ARM Laptopproject deel 3b: De elektronica (2/2)

Door C.Hariri op zondag 16 september 2012 19:31 - Reacties (16)
Categorie: -, Views: 7.500

http://i.imgur.com/2t7WV.png
Dit is het tweede deel van de elektronica post. Ik zal per onderdeel de vereisten herhalen die we in deel 3a hadden opgesteld. Vervolgens wordt de elektronica besproken die nodig is om daaraan te voldoen. Omdat het om een prototypelaptop gaat zal elk onderdeel minimalistisch en modulair zijn. We zullen minder ingewikkelde circuits prefereren, zelfs al leidt dit tot een lagere efficiŽntie. Ook kunnen we zo elk onderdeel afzonderlijk testen waardoor we fouten makkelijker op te sporen zijn en blijft de mogelijkheid voor updates open.

http://i.imgur.com/9zGKv.png
In het vorige deel hadden we berekent dat we 8 Li-Ion cellen nodig hadden om de 16 uur batterijduur mogelijk te maken. Deze batterijen kunnen op verschillende manieren gecombineerd worden tot een battery-pack. De ene manier is met alle cellen in serie. De batterijen gedragen zich dan als een spanningsdeler. Echter heeft niet elke batterij dezelfde interne weerstand waardoor we niet een laadspanning van 4.2V per cel kunnen garanderen. Een cell-balancing circuit verhelpt dit probleem maar voegt onnodige complexiteit toe.
Dit kan verholpen worden door al de cellen parallel op te stellen. Het potentiaalverschil op alle cellen is dan gelijk, de enige variabel is de stroomsterkte die afhankelijk is van de interne weerstand. Dit is een uitermate veilige oplossing, met als enige risico dat deze weerstand van een willekeurige cel nul nadert waardoor de hele boel kortsluit.
Een ander probleem is dat step-down regulators veel efficiŽnter zijn dan step-up’s. Het verschil is ongeveer 10 procent (80% tegen 90% volgens menig simulator), waardoor we wellicht niet genoeg zullen hebben aan 8 cellen. Hoe de efficiŽntie van deze circuits en capaciteit van de batterijen in praktijk zijn wachten we af. In het ergste geval zullen we cellen toe moeten voegen, maar omdat we met een parallelle constructie werken is dit triviaal.

http://i.imgur.com/al93C.png
Er wordt gebruik gemaakt van een MAX1736. De IC zoekt de maximale stroomsterkte op die geleverd kan worden en opereert op ongeveer 5V. We gebruiken enkele transistoren om deze te limiteren. De lader heeft een Enable-poort. Deze zullen we gebruiken in combinatie met een NTC om het laden te onderbreken indien de temperatuur te hoog is. Omdat dit een prototype laptop is, is de tijd die de laptop neemt om de batterijen geheel op te laden irrelevant.

http://i.imgur.com/xbz1n.png
Het systeem zal met de battery-pack gevoed worden indien de adapter niet aangesloten is. Het voltage (3.4 tot 4.2V) zal dus opgehoogd moeten worden tot 5 en 9V. Dit gebeurt met respectievelijk de MAX1709 en MAX1771. Van de laatste moeten er twee gebruikt worden omdat we per stuk niet aan de minimale stroomsterkte van 2A kunnen voldoen.

http://i.imgur.com/s9XDa.png
De elektronica van de batterijkant worden herbruikt indien de adapter is aangesloten. Omdat deze op 19V werkt moet de spanning eerst worden teruggebracht tot onder 5V. Hiervoor gebruiken we een LTC3891 circuit, dat maximaal 10A kan leveren. Een Power Power Path LTC4412 chip zal de adapter selecteren indien deze aanwezig is waardoor de batterij niet gebruikt hoeft te worden.

http://i.imgur.com/a3ddS.png
Een DS2745 zal de batterijstatus bepalen. De chip wordt al toegepast in enkele Linux-omgevingen (android telefoons) waardoor er minimale custom-software moet worden geschreven.

http://i.imgur.com/AWz9B.png
http://i.imgur.com/MunHv.png
Diagram van de bovengenoemde opstelling

We zullen zoveel mogelijk de referentie ontwerpen aanhouden. Functies die niet nodig zijn zullen uiteraard niet mee worden genomen. Elk onderdeel zal onafhankelijk kunnen opereren waardoor ondermaatse componenten gemakkelijk vervangen kunnen worden.

Met CADSoft Eagle is het schema ontworpen, deze ziet er als volgt uit:
http://i.imgur.com/NUcCk.png
Er is hier slechts 1 MAX1771 in opgenomen.

http://i.imgur.com/pLQH1.png
Het uiteindelijke ontwerp is minimalistisch en modulair. We kunnen zo elk afzonderlijk onderdeel testen waardoor we fouten makkelijker op te sporen zijn en blijft de mogelijkheid voor updates open. Zodra alle onderdelen binnen zijn zal het bord gebouwd worden. Tot die tijd hebben jullie de mogelijkheid om kritiek te geven ;)

Todo's:
- diodes zijn slechts placeholders, moet nagaan welke daar het meeste voor geschikt zijn.
- polariteit van o.a. caps. moet worden geverifieerd.
- pins doublechecken tov de datasheet.
- GDS mosfet en circuit in het algemeen doublechecken.
- bouwen en testen