智能除味器--硬件方案：PCBA设计

Posted 2022-01-10 三明治开发社区

基于涂鸦智能开发的一款低功耗嵌入式蓝牙模块TYBN1设计了一款超低功耗智能除味器。整个电路设计分为BLE主控，充电管理电路，稳压电路，升压电路，温湿度检测电路，电量采集电路，负载驱动电路等部分。

​ 注意：由于是电池供电设备，器件选型需要考虑功耗。

1、主控板设计

（1）原理图（点击下载）

（2）PCB（点击下载）

2、灯板设计

（1）原理图（点击下载）

（2）PCB（点击下载）

3、电源分析

（1）充电电路

​ 充电管理电路：XT2051是一款用于单芯锂离子电池的恒流/恒压充电电路。该器件包括一个内部功率晶体管，在应用中不需要外部电流检测电阻和阻塞二极管。XT2051需要最少的外部组件，并满足USB总线规范，非常适合便携式应用领域。
​ 充电指示灯：红色指示灯亮表示正在充电；绿色指示灯亮表示充电完成。

​ 为了防止电池温度过高或过低对电池造成损坏，XT2051内置电池集成电路温度监测。 电池温度监测是通过测量TEMP引脚电压实现时，TEMP引脚电压是在电池NTC热敏电阻和电阻分压器网络内，将XT2051的TEMP引脚电压与芯片的VLOW和VHIGH两个阈值进行比较，确认是否有电池温度超出正常范围。 XT2051中VLOW固定在30% × VIN中，VHIGH固定在60% × VIN中。 如果TEMP引脚电压VTEMP <VLOW或VTEMP> VHIGH，说明电池温度过高或过低，芯片暂停工作；如果TEMP引脚电压VTEMP介于VLOW和VHIGH之间，则充电周期将继续。

（2）稳压电路

​ 通过LDO稳压芯片MD5333使输出电压稳定在3.3V，给模组和温湿度传感器等供电。MD5333低压差（当芯片稳压输出3.3V，500mA时，输入输出压差一般为400mV），超低静态功耗电流（1.2uA），最高工作电压可达10V，适合需要较高耐压的应用电路。同时输出具有短路保护功能，有效防止芯片损坏。

选择这款稳压芯片的原因：（1）静态功耗超低（典型值1.2uA），对于电池供电的设备来说是一款非常合适的芯片；

​ （2）芯片稳压输出3.3V，输出电流达到500mA，可以满足给模组以及温湿度传感器等供电的需求。

（3）升压电路

​ 升压电路：通过SY7072AABC芯片（SY7072A是一种高效、同步、升压转换器）将电压升到5V，从而给风扇，臭氧发生器，负离子发生器供电。

​ 选择这款稳压芯片的原因：（1）静态功耗低（典型值5uA）；

​ （2）转换效率较高（如下图所示）。

（4）电池选型

​ 样机所用电池是网上买的一款锂电池，电池容量3600mAh，带电池保护板（防止过充/过放/短路/过流等保护），标称电压3.7V，充满电电压为4.2V的一款带NTC保护三线聚合物锂电池。

• 实物图

• 电池接口

​ 锂电池接到CN1接口处。

​ 样机中风扇，臭氧发生器，负离子发生器工作电流最大900mA，加上模组(工作电流最大13mA)和温湿度传感器芯片(最大1.5mA)等工作电流，总电流是小于2A的，因此选择3600mAh的锂电池是足够的。

电路中总工作电流理论值(按最大值计算)：Iw=LD0稳压芯片(静态消耗电流2.5uA)+SY7072AABC升压芯片（静态消耗电流5uA)+SHT30温湿度传感器(最大工作电流1.5mA)+蓝牙模组（最大工作电流13mA）+臭氧发生器（工作电流600mA）+负离子发生器（最大工作电流200mA）+风扇（工作电流100mA）+3个MOS管（每个MOS管工作电流66mA）+3个LED灯（每个工作电流约为320uA）=1114mA=1.114A

电路中休眠状态下电流理论值(按最大值计算)：Is=LD0稳压芯片(静态消耗电流最大值2.5uA)+SY7072AABC升压芯片（休眠时，升压芯片关闭，静态功耗理想值为0)+SHT30温湿度传感器(空闲状态下最大值2.0uA)+模组（低功耗状态下功耗240uA)=244.5uA

设备可以持续工作时间理论值（最小值）：Th=3600mAh/1114mA=3h

智能除味器工作在除味模式下：（采用电量测试仪测试，电压输出值3.9V）

工作在一档的时候，电路中实际总工作电流大小：Iwork1=816mA

工作在二档的时候，电路中实际总工作电流大小：Iwork2=1068mA

工作在三档的时候，电路中实际总工作电流大小：Iwork3=1475mA

智能除味器工作在保鲜模式下：（采用电量测试仪测试，电压输出值3.9V）

电路中实际总工作电流大小：Iwork=204mA

智能除味器在低功耗状态下：（蓝牙广播一直开着，此时APP未连接）

电路中实际低功耗电流大小：Isleep= 240uA

智能除味器在低功耗状态下：（连接上APP）

电路中实际低功耗电流大小：Isleep= 60uA

除味模式下：（臭氧发生器和负离子发生器是同时工作的）

设备可以持续工作时间实际值（最小值）：Time=3600mA/1475mA 大约2.44h

理论值与实际值有点偏差，属于正常现象。(理论值算的是平均值，实际值取的是最小值)

保鲜模式下：（负离子发生器工作，臭氧发生器不工作）

设备可以持续工作时间实际值（最小值）：Time=3600mA/204mA 大约17.65h

低功耗模式下：(未连接上APP)

设备可以待机时间（最小值）：Time=3600mA/240uA=15000h=625天 大约1.7年

低功耗模式下：(连接上APP)

设备可以待机时间（最小值）：Time=3600mA/60uA=60000h=2500天 大约6.85年

注意：测试过程中，由于所用仪器的原因，测试数据可能会有偏差。

4、传感器部分

（1）温湿度传感器

​ 温湿度检测我们使用SHT30-DIS温湿度传感器芯片。通过I2C协议进行通信，I2C时钟频率最高支持1MHz。芯片工作电压2.4~5.5V，湿度精度±2%RH，温度精度±0.3℃，封装8脚DFN。

湿度对臭氧的灭活率有影响，因此设计中加了温湿度传感器。（如下图臭氧空气消毒效果）

选择这款芯片的原因：（1）低功耗，温湿度精度较高；