Handregler - Stromversorgung

Überblick

    Es stehen folgende Eingangsquellen zur Verfügung: Xpressnet und CAN je 12V, USB 5V und der Akku mit ca. 2,7V bis 4V.

    Als Verbraucher sind Schaltungsteile mit 3,3V (z.B. Memory, XBEE-Modul), solche mit 3-5V (Display, Atmel) und Bauteile mit nur 5V (z.B. RS485 Tranceiver, CAN Transceiver) vorhanden. Bei den Transceiver gibt es auch alternative Bausteine (z.B. von Maxim oder TI) mit 3,3V (siehe Schaltplan).
    Eine Besonderheit ist noch das Display: hier kann bei Einsatz von Mobiltelefondisplays eine kleinere Spannung (z.B. 2,9V für das Siemens S65) erforderlich sein. Zudem brauchen die LED Hintergrundbeleuchtungen manchmal Spannungen bis 11V.

    Zur Abdeckung all dieser Spannungsanforderungen sind folgende Schaltungsteile vorgesehen. Diese werden nicht alle gleichzeitig bestückt bzw. benötigt, man muß je nach Anwendungsfall die nötigen Komponenten verwenden (siehe auch Stückliste):
  • Primärer Linearregler LT1117: Dieser erzeugt aus der Busspannung vom CAN oder Xpressnet die Spannung für den Regler. Er wird i.d.R. mit 5V eingestellt sein.
  • Sekundärer Linearregler LT1117: Bei der Verwendung von Speicher und XBEE Modul muß eine 3V3 Spannung erzeugt werden. Dieser Regler findet Verwendung bei Betrieb über USB oder bei Einsatz eines externen USB-Akkus.
  • Schaltregler LTC4089-5: Dieses IC ist die universelle Lösung, um den Handregler ambivalent aus verschiedene Quellen zu speisen. Der Chip enthält neben einem Schaltregler (12V nach 5V) eine Ladeelektronik für einen Li-Ion Akku und die entsprechende Umschaltlogik sowie die idealen Dioden, um zwischen allen Quellen umschalten zu können. Die Ausgangsspannung im Akkubetrieb kann aber bis 2,7V abfallen.
  • Schaltregler LTC3522 (bis Platinenversion 1.4): Das ist ein Buck-Boost Regler, welcher aus einer variablen Spannung von 2,7V bis 5V immer 3,3V am Ausgang erzeugt. Dieser Regler ist also erforderlich, um die schwankende Versorgung bei Akkubetrieb zu stabilisieren.
  • Schaltregler LTC3440 (ab Platinenversion 1.4.44): Das ist wie der LTC3522 auch ein Buck-Boost Regler, welcher aus einer variablen Spannung von 2,7V bis 5V immer 3,3V am Ausgang erzeugt. Dieser Chip löst den LTC3522 (welcher schlecht verfügbar ist) ab.
  • Linearregler LT1761: Diese Regler dienen zum Erzeugen einer ev. abweichenden Betriebsspannung eines Mobilfunk-Display. Sie werde über Widerstände konfiguriert. Anstelle LT1761 kann auch der MIC5205 verwendet werden, dabei ist der Pin 3 mit +Vin zu verbinden (Lötbrücke ist vorgesehen).

Betriebsarten

    Empfohlen ist die Ausrüstung mit den Schaltreglern LTC4089 und LTC3522 bzw. LTC3440. Diese Stromversorgung deckt alle Anwendungsfälle ab, auch wenn keine Akku vorhanden ist. Für einen reduzierten Einsatz können alternativ Linearregler bestückt werden. Diese verbraten deutlich mehr Leistung, sind aber einfacher zu bestücken. Wobei der Regler insgesamt nicht so viel Leistung benötigt.
    Wichtig: immer Schaltregler oder den Längsregler bestücken, nie parallel bestücken.
    Mode Display XBEE
    SD-Card    		 Primary
    Regulator    		 Secondary
    Regulator    		 Interface
    (CAN, Xpressnet)
    Universalregler, drahtgebunden und drahtlos, USB, CAN, XP, interner Akku 3V3 LTC4089 LTC3522/LTC3440 3V3
    Einfachregler, drahtlos, externer Akku 3V3 - LT1117, 3V3 oder LTC3522 3V3
    Funkbasisstation (Gateway) - LTC4089 oder LT1117, 5V LT1117, 3V3 5V oder 3V3
    Einfachregler, drahtgebunden, CAN oder XP 3V3 LTC4089 oder LT1117, 5V LT1117, 3V3 3V3
    Einfachregler, drahtgebunden, CAN oder XP 5V LTC4089 oder LT1117, 5V - 5V
    Regler für PC, drahtgebunden, USB 3V3 - LT1117, 3V3 oder LTC3522 3V3
    Regler für PC, drahtgebunden, USB 5V - - 5V
    Xpressnet oder CAN Sniffer - LTC4089 oder LT1117, 5V - 5V

Nur drahtgebundener Betrieb

    Hier wird eine möglichst einfache Versorgung implementiert. Der Handregler kann entweder vom CAN-Bus, vom Xpressnet oder von der USB-Schnittstelle betrieben werden.

    Hierzu wird mittels zweier Dioden aus CAN oder Xpressnet eine 12V Oberspannung für den Spannungsregler gewonnen. Dieser regelt auf 5V. Diese Spannung und die USB wird wiederum mit 2 Schottky Dioden verodert und liefert so die die 4,7V Betriebsspannung des Handreglers. Bei einer reinen USB-Versorgung kann sogar der Längsregler entfallen.

    Eine ev. benötigte niedrigere Spannung wird mit dem nachgeschalteten Längsregler erzeugt, dieser ist notwendig, wenn XBEE-Modul oder das zusätzliche Flash-Memory bestückt werden. Bei einer Versorgung mit 5V kann die Hintergrundbeleuchtung direkt gespeist werden und der LED-Strom wird nur durch einen Vorwiderstand dimensioniert.

    In diesem Fall sind dann auch keine Fine-Pitch Bauelemente beteiligt, somit ist das Löten auch nicht so schwierig.

Nur mobiler Betrieb

    Intern läuft der Regler mit 3,3V, damit sind auch XBEE-Modul und das zusätzliche Flash-Memory betreibbar. Die Hintergrundbeleuchtung des LCDs muß in diesem Fall mit einem Boostwandler (LT3465A) versorgt werden.
    Als Stromversorgung kann ein Li-Ion Akku verwendet werden. Dieser hat eine Ladeschlußspannung von 4,2V, liefert regulär 3,6V und darf nicht unter 2,5V entladen werden. Hier wird ein Buck-Boost-Wandler eingesetzt, der aus der Eingangsspannung stabil 3,3V am Ausgang erzeugt. Alternativ zum Li-Ion Akku ist auch der Betrieb mit auswechselbaren NiMH Akkus (3 * AA) möglich.

    In diesem Fall entfällt der primäre Laderegler LTC4089 und der primäre Längsregler.

Universeller Betrieb (stationär und mobil)

    Hier wird eine möglichst sichere und vielfältige Versorgung implementiert. Der Handregler kann entweder vom CAN-Bus, vom Xpressnet, von der USB-Schnittstelle oder aus dem integrierten LiIon-Akku betrieben werden.

    Hier zuerst wird mittels zweier Dioden aus CAN oder Xpressnet eine 12V Oberspannung für den Spannungsregler gewonnen. Dieser regelt auf ca. 5V. Diese Spannung oder die USB Spannung wird mit dem LTC4089 sowohl für die Versorgung des Handreglers als auch zum Laden der Batterie verwendet. Wenn keine externe Spannung anliegt, schaltet der LTC4089 nahtlos auf Batteriebetrieb um.

    Intern läuft der Handregler wie bei reinem mobilen Betrieb, d.h. die Hintergrundbeleuchtung muß in diesem Fall auch mit einem Boostwandler (LT3465A) versorgt werden.
    Wichtig: der LTC4089 ist ein Li-Ion Lader, NiMH können in diesem Fall nicht verwendet werden.

Einschaltlogik


    Im mobilen Betrieb ist die Stromversorgung immer vorhanden. Es muß daher per Taster eingeschaltet bzw. auch wieder ausgeschaltet werden können.
  • Einschalten:
    Über den Anschluß POWER_KEY wird der P-Channel FET Q4 aktiviert, dieser schaltet dann die Batteriespannung auf den RUN Anschluß durch. RUN steigt dann über 1.4V an und startet den Regler für den Prozessor. Dieser schaltet in seinem Bootvorgang die Leitung POWER_ON aktiv und hält dadurch den Regler aktiv.
    Sollte der Regler an eine Stromversorgung angeschlossen werden, so wird Q5 aktiv und legt mittels C22 für eine kurze Zeit das Gate von Q4 auf Low, der Regler startet.
  • Ausschalten:
    Dies geschieht über den Anschluß POWER_ON per Software.
    • Bei nur leitungsgebundenen Betrieb kann die Einschaltlogik per Lötbrücke SJ1 überbrückt werden.

Überwachung

    Der Prozessor kann den Status des Akkus über einen integrierten A/D-Wandler abfragen, ebenso wird das Vorhandensein einer externen Versorgung über VCCIO_SENSE angezeigt. Wenn der Akku geladen wird, wird dies vom LTC4089 mit einer LED ('charge') angezeigt.

LEDs

    Je nach Betriebsspannung des Atmel sind die Vorwiderstände der LED anders zu wählen:
  • 3,3V-Betrieb:
        R7: 100 Ohm (ergibt ca. 10mA)     R10, R11, R12, R13: 180 Ohm (ergibt ca. 5mA)
  • 5V-Betrieb:
        R7: 270 Ohm (ergibt ca. 10mA)     R10, R11, R12, R13: 470 Ohm (ergibt ca. 6mA)

Akku und Laufzeit

    Als Akku kann bei Ausstattung mit dem LTC4089 jeder gängige LiIon-Akku angeschlossen werden. Hier im Bild gezeigt der Einbau eines VAP VFL006 mit 1300mAh.