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[家电] 洪剑USB风扇大改造-升级10000mAh电池+24W QC3.0快充+RGB灯光,附PCB文件和源代码

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发表于 2021-7-10 21:51:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 alszy 于 2021-7-22 22:05 编辑

去年论坛爱淘优惠购推荐了这个风扇,那时候没赶上14.9元的活动,花19.9买了个无电池USB供电的版本。
因为没有内置电池,需要一直插着USB使用,不太方便,一直想着要改造。
终于,过了一年之后,利用闲暇时间把控制板画出来了,于是有了这个帖子里的改造过程。

本帖采用介绍在上/图片在下的排版方式。

先上几张图看一下风扇的外观。
正面,全白的外观,底座上面有一个按键,可以在3个挡位之间切换
1.jpg

侧面,仰角可以调节,这是最低的位置
2.jpg

最高的位置
3.jpg

底部,由于买的是不带电池的版本,贴纸把18650电池盒覆盖了
4.jpg

拆开之后,控制板下方原来有一个18650电池盒,我把它切掉了,准备装上聚合物锂电池
5.jpg

底盖内侧,可以看到18650电池盒的盖子
6.jpg

自带的控制板,左上角的LTH7是LTC4054充电芯片(99%是假货),充电电流最大只有500mA,这是改造原因之一。

右上角的SOT-23 MOS管型号是SI2301,在USB没插上的时候,它会导通,将电池的电源连接到升压电路的输入端。
中间是SOT-23 MOS管是升压电路的主开关管,配合电感和SS14肖特基组成Boost电路,将电池的3.7V升高来驱动电机。
无字IC是个单片机,用于检测按键,输出PWM给升压电路等。

下面的SOT-23 MOS管型号是SI2302,用于输出断接。由于Boost电路有一个缺陷:不工作时,输入电压会经过电感和肖特基,流到输出端,这样关机之后电机还会转动,因此还需要一个MOS管在关机后把输出断开。
7.jpg

LTC4054简介,是个线性充电芯片
7.1.jpg

SI2301,常见小封装PMOS管
7.2.jpg

SI2301,常见小封装NMOS管
7.3.jpg

控制板背面,有按键和LED
8.jpg

改造原因二:原控制板的Boost电路是非同步整流,效率较低,改成同步整流可以提高电池续航时间;
改造原因三:原Boost电路性能较渣,最大挡位,风扇会偶尔停转大概半秒钟,买过这个风扇的应该都知道这个问题;
改造原因四:第一挡的风力大了些,不适合长时间吹。

下面是自己画的PCB,j**免费打的四层板
9.jpg

第二层,是全地层,有利于散热
10.jpg

第三层走各种信号线和电源线,电源线采用大面积覆铜。底层没什么元件,就不展示了
11.jpg

PCB回来之后,放进去试了下,大小正好。画两个螺丝孔的时候游标卡尺量了好久,一点都不差。电池是蜂语移动电源里面拆的,容量10000mAh
12.jpg

自己画的USB-C小板,注意上面有两个电阻
13.jpg

参考USB-IF官方的Type-C规范,现在常见的PD充电器都需要受电端(Sink)的CC1/CC2引脚有两个5.1k下拉电阻Rd,才会有输出
14.jpg

下面是Type-C接口的引脚定义,外观相同的一般定义都一样。取电时CC1/CC2需要分别接5.1k到地
15.png

自己做的控制板,焊接好的样子
16.jpg

充电芯片采用TI的BQ25890,可以软件编程控制充电电压,电流等非常多的参数,还可以控制QC2.0/QC3.0充电器输出高压来快充
17.jpg

BQ25890之前已经自己做成了小模块,模块通过底部的焊盘,焊在主板上。
18.jpg

BQ25890的数据手册,可以实现5A的充电电流(要很强的散热),充电速度是风扇自带控制板的10倍
17.1.jpg

按键周围的4个RGB LED,只有1mm大小,可以自由控制各种颜色
19.jpg

STC15单片机,现在连8位单片机都疯狂涨价了,32位根本买不起
20.jpg

MP2015A 3.3V LDO芯片。因为锂电池的电压会在3.2V-4.2V之间变化,如果直接供给LED,会导致LED亮度在电池快没电和满电时不一样,所以这里用了LDO.
21.jpg

MP2015A数据手册
21.1.jpg

Buck-Boost芯片MP28167-A,用于将电池升压后驱动风扇的电机。其实这里用纯Boost芯片就可以了,但是没找到合适的。
22.jpg

MP28167-A数据手册,这个芯片还是挺强的,输出电压在1V-21V之间可编程,输出电流最大3A,这些都可以通过I2C来编程,不需要再用DAC和运放自己搭调压电路了
22.1.jpg
22.2.jpg


输出端的150uF 16V聚合物钽电容POSCAP
23.jpg

POSCAP电容的数据手册,具有非常低的ESR@100kHz,比普通钽二氧化锰电容低很多
image.jpg

4.7uH电感
24.jpg

PCB左半边
25.jpg

PCB层数标识
26.jpg


层数标识
27.jpg

单片机下载口
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BQ25890芯片背面,准备用硅胶粘上散热片
29.jpg

PCB焊好了,先试试最重要的RGB灯,紫色:
30.jpg

天蓝色:
31.jpg

灯没问题了,再焊上USB-C小板,事先已经写了程序来打开BQ25890的快充握手功能
32.jpg

插上USB,成功进入了QC2.0模式,充电器输出9V
33.jpg

9V输出没问题了,接上电池试试24W快充,单片机软件里限制了功率。
充电器输出9.02V*2.561A=23.1W,电池端的电流有5A了,充太久发热比较严重,后面在程序里把功率改小点
QQ截图20210710211254.jpg

最后测试MP28167-A Buck-Boost芯片,程序里设置一组输出电压和对应的LED发光颜色。
QQ截图20210710211709.jpg

4.5V,实测4.43V,右边万用表是自己做的
IMG_20210710_193008.jpg

6.5V,实测6.42V
IMG_20210710_193025.jpg

9V,实测8.86V,有点偏差,因为分压电阻和芯片的基准电压有一定误差。
IMG_20210710_193040.jpg

至此,所有硬件工作正常,再把单片机软件所有功能写好,就可以正常使用了。
目前的软件已经实现了QC2.0快充,RGB LED控制,调整输出电压来控制风扇转速等,完美解决了原控制板充电慢、风力大小不合适等问题。

下面继续介绍单片机软件的实现方法。
主函数包含硬件初始化,初始化完成后,直接关闭升压电路和LED,让单片机进掉电模式。
如果按键按下了,会触发外部中断,把单片机唤醒,把升压电路设定好输出电压并打开,点亮RGB LED后,单片机又可以继续睡觉去了。
充电器插上也会触发中断,单片机读BQ25890寄存器判断充电器类型(电脑USB/普通5V充电器/快充充电器等),调整好各种充电参数之后,就可以继续进掉电模式了。充到4.2V之后BQ25890会自动截止,同时通知单片机把RGB灯一直点亮表示充满。
QQ截图20210710212416.jpg

BQ25890各项充电电压电流设置,图片里只是一小部分,至少有四五十个可以设置的项目。
设置好了之后,执行PMIC_update函数,就会把设置值更新到BQ25890寄存器里
QQ截图20210710212547.jpg

PMIC_update函数的工作原理如下:
比如QC_12V使能,如果设成了1,就把PMIC寄存器[1]的bit1设成1,否则设成0
QQ截图20210710212559.jpg
QQ截图20210710212756.jpg

预充电电流的LSB是64mA,那么就把电流值除以64之后左移4位,放到PMIC寄存器[5]的bit4~7
QQ截图20210710212716.jpg
QQ截图20210710212820.jpg

QC3.0握手过程如下:
A点是BQ25890自动在D+/D-线上握手,让充电器进入QC2.0模式,然后给D+加3.3V,D-加0.6V,控制充电器输出9V
QC3.0的程序需要自己写。单片机可以控制BQ25890的寄存器来调节D+/D-电压,从而实现QC3.0握手。
B点是QC3.0 Continuous mode升压脉冲,一个脉冲可以让VBUS从5V开始升高0.2V;
C点是Continuous mode降压脉冲,一个脉冲可以让VBUS降低0.2V;
B/C是为了测试充电器是否支持QC3.0模式。如果发送了B/C点的脉冲序列,但VBUS没有变化,说明充电器不支持QC3.0模式。
D点的升压脉冲是为了把VBUS调到想要的7V,然后开始充电。
image.png

充电电流限制在3A,此时功率约21W
image.png

下表是QC2.0/3.0模式下,D+/D-电压对应的VBUS输出电压
image.png

在程序中,如果充电器插入,BQ25890会发送一个中断信号,单片机如果读取到充电器是QC2.0模式,就会开始尝试握手QC3.0
image.png

此时单片机会走Timer2中的QC3.0握手流程。
v_increase_2变量决定升压脉冲的数量。10个脉冲可以让充电器输出电压升高到5V+(0.2V*10)=7V
image.png

按键按下之后会进入中断,在中断里调整挡位,并设置RGB LED的颜色
image.png

至于低电量检测、通过RGB LED显示电池电量等,就需要获取电池电压。
BQ25890已经提供内置ADC,只需要自己写一个程序就可以调用了
image.png

本次改造的所有文件都在下面的压缩包里了,包括PCB文件(包含所有元器件的参数)、可以直接做PCB的Gerber文件、数据手册、源代码(还在写,写好后会把完整版发上来,BQ25890和MP28167-A控制程序已经写好了)
QQ截图20210710214637.jpg

Fan Controller 20210722.zip (4.92 MB, 下载次数: 0)

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hfsp + 20 原創內容
sheriping + 6 牛啊,这个风扇我也买了!
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发表于 2021-7-10 22:24:20 | 显示全部楼层
好家伙,整这么奢侈的物料
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发表于 2021-7-10 22:30:38 | 显示全部楼层
这些料 堆起来的成本 比风扇可贵挺多呀。
有这钱 直接尚朋堂 风扇 ,多省心呀。
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发表于 2021-7-10 23:01:01 | 显示全部楼层
这身价直接翻了好几倍
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发表于 2021-7-10 23:05:14 | 显示全部楼层
没这个手艺,只能换一下电池和充电板算了
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发表于 2021-7-10 23:11:14 | 显示全部楼层
这么一改造,这风扇立马提高了一个档次
不过话说这一套下来成本够好几个风扇的了吧
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发表于 2021-7-10 23:21:07 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
风扇没有,等到源代码上传了就下来拜读一下,学习下大神的编程思路
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发表于 2021-7-10 23:55:11 | 显示全部楼层
你也升级一下最关键的马达和扇叶啊,马达改用带轴承的无刷电机,扇叶搞3D打印的多叶片试试,还有驱动调速电路
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发表于 2021-7-11 09:39:10 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
提高不止一个档次啊,PCB走线、布局、照片都让人看得赏心悦目啊
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发表于 2021-7-11 10:21:39 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
我喜欢你万用表
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发表于 2021-7-11 10:29:24 | 显示全部楼层
大佬真大方直接开源
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发表于 2021-7-11 10:41:12 | 显示全部楼层
高级啊, 羡慕
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发表于 2021-7-11 10:42:49 | 显示全部楼层
最喜欢那个灵魂RGB,等有空弄一个。
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发表于 2021-7-11 11:35:47 | 显示全部楼层
再看看俺这大风车,又丑又土,但风力还是杠杠滴


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发表于 2021-7-11 11:40:21 | 显示全部楼层
这技术刚刚的,也舍得,大户人家啊
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发表于 2021-7-11 11:41:17 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
软硬件通吃,高手
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发表于 2021-7-11 12:00:46 | 显示全部楼层
这板子价格应该比电风扇贵不少吧?
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发表于 2021-7-11 13:40:00 | 显示全部楼层
这是高手,有点大材小用啊
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发表于 2021-7-11 16:41:18 | 显示全部楼层
这成本不低。厂家该歇歇你
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发表于 2021-7-11 18:54:12 | 显示全部楼层
10个风扇都不止了。
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