智能微风扇控制器

2021-04-12

如果您不得不长时间佩戴护目镜，尤其是如果您在该护眼镜中装有处方，您可能已经注意到起雾可能是一个主要问题。去年，我设计并3D打印了一个小型风扇单元，该单元在军用护目镜的每一侧都安装了25mm x 25mm x 10mm的风扇。它引导一小束空气流过镜片内部，即使在凉爽潮湿的天气下进行体育锻炼时也能保持镜片清洁，使配戴者保持清晰的视力。它使用安装在眼镜带背面的2节小号锂聚合物电池，为12个风扇供电-足以保持风扇旋转，但消耗的电流很小，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，没有电池保护功能，因此，在延长的使用期限内，电池可能完全耗尽，无法安全充电。其次，没有速度控制功能，因此您会受制于电池提供的气流速度，这通常很好，但是偶尔会有一小束额外的气流会很有用。

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

PCB尺寸应为25 mm x 10 mm

组件应仅放置在PCB的一侧

PCB理想情况下应为2层，但必要时可以为4层

该设备必须能够控制5V小型风扇

该设备将使用小型单节锂聚合物电池供电

PCB上不应有球栅阵列（BGA）封装组件

电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：

风扇速度应由使用PWM的微控制器控制

用户应该能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RGB LED形式的电池充电指示器。

当电池电压严重不足时，硬关闭。

PCB的尺寸由风扇决定，我想有一块电路板可以放在风扇的一个边缘上，以便尽可能地紧凑。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BGA封装。对于这种尺寸的电路板，任何BGA都可能是晶圆级的，因此极细的间距比通常在较大封装中使用的较宽间距BGA封装更具挑战性。

要在电池电压降得太低时关闭设备，我将实施“自杀开关”。要打开设备，用户将按下设备上的一个按钮，该按钮会将稳压器的使能引脚拉高，从而允许微控制器启动并将该引脚本身置为高电平。一旦微控制器确定电池电压过低，就可以将电压调节器使能引脚拉低，从而关闭设备并停止消耗任何电流。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为理想的解决方案，因为如果该单元处于存储状态，则可能由于微电流消耗而导致电池过度消耗，从而损坏电池。

元件选择

与以前的设计相比，我希望每个风扇单元都有自己的电池，可以快速更换。无线电模型行业为小型电池提供了一些绝佳的选择，这使我不得不使用小型室内直升机和飞机中常见的150mAh电池-它们非常便宜，质量高并且具有强大的放电能力。这种尺寸的电池已经相对标准化，因此开发板将使用Molex Picoblade（Molex51021-2P）连接器作为电池。放置时，电池应位于板/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。

电池的电气参数和机械尺寸如下：

容量：150 mAh
电压：1个电池/ 3.7 V
放电：25C恒
重：5 g
尺寸：40 mm x 12 mm x 5.5 mm
平衡插头：Pico（Molex51021-2P）
放电插头：Pico（Molex51021-2P）

在原始设计使用12V风扇的情况下，对于由单个锂聚合物电池供电的设计而言，这不是一个特别实用的选择。对于新设计，我使用的尺寸为25x25x10mm的5V型号。

风扇的电气参数和机械尺寸如下：

额定电压：4.2〜5.7 V
额定电流（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根导线

该框图显示了执行这些功能所需的最关键的组件和互连。

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微控制器（MCU）

微控制器用于提供风扇的脉冲宽度调制，电池电压检测以及RGB LED驱动器。我的目标是使用成本非常低廉的ARM Cortex M0或M0 +微控制器，希望能支持MBED平台，该平台允许在一个小时左右的时间内编写代码。不需要功能更复杂的微控制器，因为它执行的功能很少，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16TSSOP封装。尽管在价格范围内具有相对较高的性能，但它是市场上最便宜的微控制器之一。没有USB许可/支持的微控制器非常便宜！选择该封装的原因是，它为PCB布局设计留出了足够的空间以在其下面放置布线轨迹。

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线。

尽管还有其他更小的封装可用于该微控制器和其他低成本的选择，例如QFN 5 mm x 5 mm，但此类封装将利用裸露的焊盘在设备下方占用大部分空间。这将不可能在顶层的MCU下方路由走线，从而使路由更具挑战性。

风扇控制

风扇需要使用微控制器生成的PWM信号进行控制。但是，风扇不能由MCU直接控制，因为微控制器的输出引脚无法提供流过风扇所需的电流。因此，需要一个能够驱动风扇的附加MOSFET。最初，我正在考虑使用MOSFET驱动器IC通过PWM信号正确地打开和关闭MOSFET，以减小FET的RDS（on），但是我意识到，只有5v电源不会有太多栅极驱动器控制的FET和微控制器IO驱动的FET之间的区别-PWM速度不会足够高，不会给微控制器的IO电流源/灌电流能力带来很大的压力。

对于MOSFET，我决定使用Diodes Incorporated DMN1019USN-13逻辑电平MOSFET。当在栅极上施加3.3 V电压时，该晶体管的源极-漏极电阻约为10毫欧，该电阻足够使我满意。结果，器件两端的压降将很小，考虑到风扇的负载相对较小，MOSFET不会显着发热。最大漏极-源极电压为12 V，对于该器件来说就足够了，因为风扇驱动电压为5 V，并且在栅极上施加3.3 V电压时的漏极-源极电流能力约为8.5A。

RGB LED

对于电池指示，选择了一个小的RGB LED。RGB LED可以显示所需的三种颜色，以指示不同的电池电量，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。红色的最大电流为30 mA，绿色和蓝色的最大电流为20 mA。LED所需的限流电阻将根据其规格进行选择。我本可以选择在这里使用可寻址的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。

用户输入

为开/关和风扇速度模式控制选择了一个小的触觉按钮，因此用户可以轻松操作设备。开关必须很小，但又不能太小，以至于很难与机械接口。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，使按钮比其他组件靠得更靠板。为此，小的薄膜纽扣不是很合适。我选择使用C＆K提供的KMR741NG ULC LFS组件。

电源供应

所有这些设备都需要电源，为此必须选择适当的稳压器。仅使用一个稳压器不是一个实际的解决方案，因为风扇需要5 V的电源，而MCU需要3.3 V的电源，需要两个单独的稳压器。在单节锂聚合物电池的电压范围内，使用升压转换器提供5V电压，然后利用低压降（LDO）稳压器为电池提供电压降压，从而更轻松有效地提高电池电压。单片机

为了产生5 V电源，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，是因为从电池汲取的最大电流将来自风扇，并且所选小型电池的尺寸意味着它没有太多的容量可以用来节省效率低下的调节器。由于电路板面积受到严格的尺寸限制，我选择使用德州仪器（TI）TPS61240IDRVRQ1，因为它具有很高的效率，在此应用所需的输出电流下约为93％，适用于电池供电的应用，并且可以很好地输出电流超出了我的要求。其固定的5 V输出和较小的6 WSON封装尺寸（2 mm x 2 mm）使该转换器成为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电源，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（无需电感器），仅需为微控制器供电，这将使大部分时间都处于睡眠状态，并且仅消耗微不足道的电流。我使用的是Diodes Incorporated AP7313-33SRG-7，它具有3.3 V的稳定输出电压。之所以选择LDO是因为其价格低，SC-59封装尺寸小和固定的输出电压。再一次，浪费一个可调稳压器的反馈电阻上的电路板空间是不值得的。

原理图设计

电源供应

添加了Diodes Incorporated提供的小型0402 SMD封装TVS二极管DRTR5V0U1LPQ-7B，以保护电路免受人体与设备接触或任何电压瞬变引起的ESD损坏。由于该设备已经磨损，并且在安装新电池时要定期触摸，因此非常需要少量的ESD保护。

输入和输出电容器是根据数据手册中的建议选择的，使用了电容值为4.7 uF的简单X5R型陶瓷电容器。不需要高电容值的大容量电容器，因为设备内没有会突然增加电流的组件。同样，唯一对电压降敏感的设备是MCU，它是由另一个电压源（即LDO）提供的。选择1.5毫米村田电子（Murata Electronics）LQH2MCN1R5M52L的SMD 0806封装电感器占地小，因为它非常适合我们的应用并且不占用太多空间。同样，肖特基二极管RBE05SM20AT2R被选择用于输出过压保护。

LDO原理图设计非常简单。使用具有0402 SMD占位面积的组件，仅需要两个电容器，输入端为1 uF，输出端为4.7 uF。

电池监控

为了监视电池电量，我选择对微控制器ADC引脚使用一个简单的分压器。虽然电池电量计IC可以提供更精确的电池状态测量，但我们拥有易于用户更换且不会对电路中的电池充电的电池。我们也不需要高精度的电池百分比，而只是用硬截止电压编译的基本电量指示。虽然ADC引脚可以读取电池电压，但不能直接连接它，因为最大4.2 V的电池最大电压会损坏MCU输入，因此需要分压器。选择的电阻值为33千欧和1兆欧。这些值与微控制器的0.1兆欧的ADC引脚输入电阻相结合，在实际电压为4.5 V时为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MCU的PWM信号控制风扇速度。对于风扇连接，使用了直径1.25 mm的普通测试点，可以直接将风扇导线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。为了保护，选择了双向5V钳位电压TVS二极管Micro Commercial Co ESDSLC5V0L2B-TP。该二极管的目的是保护晶体管或DC-DC转换器免受电流切换时风扇电机产生的任何反电动势的影响。内部MCU下拉电阻用于物料清单（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，我的想法是使用微控制器的GPIO引脚作为电流吸收器来驱动RGB LED电池充电指示器。但是，已确定微控制器的引脚可以吸收的电流将产生不足的光量，以至于无法在晴天在室外看到。因此，添加了三个小型N沟道MOSFET，以使用适当的限流电阻器来驱动RGB LED。为了节省空间，在小型SC-89封装中，使用了一个双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“自杀开关”电路技术来提供一种使用单个用户按钮进行电源/输入的方法，并且还提供一种使用电路的硬断开的方法。控制电压调节器的使能引脚，并在设备加电后向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IC的电路的RC时间常数，必须按住按钮至少0.4秒钟，如下所示。

当MCU开启时，电路将DC-DC转换器的ENABLE引脚保持为高电平，直到用户关闭设备为止，如下所示。

当电压调节器和MCU都打开时，用户可以通过将信号发送到MCU的GPIO引脚（标记为BTN）来控制风扇速度模式，如下所示。

微控制器

LCP812微控制器非常好用且易于使用，其内部振荡器的精度足以满足我们的应用需求，因此几乎不需要支持电路。该应用的支持电路仅需要用于MCU电源的去耦电容器。引脚的分配是通过在PCB布局中遍历不同的连接来确定最方便的放置和最佳布线的方式来确定的。最终的MCU原理图如下所示。

决定在PCB的末端使用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，而无需占用大量宝贵的电路板空间。一组弹簧销探针可与夹具一起使用，以与编程接头连接。

PCB设计

我非常喜欢尝试将尽可能多的组件放入这样的小板上。看到组件和轨道的拼图游戏总是很高兴。总共有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，这些零件是电池连接器，用于微控制器编程的cast形孔和按钮。严格来说，cast形孔可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，电压调节器和RGB LED，如下所示。粗化关键组件的位置可以使确定不太关键的组件的位置变得容易得多。

放置在Altium Designer中的关键组件的2D视图

我开始使用相当宽的0.3毫米信号走线和0.5毫米电源和接地走线来开始设计。它们的宽度比绝大多数电路板制造商所能处理的要宽得多，但是我想从我认为理想的走线宽度开始，然后，如果有任何点的空间不足以容纳这些走线，则可以使它们变薄。通孔采用相同的方法。如下所示，最终设计中没有几个较宽的通孔。

您可能已经注意到，此布局中增加了一个额外的TVS二极管。在布局过程中，从电池正极连接布线两个单独的路径比较容易。一条通往稳压器的路径，另一条通往电池检测电路和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，则它最有效地减轻了ESD事件。通过远离电池端子的未直接受到串联二极管保护的路径，我们仍可能损坏该路径上的敏感电路。

组件放置和布线完成后，可以倒入PCB底侧的接地层。使用走线（包括接地网）的全布线板很重要。如果仅用多边形填充地面网络，并希望在返回路径方面获得最佳效果，那么您最终可能会遇到可怕的地面路径。

在这里，您可以在3D视图中查看PCB上的组件密度。

所有所需的组件都可以放置，而无需删除任何可选功能来留出布线空间。该智能风扇控制板的所有设计目标均得以实现。