Последние 9 месяцев мы разрабатывали Wiren Board — компактный индустриальный компьютер с множеством встроенных интерфейсов (Wi-Fi, GPRS, GPS, NFC, Ethernet и т.д.) Мы уже писали о нём, и взяли кучу пожеланий и отзывов. В итоге в новую версию было внесено большое количество трансформаций, и эта статья про самые большие из них.
Смотрите кроме этого: Открываем исходники Wiren Board

Сейчас мы решили сделать серьёзный ход в развитии платформы Wiren Board: открыть исходные файлы платы Wiren Board 2.8. Open Hardware — относительно новый тренд в мире разработки железа. Но именно он разрешает дать старт десяткам начинающих разработчиков и новых проектов.Сама платформа Wiren Board создавалась с применением open hardware процессорного модуля — Olinuxino Micro.

Это существенно снизило для нас “порог вхождения”: мы применяли готовый модуль от стороннего производителя, и одновременно с этим имели возможность не опасаться прекращения его производства, ценовой политики и т.д.

Если сравнивать с апрельским прототипом на плате показались 2 USB-host, интерфейс RS-485 и разъём с 8 GPIO. Также мы сделали новую схему питания, поддерживающую входные напряжения от 5 до 22 вольт, Passive PoE и подключение Li-Pol аккумулятора, добавили управление низковольтной нагрузкой и аналоговые входы на клеммниках.Как мы это делали, с какими трудностями столкнулись и что оказалось в итоге — просматривайте в отечественной статье.Что и где на плате?

Wiren Board со снятым процессорным модулем:Внутренняя сторона, в большинстве случаев закрыта процессорным модулем:выходы и Аналоговые входы В новой версии Wiren Board мы добавили возможность подключения аналоговых датчиков и сигналов (цифровых, резистивных, датчики типа “сухой контакт”), конечно управление низковольтной нагрузкой.Применяемый нами SoC имеет два 12-битных канала АЦП неспециализированного пользования. Дабы расширить количество дешёвых каналов АЦП, мы используем мультиплексор SN74HC4851, что соединяет один из 8 каналов с входом АЦП процессора.Один канал АЦП употребляется для измерения напряжения питания, семь выведены через резисторы на клеммники.

Для защиты выходов от повышенных напряжений хватает резисторов, поскольку мультиплексор имеет встроенные защитные диоды. Канал АЦП у отечественного SoC имеет программируемый источник тока.

Значения резисторов были подобраны так, дабы при подключенном источнике тока иметь возможность измерять сопротивление резистивных датчиков.Для управления низковольтной нагрузкой (двигатели, светодиодные ленты, замки и т. д.) комфортно применять выходы типа «открытый коллектор» (см. рис.)Для экономии места аналоговые входы были объединены с каналами управления низковольтной нагрузкой. Недочётом для того чтобы решения есть маленькой ток, текущий через закрытый выход при напряжениях выше 3.3 В. Приключения с питаниемСтояла задача придумать схему питания для платы. Требования к схеме питания предъявляются такие:

1. Выходной ток по шинам 3.3В и 5В не меньше 500мА для подключения USB, UEXT-модулей и другого.
2. Для питания GSM модема необходимо обеспечить напряжение от 3.5В до 4.6В, с импульсными токами до 2А и просадками по напряжению не более 300мВ.
3. Возможность работы от Li-Ion аккумулятора, зарядка аккумулятора. Защита аккумулятора от переразряда.
4. Расширенный диапазон входного напряжения, не меньше 5-15В.

Другие условия:

1. Не применять чипы в корпусах без ножек — QFN, DFN и аналогичных — монтировать их в Российской Федерации ну весьма дорого
2. Низкая цена
3. Минимальные габариты

Ответ:Так как предполагается питать схему и от аккумулятора, то для линии 5В без повышающего DC-DС преобразователя не обойтись. Была выбрана недорогая микросхема NCP1450 (как выяснилось позднее, не лучший выбор). Это step?up DC-DC преобразователь с внешним транзистором.Напряжение на Li-Pol аккумуляторе 2.7..4.2В, но «плато» на кривой разряда находится в районе 3.7В. Исходя из этого для получения 3.3В в полной мере возможно применять LDO.Мы выбрали линейный регулятор MCP1826, он снабжает ток до 1А.

Учитывая требования GSM-модема по току и напряжению, его направляться подключать конкретно к аккумулятору. И лучше добавить побольше конденсаторов. Итак, пока складывается схема, в которой всё подключено к аккумулятору.А дальше уже не так разумеется.Для зарядки аккумулятора требуется особая микросхема, которая будет верно его заряжать.

Заряжать простым DС-DC запрещено, по причине того, что нужно с высокой точностью поддерживать постоянное напряжение (4.2В) и ограничивать ток зарядки (режим CC/CV). Но для возможности работы без аккумулятора не обойтись без понижающего DC-DC преобразователя!Для разрешения этого несоответствия применяют совокупности управлением питания.В нашем случае это бы смотрелось приблизительно так:Но таковой вариант не устроил нас по цене и занимаемой площади.Мы решили сделать финт ушами и пошли вторым методом.LTC4002 — простой и недорогой зарядник Li-Ion аккумуляторная батарей c ШИМ-контроллером, трудящийся как понижающий DC-DC преобразователь.

Зарядник трудится в режиме constant current/constant voltage: он поддерживает постоянный ток зарядки, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет 4.2В. Затем он поддерживает на аккумуляторе постоянное напряжение 4.2В с громадной точностью.Ток зарядки микросхема определяет, измеряя посредством входа SENSE падение напряжения на внешнем резисторе R_sense.

Затем ток зарядки устанавливается равным I_c = 100мВ/Rsense.Для маленьких аккумуляторная батарей на 1500-2000 мА*ч зарядный ток не должен быть больше 500-700 мА, а схема питания обязана снабжать до 2 А в импульсном режиме для GSM модуля. Дабы в один момент выполнить эти два условия, нужно “одурачить” LTC4002.Применяя два резистора Rsense получаем того, что зарядный ток аккумулятора образовывает не более, чем 100мВ/(R1+R2), а ток в нагрузку до 100мВ/R1.Контролируем: травим платку с схемой питания, собираем, все замечательно трудится.

Напряжение выдает как нужно, аккумулятор заряжается.Чудеса 1Заказываем плату в Резоните, собираем всю схему, включаем — не работает.Наблюдаем осциллографом — узнается, что NCP1450 (повышающий преобразователь 5В) выдает необходимое напряжение, но не ток 🙂 Без нагрузки на выходе 5 вольт, как и надеется. Но маленькая нагрузка в 10 мА — и напряжение падает до входного.В линии питания нужен керамический конденсатор максимально близко к ножкам NCP1450, как и рекомендовали в даташите 🙂 1 см от ножек — и уже не работает.

Ещё необходимо дабы выходной конденсатор был не меньше 330 мкФ. Капризная микросхема, в следующей версии поменяем.Хорошо, припаяли конденсаторов побольше — трудится.Чудеса 2Надеваем Олинуксинку (отечественная процессорная плата — OLinuXino-MICRO), включаем — не работает. Выключаем, включаем обратно — трудится.Включается случайно с возможностью ~ 50%.

Волшебство.Обстоятельство: Зарядник LTC4002 имеет умный режим зарядки полумёртвых батарей, при котором он пробует заряжать аккумулятор током в 10% от номинального (режим trickle сharging).Режим включается при напряжении на аккумуляторе меньше 2.9В, а повышающий преобразователь на 5В начинает трудиться от 2.2В.В этот самый момент кто стремительнее: в случае если LTC4002 успевает зарядить выходные конденсаторы до 2.9В стремительнее, чем преобразователь начнет трудиться, то питание включится и дальше будет трудиться нормально. Если не успеет, то NCP1450 начинает потреблять ток, напряжение не доходит до 2.9В, и LTC4002 вычисляет отечественную совокупность мёртвой батарейкой, не увеличивая ток.Доводим до умаПридётся собирать схему, которая будет отключать нагрузку , пока напряжение не вырастет до 3В, дабы “проскочить” режим trickle-charging у LTC4002.Что ж, ставим биполярный транзистор со сверхнизким падением напряжения и трехвыводной стабилитрон (он же программируемый источник опорного напряжения, он же shunt regulator) ему на базу.Резистор R3 задает базисный ток, делитель R4-R5 устанавливает пороговое напряжение включения, а хорошая обратная сообщение через R6 формирует маленькой гистерезис включения-выключения — 3.1-2.9В.

Резистор R7 снабжает минимальный ток катода. Заодно такое ответ защитит аккумулятор от переразряда и разрешит сделать кнопку выключения. Одним палкой решаем три неприятности!Чудеса 3Продолжаем тестирование платы со схемой питания.Входное напряжение 5В — все трудится!

12 вольт — перестает трудиться NFC, не имеет возможности вычислять карточку :((Обстоятельство: схема питания формирует сильные помехи, мешающие трудиться NFC.Может, дело в неэкранированных катушках?Ок, перевернём катушки набок, дабы их линии поля стали перепендикулярны антенне NFC.Контролируем. 12 вольт — трудится, 22В (подаем питание через PoE) — не работает.

Значит нужно будет ставить экранированные катушки, хоть они и вдвое больше.Хорошо, ещё добавим фильтрующие конденсаторы в необходимые места схемы питания.И сейчас NFC трудится во всем диапазоне входных напряжений.Чудеса 4Контролируем работу под нагрузкой на линиях 3.3В и 5В по 0.5 А. ИК-термометром контролируем температуру элементов, плата мало греется, но всё в разумных пределах.Но при 22В за десять секунд сгорает диод Шоттки.Диод PMEG3010 — на 30В 1А. В схеме step down преобразователя чем больше напряжение, тем больший ток течет через диод при той же выходной мощности.Ок, поставим диод замечательнее.О пользе чтения даташитовПерерисовываем плату под экранированные катушки, добавляем фильтрующие конденсаторы, максимально укорачиваем дорожки с импульсными токами.

Сгоревший диод Шоттки меняем на 2-ух амперный, переносим его на внешнюю сторону и рисуем ему полигоны для лучшего охлаждения.Тестируем плату — диод сгорает за те же 10 секунд :(( Самое время пристально прочесть даташиты на эти диоды.Пристально рассматривая графики, подмечаем, что обратный ток через диод Шоттки экспоненциально зависит как от температуры, так и от приложенного напряжения. И при напряжении 22В у диода на 30В обратный ток не таковой уж и мелкий.

Механизм пробоя приблизительно таковой: до тех пор пока диод холодный — обратный ток весьма мелкий, и диод нагревается лишь прямым током. Диод мало нагрелся — обратный ток возрастает и увеличивает нагрев.

Температура растёт — ток ещё больше.И вот — конец и лавинообразный рост температуры.На практике это выглядит так — включаем, диод холодный, теплый, ещё теплее, сгорел.В общем, нужно весьма пристально просматривать даташиты и не верить тому, что пишут на первой странице.Лирическое отступлениеВ этом месте хочется передать пламенный привет инженерам-маркетологам NXP, каковые фактически эти даташиты пишут. Вот к примеру диод Шоттки PMEG4050.

Заявленные характеристики: 40V обратное напряжение, 5А большой ток. Выглядит хорошо!Но в случае если прочесть, что именно написано небольшим шрифтом, то выяснится, что 5А измерены при температуре воздуха 0 градусов (sic!) для диода, напаянного на керамическую печатную плату. Вот спрашивается, из-за чего было не написать честные 3 ампера в чертях?

Тайная.В итоге ставим диод с напряжением 40В, схема трудится стабильно и без перегрева. Взяли работоспособную схему питания, которая и употребляется в первой серии устройств.ПланыНесмотря на то, что в итоге мы взяли недорогую и стабильно трудящуюся во всем диапазоне схему питания, у нас уже показалась пара идей, как её возможно улучшить. Во-первых, возможно заменить линейный стабилизатор для линии в 3.3В на компактный понижающий DC-DC преобразователь.

Помимо этого, возможно поменять повышающий преобразователь для линии 5В на менее требовательную и более высокочастотную микросхему. Такое преобразование мало повысит эффективность и высвободит место на плате для ещё какого-нибудь модуля.ЗаключениеПодробное описание Wiren Board и wiki с документацией тут.Первую маленькую партию из 55 Wiren Board мы собрали в Российской Федерации и распространяем их среди пользователей и разработчиков. С нетерпением ожидаем ваших отзывов!UPD: устройства из первой партии ещё остались, их возможно приобрести у нас на сайте —Команда Wiren Board

Случайная статья:

• Повышение энергоэффективности инфраструктуры цод: «световой» микрочип и вертикальная экспансия
• Обзор материнской платы gigabyte ga-f2a88xm-hd3

AlienBoard M9 Smart Balance Board — Limited Edition Gold Plated

Похожие статьи:

• Wiren board 5: что мы изменили в “начинке” контроллера для автоматизации

  Всем привет! Сравнительно не так давно мы писали о том, что выпустили новую версию контроллера для автоматизации — Wiren Board 5. Сейчас мы детально…

• Новогоднее тестирование wiren board

  В то время, когда мы выпустили Wiren Board — компактный индустриальный компьютер c Wi-Fi, GPRS, GPS и NFC — многие задавали вопросы у нас, контролировали…

• Wiren board 5: снова на хабре с новой версией контроллера для автоматизации

  Всем привет!Мы в далеком прошлом не писали на Хабр (что уже не тот), но в конце прошлого года выпустили новую версию Wiren Board — контроллера для…