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

alszy

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


侧面，仰角可以调节，这是最低的位置


最高的位置


底部，由于买的是不带电池的版本，贴纸把18650电池盒覆盖了


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


底盖内侧，可以看到18650电池盒的盖子


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。


LTC4054简介，是个线性充电芯片


SI2301，常见小封装PMOS管


SI2301，常见小封装NMOS管


控制板背面，有按键和LED


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


第二层，是全地层，有利于散热


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


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


自己画的USB-C小板，注意上面有两个电阻


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


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


自己做的控制板，焊接好的样子


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


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。


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


按键周围的4个RGB LED，只有1mm大小，可以自由控制各种颜色


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


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.


MP2015A数据手册


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。


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




输出端的150uF 16V聚合物钽电容POSCAP


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


4.7uH电感


PCB左半边


PCB层数标识



层数标识


单片机下载口


BQ25890芯片背面，准备用硅胶粘上散热片


PCB焊好了，先试试最重要的RGB灯，紫色：


天蓝色：


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


插上USB，成功进入了QC2.0模式，充电器输出9V


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


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。


4.5V，实测4.43V，右边万用表是自己做的


6.5V，实测6.42V


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。


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。


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


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



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



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。


充电电流限制在3A，此时功率约21W


下表是QC2.0/3.0模式下，D+/D-电压对应的VBUS输出电压


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


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


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


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


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）


Fan Controller 20210722.zip (4.92 MB, 下载次数: 5)

2021-7-22 22:04 上传

点击文件名下载附件

链接：https://pan.baidu.com/s/1ETl3_ilS_skCn5vmaYiioA
提取码：6789

大家比较关心的改造成本：
BQ25890：电赛时用学校邮箱申请的，免费；
MP28167-A：大约8元；
STC15W404AS：大约3元；
两个电感：大约7元；
PCB：免费打样
电池：以前买的蜂语移动电源拆的，好像不到20元
总成本大约40+

jmx1124

好家伙，整这么奢侈的物料

20768797

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。

天空中的污渍

这身价直接翻了好几倍

tandong

没这个手艺，只能换一下电池和充电板算了

kof宋小宝

这么一改造，这风扇立马提高了一个档次:lol:
不过话说这一套下来成本够好几个风扇的了吧

在路上795

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

super2008

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

xuyapple

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

拆解狂人

我喜欢你万用表

1600830417

大佬真大方直接开源

zzqqzzz

高级啊， 羡慕:lol:

1600830417

最喜欢那个灵魂RGB，等有空弄一个。

我不是小连

再看看俺这大风车，又丑又土，但风力还是杠杠滴

command123

这技术刚刚的，也舍得，大户人家啊

yhf

软硬件通吃，高手

bfantasy

这板子价格应该比电风扇贵不少吧？

qjt19810204

这是高手，有点大材小用啊

mhtlov

这成本不低。厂家该歇歇你

skyplayer

10个风扇都不止了。