智能微風扇控制器

2021-04-12

如果您不得不長時間佩戴護目鏡，尤其是如果您在該護眼鏡中裝有處方，您可能已經注意到起霧可能是一個主要問題。去年，我設計并3D打印了一個小型風扇單元，該單元在軍用護目鏡的每一側都安裝了25mm x 25mm x 10mm的風扇。它引導一小束空氣流過鏡片內部，即使在涼爽潮濕的天氣下進行體育鍛煉時也能保持鏡片清潔，使配戴者保持清晰的視力。它使用安裝在眼鏡帶背面的2節小號鋰聚合物電池，為12個風扇供電-足以保持風扇旋轉，但消耗的電流很小，盡管風扇就在您的耳朵旁邊，但聽不到聲音。該系統存在一些問題，但首先，沒有電池保護功能，因此，在延長的使用期限內，電池可能完全耗盡，無法安全充電。其次，沒有速度控制功能，因此您會受制于電池提供的氣流速度，這通常很好，但是偶爾會有一小束額外的氣流會很有用。

從表面上看，設計用作風扇控制器的設備是一個相對簡單的項目，但是應用程序和設計要求增加了一些有趣的約束。該項目要考慮以下限制：

PCB尺寸應為25 mm x 10 mm

組件應僅放置在PCB的一側

PCB理想情況下應為2層，但必要時可以為4層

該設備必須能夠控制5V小型風扇

該設備將使用小型單節鋰聚合物電池供電

PCB上不應有球柵陣列（BGA）封裝組件

電池連接器的位置必須符合規定

風扇控制器需要具備以下功能：

風扇速度應由使用PWM的微控制器控制

用戶應該能夠打開和關閉設備并選擇不同的風扇速度模式

設備應具有RGB LED形式的電池充電指示器。

當電池電壓嚴重不足時，硬關閉。

PCB的尺寸由風扇決定，我想有一塊電路板可以放在風扇的一個邊緣上，以便盡可能地緊湊。這也推動了對單面組件的需求，而沖擊/沖擊以及手工組裝導致我沒有BGA封裝。對于這種尺寸的電路板，任何BGA都可能是晶圓級的，因此極細的間距比通常在較大封裝中使用的較寬間距BGA封裝更具挑戰性。

要在電池電壓降得太低時關閉設備，我將實施“自殺開關”。要打開設備，用戶將按下設備上的一個按鈕，該按鈕會將穩壓器的使能引腳拉高，從而允許微控制器啟動并將該引腳本身置為高電平。一旦微控制器確定電池電壓過低，就可以將電壓調節器使能引腳拉低，從而關閉設備并停止消耗任何電流。對于這種類型的設備，這是比簡單地使微控制器進入睡眠狀態更為理想的解決方案，因為如果該單元處于存儲狀態，則可能由于微電流消耗而導致電池過度消耗，從而損壞電池。

元件選擇

與以前的設計相比，我希望每個風扇單元都有自己的電池，可以快速更換。無線電模型行業為小型電池提供了一些絕佳的選擇，這使我不得不使用小型室內直升機和飛機中常見的150mAh電池-它們非常便宜，質量高并且具有強大的放電能力。這種尺寸的電池已經相對標準化，因此開發板將使用Molex Picoblade（Molex51021-2P）連接器作為電池。放置時，電池應位于板/風扇單元的頂部，當將單元安裝在佩戴者的護目鏡上時，這將使在板底部放置一個小按鈕的操作變得容易。這還將在最終組裝中將風扇沿著眼鏡臂放置，從而使外觀保持緊湊。

電池的電氣參數和機械尺寸如下：

容量：150 mAh
電壓：1個電池/ 3.7 V
放電：25C恒
重：5 g
尺寸：40 mm x 12 mm x 5.5 mm
平衡插頭：Pico（Molex51021-2P）
放電插頭：Pico（Molex51021-2P）

在原始設計使用12V風扇的情況下，對于由單個鋰聚合物電池供電的設計而言，這不是一個特別實用的選擇。對于新設計，我使用的尺寸為25x25x10mm的5V型號。

風扇的電氣參數和機械尺寸如下：

額定電壓：4.2?5.7 V
額定電流（安培）：60 mA
尺寸/尺寸：正方形-25 mm x 25 mm
寬度：10 mm
重量：0.015 lb（6.8 g）
空氣流量：1.8 CFM（0.050m3/ min）
功率（瓦）：300 mW
RPM：8000 RPM
產生的噪聲：15.0 dB（A）
端接：2根導線

該框圖顯示了執行這些功能所需的最關鍵的組件和互連。

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微控制器（MCU）

微控制器用于提供風扇的脈沖寬度調制，電池電壓檢測以及RGB LED驅動器。我的目標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平臺，該平臺允許在一個小時左右的時間內編寫代碼。不需要功能更復雜的微控制器，因為它執行的功能很少，ARM Cortex M0仍將完全失效，但它們非常便宜。

選擇的微控制器是NXP LPC812M101JDH16J。它是一種廉價的16引腳微控制器，采用16TSSOP封裝。盡管在價格范圍內具有相對較高的性能，但它是市場上最便宜的微控制器之一。沒有USB許可/支持的微控制器非常便宜！選擇該封裝的原因是，它為PCB布局設計留出了足夠的空間以在其下面放置布線軌跡。

16TSSOP微控制器封裝的尺寸-盡管該封裝比5mm x 5mm QFN封裝略大，但它允許在同一層的器件下方布線。

盡管還有其他更小的封裝可用于該微控制器和其他低成本的選擇，例如QFN 5 mm x 5 mm，但此類封裝將利用裸露的焊盤在設備下方占用大部分空間。這將不可能在頂層的MCU下方路由走線，從而使路由更具挑戰性。

風扇控制

風扇需要使用微控制器生成的PWM信號進行控制。但是，風扇不能由MCU直接控制，因為微控制器的輸出引腳無法提供流過風扇所需的電流。因此，需要一個能夠驅動風扇的附加MOSFET。最初，我正在考慮使用MOSFET驅動器IC通過PWM信號正確地打開和關閉MOSFET，以減小FET的RDS（on），但是我意識到，只有5v電源不會有太多柵極驅動器控制的FET和微控制器IO驅動的FET之間的區別-PWM速度不會足夠高，不會給微控制器的IO電流源/灌電流能力帶來很大的壓力。

對于MOSFET，我決定使用Diodes Incorporated DMN1019USN-13邏輯電平MOSFET。當在柵極上施加3.3 V電壓時，該晶體管的源極-漏極電阻約為10毫歐，該電阻足夠使我滿意。結果，器件兩端的壓降將很小，考慮到風扇的負載相對較小，MOSFET不會顯著發熱。最大漏極-源極電壓為12 V，對于該器件來說就足夠了，因為風扇驅動電壓為5 V，并且在柵極上施加3.3 V電壓時的漏極-源極電流能力約為8.5A。

RGB LED

對于電池指示，選擇了一個小的RGB LED。RGB LED可以顯示所需的三種顏色，以指示不同的電池電量，并且顯示的顏色由MCU控制。選擇了Citizen的CL-505S-X-SD-T RGB LED。該LED可提供4引腳SMD 0404封裝。典型的正向壓降對于紅色是1.85 V，對于綠色是2.7 V，對于藍色是2.75V。紅色的最大電流為30 mA，綠色和藍色的最大電流為20 mA。LED所需的限流電阻將根據其規格進行選擇。我本可以選擇在這里使用可尋址的RGB LED，但是對于少量的設備，我將增加額外的編程時間，這對于以較少的元件組成的更緊湊的板子來說是不值得的。

用戶輸入

為開/關和風扇速度模式控制選擇了一個小的觸覺按鈕，因此用戶可以輕松操作設備。開關必須很小，但又不能太小，以至于很難與機械接口。它必須易于訪問且易于按下。外殼將集成一個按鈕，該按鈕將按在按鈕上，因此，使按鈕比其他組件靠得更靠板。為此，小的薄膜紐扣不是很合適。我選擇使用C＆K提供的KMR741NG ULC LFS組件。

電源供應

所有這些設備都需要電源，為此必須選擇適當的穩壓器。僅使用一個穩壓器不是一個實際的解決方案，因為風扇需要5 V的電源，而MCU需要3.3 V的電源，需要兩個單獨的穩壓器。在單節鋰聚合物電池的電壓范圍內，使用升壓轉換器提供5V電壓，然后利用低壓降（LDO）穩壓器為電池提供電壓降壓，從而更輕松有效地提高電池電壓。單片機

為了產生5 V電源，我想要一個非常高效的DC-DC升壓轉換器。之所以需要高效率，是因為從電池汲取的最大電流將來自風扇，并且所選小型電池的尺寸意味著它沒有太多的容量可以用來節省效率低下的調節器。由于電路板面積受到嚴格的尺寸限制，我選擇使用德州儀器（TI）TPS61240IDRVRQ1，因為它具有很高的效率，在此應用所需的輸出電流下約為93％，適用于電池供電的應用，并且可以很好地輸出電流超出了我的要求。其固定的5 V輸出和較小的6 WSON封裝尺寸（2 mm x 2 mm）使該轉換器成為該項目的非常合適的選擇。在考慮高度緊湊的調節器時，

對于3.3 V電源，即使該組件的效率明顯降低，仍選擇了LDO穩壓器。LDO的組件數量較少（無需電感器），僅需為微控制器供電，這將使大部分時間都處于睡眠狀態，并且僅消耗微不足道的電流。我使用的是Diodes Incorporated AP7313-33SRG-7，它具有3.3 V的穩定輸出電壓。之所以選擇LDO是因為其價格低，SC-59封裝尺寸小和固定的輸出電壓。再一次，浪費一個可調穩壓器的反饋電阻上的電路板空間是不值得的。

原理圖設計

電源供應

添加了Diodes Incorporated提供的小型0402 SMD封裝TVS二極管DRTR5V0U1LPQ-7B，以保護電路免受人體與設備接觸或任何電壓瞬變引起的ESD損壞。由于該設備已經磨損，并且在安裝新電池時要定期觸摸，因此非常需要少量的ESD保護。

輸入和輸出電容器是根據數據手冊中的建議選擇的，使用了電容值為4.7 uF的簡單X5R型陶瓷電容器。不需要高電容值的大容量電容器，因為設備內沒有會突然增加電流的組件。同樣，唯一對電壓降敏感的設備是MCU，它是由另一個電壓源（即LDO）提供的。選擇1.5毫米村田電子（Murata Electronics）LQH2MCN1R5M52L的SMD 0806封裝電感器占地小，因為它非常適合我們的應用并且不占用太多空間。同樣，肖特基二極管RBE05SM20AT2R被選擇用于輸出過壓保護。

LDO原理圖設計非常簡單。使用具有0402 SMD占位面積的組件，僅需要兩個電容器，輸入端為1 uF，輸出端為4.7 uF。

電池監控

為了監視電池電量，我選擇對微控制器ADC引腳使用一個簡單的分壓器。雖然電池電量計IC可以提供更精確的電池狀態測量，但我們擁有易于用戶更換且不會對電路中的電池充電的電池。我們也不需要高精度的電池百分比，而只是用硬截止電壓編譯的基本電量指示。雖然ADC引腳可以讀取電池電壓，但不能直接連接它，因為最大4.2 V的電池最大電壓會損壞MCU輸入，因此需要分壓器。選擇的電阻值為33千歐和1兆歐。這些值與微控制器的0.1兆歐的ADC引腳輸入電阻相結合，在實際電壓為4.5 V時為ADC輸入提供3.3V。

風扇控制

對于風扇控制，選擇了一個簡單的低側MOSFET開關來使用MCU的PWM信號控制風扇速度。對于風扇連接，使用了直徑1.25 mm的普通測試點，可以直接將風扇導線焊接到這些測試點上。它們簡單，緊湊，不增加BOM成本，并且是建立永久連接的絕佳解決方案。為了保護，選擇了雙向5V鉗位電壓TVS二極管Micro Commercial Co ESDSLC5V0L2B-TP。該二極管的目的是保護晶體管或DC-DC轉換器免受電流切換時風扇電機產生的任何反電動勢的影響。內部MCU下拉電阻用于物料清單（BOM）優化和控制柵極的引腳上節省空間的考慮。

LED指示燈

最初，我的想法是使用微控制器的GPIO引腳作為電流吸收器來驅動RGB LED電池充電指示器。但是，已確定微控制器的引腳可以吸收的電流將產生不足的光量，以至于無法在晴天在室外看到。因此，添加了三個小型N溝道MOSFET，以使用適當的限流電阻器來驅動RGB LED。為了節省空間，在小型SC-89封裝中，使用了一個雙N溝道MOSFET陣列（Nexperia 2N7002BKS，115）和一個N溝道MOSFET（Rohm Semiconductor RE1C002UNTCL）。

功率控制

如引言中所述，我決定使用“自殺開關”電路技術來提供一種使用單個用戶按鈕進行電源/輸入的方法，并且還提供一種使用電路的硬斷開的方法?？刂齐妷赫{節器的使能引腳，并在設備加電后向MCU的GPIO引腳提供輸入信號，以更改風扇速度模式。

如果設備處于關閉狀態，則由于打開升壓轉換器和設備中其他IC的電路的RC時間常數，必須按住按鈕至少0.4秒鐘，如下所示。

當MCU開啟時，電路將DC-DC轉換器的ENABLE引腳保持為高電平，直到用戶關閉設備為止，如下所示。

當電壓調節器和MCU都打開時，用戶可以通過將信號發送到MCU的GPIO引腳（標記為BTN）來控制風扇速度模式，如下所示。

微控制器

LCP812微控制器非常好用且易于使用，其內部振蕩器的精度足以滿足我們的應用需求，因此幾乎不需要支持電路。該應用的支持電路僅需要用于MCU電源的去耦電容器。引腳的分配是通過在PCB布局中遍歷不同的連接來確定最方便的放置和最佳布線的方式來確定的。最終的MCU原理圖如下所示。

決定在PCB的末端使用cast形孔來連接MCU編程引腳。這將允許在生產中對微控制器進行編程以及在開發中進行調試，而無需占用大量寶貴的電路板空間。一組彈簧銷探針可與夾具一起使用，以與編程接頭連接。

PCB設計

我非常喜歡嘗試將盡可能多的組件放入這樣的小板上。看到組件和軌道的拼圖游戲總是很高興?？偣灿?span>33個組件都需要放置在PCB的頂側。

組件放置過程始于將必須嚴格放置的零件放置在精確的位置，這些零件是電池連接器，用于微控制器編程的cast形孔和按鈕。嚴格來說，cast形孔可以根據需要沿板的邊緣移動，但是必須確實在邊緣上。

然后放置較大的組件，例如MCU，風扇連接點，電壓調節器和RGB LED，如下所示。粗化關鍵組件的位置可以使確定不太關鍵的組件的位置變得容易得多。

放置在Altium Designer中的關鍵組件的2D視圖

我開始使用相當寬的0.3毫米信號走線和0.5毫米電源和接地走線來開始設計。它們的寬度比絕大多數電路板制造商所能處理的要寬得多，但是我想從我認為理想的走線寬度開始，然后，如果有任何點的空間不足以容納這些走線，則可以使它們變薄。通孔采用相同的方法。如下所示，最終設計中沒有幾個較寬的通孔。

您可能已經注意到，此布局中增加了一個額外的TVS二極管。在布局過程中，從電池正極連接布線兩個單獨的路徑比較容易。一條通往穩壓器的路徑，另一條通往電池檢測電路和RGB LED二極管的路徑。如果TVS二極管與發生ESD事件的軌道串聯，則它最有效地減輕了ESD事件。通過遠離電池端子的未直接受到串聯二極管保護的路徑，我們仍可能損壞該路徑上的敏感電路。

組件放置和布線完成后，可以倒入PCB底側的接地層。使用走線（包括接地網）的全布線板很重要。如果僅用多邊形填充地面網絡，并希望在返回路徑方面獲得最佳效果，那么您最終可能會遇到可怕的地面路徑。

在這里，您可以在3D視圖中查看PCB上的組件密度。

所有所需的組件都可以放置，而無需刪除任何可選功能來留出布線空間。該智能風扇控制板的所有設計目標均得以實現。