. Der Ausgang des digitalen Reglers ist im CC1110Fx/CC1111Fx intern mit der digitalen Stromversorgung verbunden.“ Es kann nicht zur Stromversorgung externer Schaltkreise verwendet werden, aber das klingt so, als ob der CC1111 mit einer Eingangsspannung von nur 2 V arbeiten könnte. Mindestens eine andere Komponente benötigt jedoch mindestens 3 V.
@ David - Interessant. Aber wenn Sie zulassen würden, dass die Spannung auf 2 V abfällt, kann der Kern ununterbrochen weiterlaufen, aber I/Os sehen möglicherweise eine negative Spitze. Ist das kein Problem?
Ich bin es wieder. Ich glaube nicht, dass ich es auf 2 V herunterkommen lassen würde - ich nehme Ihr Wort auf die Spikes. Ich denke jedoch daran, den LTC4412 abzustoßen. Wenn Sie sich erinnern, erfordert der LTC4412 einen externen PFET und eine 47-uF-Kappe. Wie Ben bemerkte, würde die große Obergrenze die zulässige USB-Einschaltstromgrenze überschreiten. Ich denke, ich könnte das mit einer Softstart-RC-Schaltung um das PFET-Gate herum angehen, aber was wäre, wenn ich stattdessen einen TI TPS2113 ( ti.com/lit/ds/symlink/tps2112.pdf ) zum Muxen zwischen dem USB VBUS und 3 verwenden würde AA-Batterien in Reihe?
@ David - Ich stimme zu, der TPS2112 scheint die bessere Wahl zu sein. Guter Fund. Möglicherweise möchten Sie jedoch immer noch einen (kleineren) Kondensator am Ausgang.
Danke für die Rückmeldung. Der Ausgang des TPS2113 wird in einen TPS76933 LDO-Regler ( ti.com/lit/ds/symlink/tps76933.pdf ) eingespeist, der eine Obergrenze von mindestens 4,7 uF zwischen Vout und GND erfordert (Seite 12). Wäre das ausreichend, da es immer noch "stromabwärts" vom Ausgang des Power Mux ist?
@David - Diese Obergrenze hat nichts mit der Eingabe zu tun. Es ist ein erforderliches Teil für den Regelkreis des Reglers; Ohne sie ist der Regler instabil (sprich: kann oszillieren).
OK. Ich dachte, diese Kappe könnte vielleicht eine doppelte Aufgabe erfüllen, indem sie auch während der Mux-Umschaltung genügend Polster bietet, aber anscheinend nicht. Wie groß ist ein Kondensator, den ich am Ausgang des Leistungsmux benötige? Und eine verwandte EE-Frage: Wenn Ihre "Last" eine komplizierte Schaltung mit allen Arten von Komponenten (Widerständen, Kappen, Induktivitäten, Transistoren, ICs usw.) ist, gibt es eine Möglichkeit, eine äquivalente Gesamtkapazität (wie die von Thevenin) zu ermitteln Satz)? Wie viel innere Kapazität ist sozusagen nach außen sichtbar? Googlefähige Begriffe willkommen. Vielen Dank!

Nein, Sie sollten keine resistive Zeitkonstantengleichung für aktive Elektronik verwenden. Nehmen Sie einfach eine spannungsunabhängige Stromaufnahme zusammen mit der Kondensatorgleichung an:

I = C * dV/dt

und löse nach C auf.

C = I * delta-t / delta-V
  = 70mA * 175uS / .3V = 41 uF

(ok, das ist ziemlich gleich, weil der RC-Entladestrom über 90 % des Startwerts liegt, während die Spannung über 90 % liegt)

Die USB-Spezifikation gibt an, dass die maximale kapazitive Last, die am Downstream-Ende eines Kabels platziert werden kann, 10 uF beträgt . Sie werden ein Problem haben, wenn Ihre Batterien entladen sind, es sei denn, Sie begrenzen den Strom der USB-Quelle.

Danke Ben und @stevenvh. Ich hätte das Problem mit der USB-Kapazität übersehen und suche nach Lösungen. Meinst du mit spannungsunabhängiger Leistungsaufnahme konstante Leistung? Unter der Annahme, dass P = IV konstant ist, komme ich auf C(dV/dt) = -I = -P/V = -I0*V0/V, wobei I0 und V0 der Anfangsstrom und die Anfangsspannung sind. Diesen Unterschied lösen. Gl. Ich bekomme V(t) = sqrt(V0^2 - 2t*I0*V0/C)Solving for C, wenn V = 0,9 * V0, C = 2*70 mA * 175 uS / (3V * (1-0.9^2)) = 44 uF.ich denke, sie sind alle im selben Stadion.
@ David: Entschuldigung, ich meinte eigentlich Konstantstrom, nicht Konstantleistung.
Ich denke darüber nach, den LTC4412 zu vermeiden und stattdessen den TPS2113-Power-Mux von TI zu verwenden (siehe Kommentar oben). Es sieht so aus, als würde ich weniger Kapazität benötigen, um vor Spannungsabfall zu schützen und das Einschaltproblem zu vermeiden. Was denken Sie?
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