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低功耗(1mA)、低导通电阻(5mΩ)的 手机定时充电控制器 本帖主对外承接开发,联系作者
小电子
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发表于Wed Nov 02 12:56:44 CST 2016   |  只看该作者 1# 电梯直达

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低功耗(1mA)、低导通电阻(5mΩ)的
手机定时充电控制器

网名:小电子

yuxiangxyz@163.com

1、作品简介

1)作品外观

百闻不如一见,首先将本电子制作整体外观图贴出,如下图所示,包含塑料外壳、PCBA两部分。后续各节再详细叙述作品制作细节。


(a) 正面

(b) 背面(请忽略飞线,下版将改进)

(c) 侧面

1 手机定时充电控制器实物外观图

2)设计灵感来源

日常生活中,手机充电基本是人们每天都要做的事情。虽然现在的智能手机有电源管理芯片,但手机充满电后不拔掉电源,会让电池一直保持满电状态,会加快电池容量的损耗速度。很多人喜欢在晚上睡觉时将手机充电,并一直与充电器保持连接,这样一是容易减少手机电池寿命,二是容易带来安全隐患。

很多时候,我们希望能够控制手机电池充电的时间,因此设计一款手机定时充电器就显得很有必要了。

目前,市面上销售的定时充电装置基本有两种,一种是对市电进行控制,另一种是对USB进行控制,如下图所示。

 

2 市面上两种典型的定时充电控制器

市电定时控制器存在以下两个问题:体积庞大、笨重,便携性差,不利于移动办公;需要对市电进行控制,安全性差。

USB定时控制器存在以下4个问题:一般都采用LED数码管显示状态,耗电量大(损耗电流在10mA以上);一般都用采样电阻(阻值在20 以上)对电流进行采样,采样电阻上压降较大;控制电流通断的MOSFET导通电阻一般较大(阻值一般为50 mΩ左右),MOSFET上的压降较大;定时控制电路自身(除LED数码管外)的功耗较大。

因而,作者想对上述定时充电控制器进行改进,克服上述缺点,达到便宜低功耗小巧的目标。

3)本电子制作的实用性

为了后续各部分的展开说明,首先给出本电子制作——手机定时充电控制器的功能简图,如下图所示。

3 手机定时充电控制器功能简图

简单地说,就是将手机充电器和USB线扯开,在两者中间插入一个控制器,然后就可以控制充电时间了。

本电子制作的功能用一句话概括就是控制手机充电时间,具体而言包括以下5点:

      通过控制USB +5V电在设定时间内断开,达到对手机充电时间进行控制的目的

      用户可通过按键设置定时时长,设置时长可存储

      可测量手机充电电压

      LCD液晶显示屏上可滚动显示定时剩余时间、手机充电电压

      LCD液晶显示屏有背光功能,但只在用户按下按键时亮起,无按键响应后一段时间则自动熄灭,以减小电流消耗

本电子制作的实用性体现在:针对手机定时充电需求,追求以尽量小的电流、电压损耗和尽量低的成本实现手机定时充电,去掉一般手机定时充电控制器中无关紧要的电流测量功能,制作一款方便实用的手机定时充电控制器。

2、作品亮点

本电子制作的亮点体现在以下6点:

      手机定时充电控制器消耗电流小于1mA,导通电阻小于5mΩ,该指标优于同类同价位产品

      采用巧妙的方法实现LCD液晶显示屏驱动,省去专用驱动器

      成本低,量产成本估计低于¥8.00/

      体积小,体积小于2cm*3cm*5cm

      重量轻,重量小于20g

      人机接口简单,只用一个按键实现人机交互

本文后续部分将详细阐述上述亮点。

3、系统构架

定时充电控制器由接口部分(USB公头、母头)、MOSFET通断电路、STM8L控制电路、段式LCD液晶显示电路、按键电路、电压采样电路和电源电路等7个部分构成,如下图所示。

4 定时充电控制电路基本构成

MOSFET通断电路采用导通阻值极低(量级)的P沟道MOSFET构成,使得MOSFET上的压降可以忽略,对充电回路不产生明显影响。

STM8L为意法半导体推出的超低功耗产品。主要用于对功耗极为敏感的应用,例如便携式设备。STM8L基于8STM8内核,利用最低功耗模式可实现超低功耗(uA量级)。STM8L还有一个特点是带有片上EEPROM,这样就不需要设置外部EEPROM来存储用户设置的数据。

段式LCD液晶显示屏相比于TFT液晶、LED数码管等功耗小得多。它的功耗可以低至几十uA,使得供电可以直接使用单片机的I/O口供电,而无需专门电源。LCD液晶显示屏一个缺点是驱动较为麻烦,但本电子制作采用文献给出的一种简单方法实现了LCD的驱动,后文将详述。

电压采样电路采用两个高精度(0.1%精度)、低温漂(25ppm)的电阻实现对待测电压的分压,由于PCB板空间有限,将分压直接通过20K电阻连接STM8LAD采样管脚,而不通过电压跟随器缓冲。利用STM8L内部的基准参考电压实现外部电压采样。

电源电路主要提供3.3V电源,由USB+5V电直接降压得到,使用的是低压差稳压电源(LDO)。

4、元器件选型

1)外壳选型

本电子制作从开始构思时就定位于要制作成为一款准产品,因此从器件选型上就严格按照实际产品要求来进行。

为了降低成本,在淘宝上搜索“USB外壳找到一款较为合适的外壳,如下图所示。

5 USB外壳图

该外壳内部的空间限制了PCB的尺寸、元器件的高度等,后面元器件都要根据该外壳的内部空间合理选型。

该外壳如果批量生产的话,估计价格低于0.5/套。

2MOSFET选型

为了减小MOSFET的体积,选择小封装的MOSFET。由于本身结构的原因,P沟道MOSFETN沟道MOSFET导通电阻普遍要大一些。导通电阻小于5mΩMOSFET属于比较高端的MOSFET,但价格也较一般指标的高。通过在各大厂商(英飞凌、东芝、STDiodesNXPONMicroChip、仙童、VishayAOS、江苏长电等)网站上下载选型表,在立创商城、MouserDigi-key、云汉芯城、友进芯城等电子元器件购买网站对比价格,最终选定采用Diodes公司生产的型号为DMP2006UFGP-MOS。同样为5mΩ导通电阻级别,该型号的P-MOS价格比其他厂商的价格都要低,批量价格为1.6/片(Mouser,数量为50000+时),该价格包含税费,如果通过国内代理拿货,估计价格会更低。该型号的P-MOS的封装为POWERDI3333-8,其中“3333”表示封装尺寸为3.3mm*3.3mm,占PCB空间极小,因此适合本电子制作。

该型号指标如下表所示。

1 P沟道MOSFET导通电阻(max)参数表

如表中所示,当栅源电压为4.5V时,导通电阻最大为5.5mΩ,数据手册给出的导通电阻典型值为4.2mΩ @ 4.5V。本电子制作能达到的最大栅源电压为5.0V,因此,导通电阻达到5mΩ附近是完全可能的。后面的实测结果证实了这一点。

3)主控MCU选型

由于本电子制作的原则是降低功耗、减小成本、减小体积,因此要从这三个方面选择MCU

低功耗的MCU有老牌的MSP430,也有新宠STM8LSTM32L等系列。由于本电子制作功能简单,因此在STM8LSTM32L当中就直接选择低性能的STM8L了。在MSP430STM8L对比上,STM8L最近几年新出的STM8L051这个型号比MSP430的型号都要便宜,且功耗极低。通过立创商城的价格对比分析,STM8L051最便宜的一款为STM8L051F3P6,封装为TSSOP-20,管脚为20个,尺寸为6.6mm*6.6mm。封装尺寸合适,管脚数量正好够用,批量价格约为2.2/片。

4)段式LCD液晶显示屏选型

段式LCD液晶选型经历了一次失败的过程。主要是刚开始没弄清楚LCD驱动方式。LCD驱动分为静态方式和动态方式两种。最初购买的是静态方式驱动的LCD,要实现3个数字的显示,需要24个引脚,其中每个数字的每一段都需要单独的引脚。这24个引脚需要和MCU24个引脚连接,这就导致了MCU引脚数不够的问题。

后来在淘宝上找到了一款动态方式驱动的LCD,共可显示4位数字,但只有12个引脚,分别为4个公共端引脚和8个共用段位引脚,类似于常见的4LED数码管,但驱动方式比LED数码管要复杂得多,关于LCD的驱动,在后文原理部分详述。

LCD的尺寸为30mm*15mm,经过比对,30mm的长度正好在选择的外壳的内部限制范围之内,非常合适。LCD实物图如下图所示。

6 LCD实物图

为了能在夜间看到LCD数字,需要在LCD背面加上背光。LCD背光能起作用的一个前提是LCD是半透式或者全透式的,恰好选择的LCD是半透式的。总共购买了两款背光,但只有一款尺寸比较合适,经过实际安装发现,这个背光的长度要是多1mm,就安装不下了,可谓是恰到好处。背光实物图如下图所示。

7 LCD背光实物图

需要说明的是,背光的电流大约为10mA左右,因而背光并不是一直开启的,只是在用户按下按键时才开启,开启后过几秒钟就会自动熄灭,否则提出的1mA指标就达不到了。

5)电源选型

电源选择主要考虑是静态电流要小,封装尺寸要小,成本也要低。首先定下封装尺寸,小封装常见的是SOT-23-3SOT-23-5两种类型,选型时就在这两种封装中选择。

在立创商城所有的是这两种封装、输出电压为3.3VLDO中选择,找到一款静态电流只有1uALDO,为TOREX(特瑞仕)公司生产的XC6206P332MR。数据手册中的静态电流指标如下所示。

2 电源芯片XC6206P332MR的静态电流指标

该型号在友进芯城上的标价为:0.224/片(数量为3000+)。在立创SMT贴片目录上也看到了这个型号,说明这个型号是很流行的。

5、硬件工作原理

首先说明,考虑到受众的基础不一,这一部分尽量讲得详细一些,可能有些老鸟会觉得有些部分太简单了,那就请略过吧。

1MOSFET开关电路

原理图如下图所示。

8 MOSFET开关电路原理图

图中,“VCC5”接充电器,“+5V”接手机,需要控制“VCC5”“+5V”之间的通断。

这里为什么用P沟道MOSFET,而不用N沟道MOSFET呢?因为N沟道MOSFET导通的条件为GS极间加正向电压,G极要比S极电压高,而导通时G极和D极电压几乎相等,都等于5V,于是,需要升压电路才能实现,比较麻烦。

为何用到三极管,而不是直接将“CTRL”信号接G极?因为,这里三极管起到电平转换作用,控制信号为3.3V时,G极为0V,控制信号为0V时,G极为5V。如果“CTRL”信号直接接G极,则当控制信号为3.3V时,MOSFET不能完全关断。

为何用200K47K电阻?因为,MOSFET的导通只需要提供电压就可以了,GS之间的电流极小,为了降低功耗,将基极、集电极电阻取很大的值,只要能使得“CTRL”信号为高电平时,三极管饱和导通,同样能保证MOSFET的导通效果。

2STM8L051F3P6最小系统

9 STM8L051F3P6最小系统原理图

本电子制作设计过程中,始终坚持最简单原则,STM8L的最小系统也不例外。从图中可以看出,系统非常简单,外围电路只需要两个104电容及4P调试下载接口即可。

这么简单的设计来源于STM8L为便携式设备而生的属性。STM8L051F3P6只有1VDD引脚,因此只用了一个104容量的高频旁路电容,一般还需要一个1~10uF的低频旁路电容,该电容由于LDO电路的3.3V输出端已经添加了,这里就省略掉了。

复位引脚接上电容是为了上电复位,这里省略掉一个按键开关,因为通过断电重启即可复位,实际用户并不需要用到这个按键开关。

STM8L系列内部包含了16MHz高频振荡器和38kHz低频振荡器,虽然精度不一定很高,但是对于一般的应用来说够用,本电子制作针对的是几个小时的手机充电控制,采用内部16MHz高频振荡器精度足够了。经过实际测试发现,16MHz高频振荡器8分频后的计时误差只有0.88%,计时5小时大约相差2.6分钟。通过改进代码和补偿,还可进一步减小误差。

不同于STM32系列单片机,STM8系列需要用SWIM接口进行调试,用串口下载程序也比较复杂。

从原理图可以发现,所有的IO口都被占用了,这实属无奈。LCD液晶屏驱动需要用到14IO口(讲到这部分时详述),LCD背光占用1个,按键开关占用1个,电压测量占用1个,MOSFET通断控制占用1个,这样一共需要18IO口。而STM8L051F3P6只有20个引脚,去掉两个电源引脚,恰好剩下了18IO引脚,这其中还包含了SWIM调试接口、RESET引脚。这就需要将SWIM调试接口、RESET引脚复用为IO引脚。

SWIM调试接口在复位时处于上拉输入状态,复位后释放,即可以设置为推挽输出状态,实际测试可行。

RESET引脚就比较麻烦了。因为下载程序需要用到RESETSWIM两个引脚。STM8L需要通过SWIM下载器在通电状态下给RESET口一个低电平信号复位后才能通过SWIM接口下载程序。而RESET引脚复用为推挽输出后,给RESET口一个低电平信号就没用了,必须重新上电复位才能复位,如下图所示。

10 配置NRST/PA1为输出的方法

但一旦上电复位后,RESET引脚又被设置为推挽输出了。那么问题来了,怎么下载程序呢?

想到了一个方法就是,在设置RESET引脚复用为推挽输出之前先延时一段时间,比如延时5秒钟,那么重启后,RESET引脚首先处于正常状态,那么利用这段时间就可以下载程序了。在代码最终确定之前可以这么做,发布代码前把延时代码去掉即可。

注意:PC0\PC1两个IO口是真开漏输出的,即不能配置为推挽输出,需要加上拉电阻才能输出高电平。在PCB打样回来之后才发现这一点,已经来不及更改了,导致了作品有点瑕疵(在讲到LCD驱动时详述)。

3)段式LCD驱动电路

11 段式LCD驱动电路(S3\S4要接上拉电阻)

勘误:首先指出本版本电路设计的一个错误,STM8LPC0\PC1这两个IO口是真开漏输出的,驱动外部设备时需要加上拉电阻。

为什么不采用专用驱动芯片或者带LCD驱动器的STM8L芯片?原因是考虑到专用驱动芯片占用空间大,而且价格也不便宜。而带LCD驱动器的STM8L芯片价格都较高,使得将电子制作总成本控制在8元以内难以实现,迫不得已,才选择了用MCU管脚直接驱动LCD,好在驱动效果比较令人满意。

LCD显示屏的驱动与LED的驱动有很大的不同。对于LED,在其两端加上恒定的导通或截止电压便可控制其亮或暗。而LCD的两极不能加恒定的直流电压,否则,会使液晶产生电解和电极老化,从而大大降低液晶显示屏的使用寿命,所以,液晶显示屏必须采用交流电压进行驱动,并且限定交流成分中的直流分量不大于几十毫伏。可以做个实验,如果把恒定电压加到LCD的一段上,该段会显示一下,但马上不能显示(来源于网络文章《单片机IO口直接驱动段式LCD的方法》,作者不详)。

液晶单元是容性负载,液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计,是无极性的,即正压和负压的作用效果是一样的(来源于《段码液晶显示屏的驱动方式》,作者:大连佳显电子有限公司)。比如给液晶的某两极之间加+3.3V-3.3V,都可以显示,效果一样。

段式LCD就是由一段一段的笔画构成的LCD。按驱动方式可分为静态驱动方式的段式LCD和动态驱动方式的段式LCD两种。静态驱动方式较简单,但占用引脚较多,适合于笔画比较少的情况。本电子制作选择的是动态驱动方式的LCD

动态驱动方式的LCD有两个关键参数,分别是占空比(Duty)和偏置电压(Bias),比如本电子制作选择的是1/4 Duty1/3 BiasLCD。什么意思呢?简单来讲,1/4 Duty就是有4个公共引脚,就是COM口,因为需要分时复用,所以每个COM口显示时间占总显示时间的比例就是1/41/3 Bias是指,要使得某一段显示,这一段的电压差要大于液晶屏工作电压的1/3。本电子制作选用的LCD工作电压为3.3V,那么要使得某一段显示,就要在该段上施加大于±1.1V的电压。

1/4 DutyLCD,有的是1/2 Bias的。这也是包括STC官网、网上绝大多数关于LCD驱动的文章所用的LCD。对于1/2 BiasLCD,驱动电压等级只有三种,即01/2 VCCVCC。该方式用单片机很容易实现。至于为什么不选择这种LCD,原因一是找不到合适的这种方式的LCD,二是这种LCD的显示效果没有1/3 Bias的好。

对于1/3 BiasLCD,驱动方式就复杂了,需要单片机产生四种电压,即01/3 VCC2/3 VCCVCC,我们都知道,单片机的引脚最多产生两种电平,即0VCC,那么怎么产生4个梯度的电压呢?幸好,LCD的驱动电流极小,只有uA量级,可以直接用单片机的IO口驱动。一个IO口只能产生2个状态,那么两个IO口呢?不就能产生4个状态了吗。该思路并非本人独创,而是来源于《用单片机直接驱动液晶显示器》(作者鲍健)。在此,对该文作者鲍健表示感谢。

12 MCU直接驱动段式LCD电路示意图

该文巧妙地设计了利用MCUIO口实现4种电平状态的方法。如图所示,com1~com4分别是4个公共端,top1~top nn个笔画段,这两种管脚分别多用一个MCU的引脚。比如本电子制作选用的LCD12个引脚的,则占用MCU14个引脚。

以图中的bc管脚为例,当b为低电平、c为低电平时,com10;当b为高电平、c为低电平时,com11/3 VCC;当b为低电平、c为高电平时,com12/3 VCC;当b为高电平、c为高电平时,com1VCC;这样就输出了4种状态的电平了。事实上,com1~com4之间的电平状态有对应关系,以实现每一时刻只有一个com口能点亮LCD,因此不需要每个com口都多用一个MCU引脚。

4个状态的电平有了,那么怎么组合才能点亮LCD呢?对此,鲍健所著论文采用的方法是LCD某一笔画要点亮,需要加最大值的电压,即±VCC,而不点亮时,加±1/3 VCC的电压。我们通过下面这个具体的波形图来分析。

13 LCD显示数字时的管脚波形图

该波形图对应于LCD显示数字“5”。每4个时钟周期(此处不是MCU的时钟)为1个帧(frame),该帧频率一般为几十Hz。在这个帧时间内完成所有数字笔画的显示。LCD的显示需要用交流电压,因此在每一个时钟周期内,任意笔画两极之间的电压从正到负切换一次,这样直流分流为零。

在前1/4帧内,引脚c与引脚def的极性相反,则COM1输出的电平依次为0+VCC,其余COM口依次输出+2/3 VCC+1/3 VCC。与COM1相连接的笔画有PDDSEG0相连,PSEG1相连。

首先分析D段。D段需要显示,则SEG0依次输出+VCC0,以此在SEG0COM1之间依次形成+VCC–VCC电压。但是SEG0COM2COM3COM4之间都有笔画,1/4帧为COM0有效的时间,要确保只有与COM0相连接的笔画才显示,那么SEG0COM2COM3COM4之间的笔画是否显示呢?由波形图可见,SEG0COM2COM3COM4之间形成的电压都相同,依次为+1/3 VCC–1/3 VCC,等于LCD显示需要的电压阈值,这些段不显示。

再来分析P段。P段不显示。SEG1COM1~COM4都有连接,需要设置SEG1的电压,使得SEG1COM1~COM4之间的电压都小于等于±1/3 VCC,从波形图很容易看出,SEG1依次输出+1/3VCC+2/3 VCC时,可保证与COM1~COM4之间的电压为±1/3 VCC,则P段不显示。

在第2/4帧内,分析方法与前1/4帧的分析类似。此阶段,COM2有效,则COM2输出最大幅值的电平,依次为0+VCC,其余COM口依次输出小幅值电平,依次为+2/3 VCC+1/3 VCC。与COM2相连的C段显示,而F段不显示。则C段输出最大幅值的电平,依次为+VCC0F段输出小幅值电平,依次为+1/3 VCC+2/3 VCC

3/4帧和4/4帧的分析方法与上述类似。只要记住显示的原则是LCD某一笔画要点亮,需要加最大值的电压,即±VCC,而不点亮则加±1/3 VCC的电压。

从波形图可以看出,COM1~COM4的波形形状是一样的,只是波形依次延迟一个始终周期。编写程序时,该部分的波形产生代码可以固定。需要根据显示内容确定的代码为SEG段输出电平的代码。

4)电压采样电路

14 电压采样电路图

电压采样电路较为简单。因为测量的是+5V电压,超过了MCU的最高采样电压,所以采用两个高精度的电阻对待测电压进行分压后间接测量。由于PCB空间限制,没有采用电压跟随器等缓冲电路,而是直接用20K电阻连接MCUADC引脚。这样精度会受影响,但是对于实际居家使用而言,需要那么高精度的电压干嘛呢。事实上,电压测量只是作为一个附加功能,并不是本电子制作需要实现的主要功能。电压采样电路实现难点主要在于软件编程方面,详见软件工作原理部分。

5)电源供电电路

15 电源供电电路图

本电子制作力求简单、实用,对于电源部分也是如此。该电源很简单,只需要一个LDO21uF电容即可。实际中,由于USB接口本身具有防反插功能,这里就不在电路中实现电源防反接功能了。而整个电路的供电并不需要很好的纹波指标,因此去掉了电感等滤波电路部分。整个电路耗电量极小,也不需要保险丝。TVS管对于本电子制作也是显得多余了。

6、软件工作原理

1STM8L实现低功耗对应的软件部分

STM8L为低功耗产品,功耗和系统时钟频率紧密相关,经过测试发现,将频率设置为复位默认值2MHz功耗比较低,频率再降低,对功耗的降低作用不大。

AD采样测量电压很耗电,STM8L参考手册中给出的耗电指标如下图所示。

16 ADC耗电指标

由图可见,ADC耗电量达1.5mA,因此在软件设计时,要尽量降低电压测量频率,本制作的电压采样频率为10Hz,每十秒钟测量一次电压并显示。测量完毕后,立即关闭ADCADC的时钟。

17 关闭ADC以节省电能

由于时间仓促,本次制作没有探究STM8L如何工作在低功耗模式下,目前只知道在低功耗模式下ADC不能使用,待下一版电路改进时再仔细研究。

2)电压采样关键代码

采用的方法是用内部VREF电压作为基准,再测量ADC上的电压。VREF在工厂生产阶段就有一个测量值,该值可通过VREFINT_Factory_CONV字节读出。注意工厂测量时使用的VDD=3.0V。测量时,先测出VREF的值,再反算出VDD值,再根据ADC上的电压,计算出实际需要测量的值。

7、PCB

1PCB设计图

aTop Layer1

bTop Layer2

cBottom Layer1

dBottom Layer2

e3D视图1

f3D视图2

18 PCB设计图

2PCB打样图

a)带包装

b)正面

 

c)背面

19 PCB打样图

3PCB焊接完成图

20 PCB焊接完成图(四根线只是调试用,产品发布时去掉)

8、实测结果及作品演示视频

(1)重量测试结果

重量实测为17.4g。如下图所示。

21 重量实测结果

(2)耗电量测试结果

测量仪器为:万用表,型号为Fluke 287C

如图所示,在定时器正常工作后,在5V电之间接入万用表的电流测试档,测量结果为最小值为1.081mA,最大值为1.119mA。可见,满足提出的1mA指标。如果采用STM8L的低功耗模式,预计耗电量可进一步降低。

a)电流测量接线

b)电流测量最小结果

c)电流测量最大结果

22 耗电量测试结果

电流测量的视频如下


(3)电压测量测试结果

测量仪器为:万用表,型号为Fluke 287C

通过测试结果可以看出,定时器测得的电压与万用表测得电压在小数点后两位上有差异,说明定时器测得的电压精度还是可以接受的。

a)定时器测得的电压

b)万用表测得的电压

23 电压测量测试结果

电压测量测试的视频如下


4MOSFET导通电阻测量结果

测量仪器为:万用表,型号为Fluke 287C、钳形电流表,型号为Fluke 342

24 USB充电电流

 

25 MOSFET导通电阻测量结果(不好的结果)

 

a)接线图

b)电压值

26 MOSFET导通电阻测量结果(较好的结果)

电阻测量结果解释:

测量电阻时,为了使得测量结果尽可能准确,要使得充电电流尽可能大,因此接入的是本人可拍照的手机,充电电流为1A。因为只有一个比较精确的万用表,就用这个表测mV电压,而用专门测量小电流的钳形电流表Fluke 342测量电流。

Fluke 342测量结果可知,充电电流为0.977A。第一次测量电压,测量的是包含两个USB公头和母头、外围导线之间的电压,测量结果吓一跳,电压竟然有120mV。猜想,USB公头和母头、外围导线的电阻太大,又测量了MOSFET(包含大约1cm长度的铜箔)漏极和源极之间的电压,这次电压值为7.981mV,算下来电阻为

Rtotal=7.981/0.977=8.17 (mΩ)

还是很大。为什么呢?

别忘了铜箔是有电阻的,我们来算一算。铜的电阻率为0.018(Ω*mm2/m),铜箔的厚度为1oz(即0.035mm),图中万用表两表笔之间的铜箔长度大约为10mm,铜箔宽度为1mm。那么铜箔的电阻为

Rcopper=电阻率*长度/面积=0.018*0.01/(1*0.035)=5.14 (mΩ)

MOSFET导通电阻为

Rmosfet =Rtotal - Rcopper=3.03 (mΩ)

测量结果考虑的因素较单一,结果可能并没有这么好,但是不会相差太远。这说明本电子制作的5mΩ导通电阻指标已达到。

这也说明要使得这么小的导通电阻有意义,需要尽量减小不必要的电阻。可以采取的措施包括减小MOSFETUSB公头和母头之间的导线长度、USB公头和母头内部采用铜片作导体等。

5)完整功能演示

完整的功能演示视频如下:

9、元器件清单(BOM)

本电子制作需要的MOSFET在国内各大网上电子商城均没找到,淘宝上有,但怕买到假货,于是在Mouser上采购了一批(搭配采购了STM32F7芯片、STM8L Discovery开发板,凑齐免邮费需要的金额)。除小贝贝开关、段式LCD、外壳在淘宝采购外,其余器件均在立创商城采购。

主要元器件清单如下表所示。价格较高的元器件分别是LCD屏、MCUMOSFET。通过列表中的价格和数量可以计算出量产单价约为8/个。

3 主要元器件列表

名称

型号

指标

封装

价格

数量

购买地址

MCU

STM8L051F3P6

TSSOP-20

最低约¥2.2/

1

立创商城

编号C57363

P沟道MOSFET

DMP2006UFG

4.2 mOhms

@ VGS = -4.5V

POWERDI3333-8

最低约¥1.6/(Mouser 50000+)

1

Mouser

LDO

XC6206P332MR

Iq=1uA

SOT-23-3

最低约¥0.2/

1

立创商城

编号C5446

三极管

PMBT3904

NPN

SOT-23-3

最低约¥0.02/

2

立创商城

编号C8667

电阻(0.1%

台湾厚声

10K 25ppm

0603

最低约¥0.07/

2

立创商城

编号C39050

侧按轻触开关

小贝贝

2*4*3.8

2*4*3.8

最低约¥0.1/

1

淘宝

USB公母头

最低约¥0.1/

2

立创商城

编号C42494

C9739

段式LCD屏(含背光)

1/4 Duty

1/3 Bias

3.3V电压

最低约¥2.50/

1

淘宝

外壳

最低约¥0.50/

1

淘宝

PCB底板

1.6mm

3cm*5cm

最低约¥0.50/

1

立创PCB

(列表中未包含5%精度的电容、电阻,该部分价格很低,数量少,对总价影响可忽略不计)

 

10、      总结

1)本次电子制作耗费了自己比较多的时间和精力。时间主要花在了以下三方面。

元器件选型。特别是MOSFET的选型,查找了大量现有的MOSFET型号,反复比较价格、参数,也设想过用多个价格低、导通电阻高的MOSFET并联来降低导通电阻的方法。LCD选型及外壳选型也占用了大量时间。

LCD液晶驱动。之前没有想到LCD驱动会很麻烦。首先是焊接0402*4的排阻非常困难,由于焊盘设计得比较小,出现有些排阻虚焊的情况,调试时经常需要重新焊接。作为驱动引脚的PC0PC1引脚是真开漏输出的,PA1RESET引脚复用需要谨慎处理,事先设计时没有考虑这些因素,这些都给调试带来了麻烦。1/3 BiasLCD驱动方法复杂,写程序也花了较长时间。

文档撰写。文档撰写是一个总结、提高的过程,通过撰写文档,能对做的东西进行归纳、总结,有助于把问题想得更加细致,思考得更加深入。为了把整个电子制作的过程讲得尽可能详细,花费了较多时间。

2)调试过程中遇到的问题。调试过程中遇到了许多问题,值得一提的有以下4点。

PCB设计时未充分考虑焊接存在的困难,把0402*4封装的排阻焊盘、MOSFETPOWERDI3333-8封装的焊盘设计得过小,使得焊接非常困难,焊接排阻花费了大约2个小时的时间,并且用的是性能优良的白光电烙铁。

STM8LPC0PC1是真开漏输出的,设计PCB时没有考虑到这一点,导致作品有瑕疵。

key = GPIO_ReadInputDataBit( )函数获取按键状态,判断按键是否按下用的语句是if(key == SET),但判断始终出错,花费了大约2个小时,才通过硬件调试发现问题所在。原来这里key返回的并不是SET(=1),而是0x40,是函数库的一个bug,需要用if(key != RESET)判断。以后要养成习惯,判断是否为0,就直接和0做比较,而不要和1做比较,以防出现意想不到的错误。

100K200K排阻的精度需要进一步提高至1%。因为测试COM口的电压发现,有的COM口产生的1/3 VCC2/3 VCC电平与标准值1.1V2.2V有偏差,导致有的字段显示出现鬼影现象。通过分析,怀疑与分压电阻精度有关。

3)致谢

感谢主办方嘉立创举办这么好的一个比赛。立创商城和立创PCB一直是我买电子元器件和PCB打样的首选,一想到从这里买元器件,就非常放心。最初结缘立创商城是通过立创商城下载元器件的资料,非常方便。后来尝试在立创商城购买元器件,发现元器件在保证是正品的同时价格还很便宜,是科研院所购买小批量电子元器件的理想商家。每次遇到别人想购买元件时,我总是极力推荐立创商城。今年上半年参观慕尼黑上海电子展时,特意跑到立创商城展柜询问相关情况,还获得了免费的一盘电阻,爽爽的感觉。

本次电子制作节涌现了许多优秀作品,值得我去学习、研究,也给了我一个展示作品的机会,如果能得到众多电子高手的指点,将得到一笔宝贵的财富。

11、      附件

1)制作文档

手机定时充电控制器-小电子.rar

2)原理图

原理图.rar

(3BOM

BOM_ChargingController.zip

该帖子已被小电子于Thu Nov 03 13:43:37 CST 2016编辑过
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红尘客
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发表于Wed Nov 02 14:27:27 CST 2016   |  只看该作者 2#

不懂电池,你确定长时间充电会影响锂电池的寿命,如果是,这么多软件和手机为什么不限制,而需要加个外挂!

他们很容易做到吧!

◆爱浦电源模块, 网线, 水晶头, 语音合成(SYN6288), 电源滤波器(ACM7060), 万用表(UT890C+), 旋转编码开
小电子
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发表于Wed Nov 02 14:49:21 CST 2016   |  只看该作者 3#
红尘客 发表于 Wed Nov 02 14:27:27 CST 2016  2# 不懂电池,你确定长时间充电会影响锂电池的寿命,如果是,这么...

谢谢提的意见。这确实是一个问题,现在我没有数据表明一直连着手机充电器会对手机电池寿命有影响。这方面需要调查研究。

使用这个定时控制器至少可以放心地在晚上对手机充电。

并且用途不限于此,只要是利用USB数据线供电的设备都可以用它来控制供电时间。

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香橙批
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发表于Thu Nov 03 09:34:11 CST 2016   |  只看该作者 4#

电压采样分压电阻可以用2个200K,可以节省不少电流。

MOS驱动的Q3 R8可以用LMUN2211LT1G 代替,


小电子
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发表于Thu Nov 03 09:57:36 CST 2016   |  只看该作者 5#
香橙批 发表于 Thu Nov 03 09:34:11 CST 2016  4# 电压采样分压电阻可以用2个200K,可以节省不少电流。 MOS驱动的...

非常感谢,很好的建议。之前不知道还有这种带阻三极管,这样元件的体积又可以减少了。

另请教一下,用200K分压,对ADC的驱动能力够不够呢?之所以采用两个10K电阻,

是因为考虑到ADC有输入电阻,如果分压电阻阻值过大,怕会影响测得的电压

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广州冠图模...
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发表于Thu Nov 03 16:08:12 CST 2016   |  只看该作者 6#
写得很不错
为电子设计保驾护航,找优质的模块电源供应商-广州冠图电子: https://shop112671822.taobao.com
小电子
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发表于Thu Nov 03 16:19:46 CST 2016   |  只看该作者 7#
广州冠图模块电源 发表于 Thu Nov 03 16:08:12 CST 2016  6# 写得很不错
谢谢鼓励,有什么意见和建议,欢迎提出。
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lafa
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发表于Sat Dec 31 19:16:45 CST 2016   |  只看该作者 8#
很不错
小电子
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发表于Sat Dec 31 20:01:28 CST 2016   |  只看该作者 9#
lafa 发表于 Sat Dec 31 19:16:45 CST 2016  8# 很不错
谢谢支持,还请多提宝贵意见。
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條碼設備
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发表于Sun Jan 01 22:06:50 CST 2017   |  只看该作者 10#

不错 楼主对低功耗研究果然比较下功夫

采样电阻用10K电阻分压确实有点费电

可以用大一点的, 我用的两个1M分压

对ADC精度的确有影响 但影响是线性的 可以通过软件补偿


条码,二维码设备.有线,无线,蓝牙扫码枪,无线盘点机,WIFI盘点机,GPRS盘点机.
小电子
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发表于Mon Jan 02 17:50:38 CST 2017   |  只看该作者 11#
條碼設備 发表于 Sun Jan 01 22:06:50 CST 2017  10# 不错 楼主对低功耗研究果然比较下功夫 采样电阻用10K电阻分压确...
谢谢提的宝贵建议。以后试试你说的方法
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8210288
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发表于Tue Mar 14 19:15:09 CST 2017   |  只看该作者 12#
谢谢楼主分享开发经验,文采不错,写的很好,赞!
广州冠图电...
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发表于Tue Mar 14 19:42:29 CST 2017   |  只看该作者 13#
很不错
q484165838
小电子
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发表于Thu Mar 16 15:14:11 CST 2017   |  只看该作者 14#
8210288 发表于 Tue Mar 14 19:15:09 CST 2017  12# 谢谢楼主分享开发经验,文采不错,写的很好,赞!
多谢!欢迎提出宝贵意见!
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XDoraemon
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发表于Wed Aug 16 21:05:53 CST 2017   |  只看该作者 15#
请问有代码可以看看吗
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