USB / Batterie-Umschaltkreis

Hintergrund: Ich bin ein Nicht-EE (ein 0x11 ?: ^), Der in die Welt des Entwurfs eingebetteter Systeme eingeführt wurde. Ich habe dieses Projekt mit einem Verständnis der Schaltkreise auf College-Physik-Ebene begonnen, 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-Kern, einen USB-Controller und einen HF-Transceiver. Mein Design basiert auf einem Referenz- USB- Dongle- Design von TI.

Das Gerät wird normalerweise mit Batteriestrom betrieben, wobei 2 AA-Batterien in Reihe (oder möglicherweise 4 AA-Batterien in parallelen Paaren) verwendet werden, sofern es nicht an einen USB-Anschluss angeschlossen ist. Ich möchte, dass das Gerät nahtlos zwischen USB und Akku umschaltet, ohne dass der Mikrocontroller zurückgesetzt wird.

Ich suche einen Stromkreis zum Umschalten zwischen den beiden Stromquellen (Batterien oder USB-Bus). Nach allem, was ich sagen 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?

Ein Problem, das ich habe, ist die Verzögerung beim Umschalten von USB-Bus-Strom auf Batteriestrom, wenn das Gerät von USB getrennt wird. Gemäß dem LTC4412-Datenblatt kann die Einschaltzeit für das MOSFET-Gate bis zu 175 us betragen. Ich möchte nicht, dass der CC1111 (oder die digitalen Sensoren) zurückgesetzt werden. In Abbildung 1 im Datenblatt (siehe auch Erläuterung der Bypass-Kondensatoren auf Seite 5) besteht der Trick darin, einen Wert für den Ausgangskondensator C_out richtig auszuwählen. Ich habe einen Wert berechnet, bin mir aber nicht sicher, ob mein Ansatz gültig ist. Wenn Sie mit mir ertragen:

Der CC1111 wird normalerweise mit 3 V mit 2 AA-Batterien betrieben. Angenommen, es könnte nur mit 90% davon (2,7 V) betrieben werden. Ich verwende den von der Last (meinem Gerät) aufgenommenen Strom und die Nennspannung (3 V), um einen äquivalenten Widerstand (V / I) zu erhalten. Basierend auf meinen Messungen und Summierungsströmen 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 (Einschaltzeit des LTC4412-Gates) auf nicht weniger als 90% abfällt, erhalte ich nach der Berechnung eine Zeitkonstante (RC) von 1,66 ms. Aus Sicherheitsgründen habe ich 40 Ohm verwendet und C> (1,66 ms / 40 Ohm) = 42 uF gefunden. Fügen Sie aus Sicherheitsgründen möglicherweise weitere 10% oder 20% hinzu, sagen Sie also 50 uF.

Frage 2 : Ist dieser Ansatz und diese Berechnung gültig?

Ich habe diese 90% -Zahl aus der Luft gezogen. Das CC1111-Datenblatt besagt, dass 3,0 V die minimale Spannung ist, daher bin ich mir nicht sicher, ob ich koscher bin. Sollte ich eine Art Aufwärtswandler verwenden, um beispielsweise 3,3 V aus den Batterien herauszuholen?

Vielen Dank im Voraus für Ihre Hilfe (und für das Lesen von so viel Text).

Nein, wie Sie vielleicht schon befürchtet haben, ist dies 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, was nicht funktioniert, es sei denn, Sie können 3 davon in Reihe verwenden. (Verwenden Sie keine Batterien parallel, wie Sie in Ihrer Frage erwähnt haben.) Drei NiMH-Zellen ergeben also 3,6 V. Fein.

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

Nun das Umschalten. 175 µs scheinen mir eine Ewigkeit zu sein, aber damit müssen wir leben. Ben hat dir schon die richtige Gleichung für eine Konstantstromentladung gegeben:

$\Delta V = \dfrac{I \cdot \Delta t}{C}$

oder

$C = \dfrac{I \cdot \Delta t}{\Delta V}$

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

Wir können das also als Grenze verwenden. Mit einer Mindestspannung von 3 V und einem Worst-Case-Strom von 70 mA erhalten Sie

$C = \dfrac{70 mA \cdot 175 \mu s}{300 mV} = 41 \mu F$

Das hat auch Ben gefunden. Wenn Sie glauben, dass Sie nicht unter 1,15 V fallen, werden dies 27 µF. Das wird sich also nicht sehr ändern, aber es gibt Ihnen etwas Headroom, wenn Sie eine 47 µF-Kappe verwenden möchten. AndrejaKo weist zu Recht darauf hin, dass Elektrolytkondensatoren große Toleranzen haben, normalerweise -20%, und dann würde ich einfach eine 6,3-V-Kappe mit 68 µF wählen.

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

I = C * dV/dt

und lösen für C.

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

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

Die USB-Spezifikation besagt, dass die maximale kapazitive Last, die am stromabwärtigen Ende eines Kabels platziert werden kann, 10 uF beträgt . Sie werden ein Problem haben, wenn Ihre Batterien entladen wurden, es sei denn, Sie begrenzen die USB-Quelle auf Strom.