小型12v电风扇（小型12v高速电风扇）

如果你曾经长时间戴着护目镜，特别是如果你的护目镜里有插入物，你可能已经注意到了起雾可能是一个主要问题。去年，我设计并3D打印了一个小型风扇单元，在军用护目镜的两侧各安装一个25mmx 25mmx 10mm的风扇。它引导一小股空气流过镜片内部，即使在凉爽潮湿的天气里，也能使镜片保持清晰，使佩戴者保持清晰的视力。它使用一个小的2电池锂聚合物电池安装在眼镜带的背面，为12个风扇供电-这足以让风扇保持旋转，但使用的电流非常小，即使风扇就在你耳朵旁边，也听不见。但是，这个系统有一些问题，首先没有电池保护，所以在长时间使用期间，电池可能会完全耗尽，超过了可以安全充电的程度。第二，没有速度控制，所以你只能使用电池提供的气流速度，这通常很好，但偶尔也会有一些额外的气流。

从表面上看，设计一个设备作为风机控制器是一个相对简单的项目，但是应用和设计要求增加了一些有趣的约束。该项目需要考虑以下限制因素：

PCB尺寸应为25 mm x 10 mm
元件只能放在PCB的一侧
PCB最好是2层，但必要时可以是4层
该设备必须能够控制一个5V的小风扇
该装置将使用小型单电池锂聚合物电池供电
PCB上不应该有球栅阵列（BGA）封装元件
电池连接器的位置必须符合规定

风扇控制器需要具有以下功能：

风扇转速应由使用PWM的微控制器控制
用户应该能够打开和关闭设备，并选择不同的风扇速度模式
设备应具有RGB LED形式的电池充电指示灯。
当电池电压达到临界值时，硬关闭。

印刷电路板的尺寸是由风扇决定的，我想有一个电路板，可以坐在风扇的一边，以便尽可能紧凑。这也推动了对单面组件的需求，冲击/冲击以及手动组装导致我没有BGA包。对于这种尺寸的电路板，任何BGA都可能是晶圆级的，因此极细的间距比大封装中常见的宽间距BGA封装更具挑战性。

为了在电池电压下降太低时关闭设备，我将实施一个“自杀式开关”。要打开设备，用户将按下设备上的一个按钮，该按钮会将调节器的启用引脚拉高，允许微控制器引导并断言该引脚高本身。一旦微控制器确定电池电压过低，它可以将电压调节器使能引脚拉低，关闭装置并停止任何电流消耗。对于这种类型的设备，这是一个比简单地让微控制器进入睡眠状态更为理想的解决方案，就好像单元在存储中一样，它可能会因微电流消耗过度而损坏电池。

组件选择

与之前的设计相比，我希望每个风扇单元都有自己的电池，可以快速更换。无线电控制的模型工业有一些很好的选择小型电池，这导致我使用150mAh的电池，这在小型室内直升机和飞机中很常见-它们非常便宜，质量很高，并且具有巨大的放电能力。这种尺寸的电池是相对标准化的，因此电路板将使用Molex Picoblade（Molex51021-2P）连接器作为电池。在放置时，电池应位于板/风扇单元的顶部，这样当电池板安装在佩戴者的眼睛保护装置上时，可以在板底部放置一个小按钮。这也将把风扇沿眼镜臂放在最后的装配中，这样可以保持东西的美观和紧凑。

https://hobbyking.com/en_us/turnigy-nano-tech-150mah-1s-25-40c-lipo-pack.html?___store=en_us

电池的电气参数和机械尺寸如下：

容量：150毫安时
电压：1个电池/3.7 V
放电：25C恒定
重量：5克
尺寸：40 mm x 12 mm x 5.5 mm
平衡塞：Pico（Molex51021-2P）
放电塞：Pico（Molex51021-2P）

在最初的设计中使用12V风扇的情况下，对于由单个锂聚合物电池供电的设计来说，这并不是一个特别实际的选择。对于新的设计，我使用的是5V变型，尺寸相同，为25x25x10mm。

显示硬件组件要求的主要设备硬件功能的框图表示

https://www.digikey.com/product-detail/en/nidec-copal-electronics/F251R-05LB/563-1109-ND/1165503

风机的电气参数和机械尺寸如下：

额定电压：4.2~5.7V
额定电流（安培）：60毫安
尺寸/尺寸：方形-25 mm x 25 mm
宽度：10 mm
重量：0.015磅（6.8克）
气流：1.8 CFM（0.050 m³/最小值）
功率（瓦特）：300毫瓦
转速：8000转/分
产生噪声：15.0 dB（A）
终端：2根导线

该框图显示了执行这些功能所需的最关键组件和互连。

微控制器

微控制器用于提供风扇的脉冲宽度调制、电池电压感应和RGB LED的驱动。我的目标是使用一个非常低成本的ARM Cortex M0或M0微控制器，希望能支持MBED平台，这样代码就可以在一个小时左右完成。一个更复杂的微控制器是不需要的，因为它有很少的功能来执行，一个ARM Cortex M0仍然会是完全的超能力，但他们是非常便宜的。

选择的微控制器是NXP LPC812M101JDH16J。它是一个便宜的16针微控制器，在16TSSOP封装中提供。这是市场上最便宜的微控制器之一，尽管在价格范围内提供了相对较高的性能。没有USB授权/支持的微控制器非常便宜！选择这个封装是因为它为PCB布局设计留出了足够的空间，以便在其下方定位布线轨迹。

https://www.digikey.com/product-detail/en/nxp-usa-inc/lpc812m101jdh16j/568-13781-2-nd/4843237

尽管有其他更小的封装可用于该微控制器和其他低成本选项，如QFN 5 mm x 5 mm，此类封装将利用设备下的大部分空间，并带有外露的接地垫。这就不可能在顶层的MCU下面路由跟踪，这使得路由更具挑战性。

https://www.digikey.com/product-detail/en/nxp-usa-inc/lpc845m301jhi33y/568-14091-1-nd/9449756

风扇控制

风扇需要使用微控制器生成的PWM信号进行控制。然而，风扇不能由MCU直接控制，因为微控制器的输出引脚不能提供流经风扇所需的电流。因此，需要一个额外的能够驱动风扇的MOSFET。一开始，我想用一个MOSFET驱动芯片，通过PWM信号正确地打开和关闭MOSFET，以减少FET的RDS（on），然而，我意识到，只要一个5v的电源，门驱动器控制的场效应晶体管和微控制器IO驱动的场效应晶体管之间不会有太大的差别-脉宽调制的速度将不足以对微控制器的IO电流源/汇能力造成太大的压力。

对于MOSFET，我决定使用二极管合并的DMN1019USN-13逻辑电平MOSFET。这个晶体管的源极漏极电阻在3.3V电压作用于栅极时大约为10毫欧姆，这个值足够低，我很高兴。因此，器件上的电压降很小，考虑到风扇相对较小的负载，MOSFET不会显著升温。当风扇驱动电压为5v时，最大漏源电压为12v，这对该器件是足够的，当3.3v施加在栅极上时，漏源电流容量约为8.5a。

https://www.digikey.com/product-detail/en/diodes-incorporated/DMN1019USN-13/DMN1019USN-13DICT-ND/4898885

RGB LED

对于电池指示，选择了一个小RGB LED。RGB LED可以显示所需的三种颜色，以指示不同的电池充电水平，显示的颜色由MCU控制。选择了Citizen公司的CL-505S-X-SD-trgb。该LED提供4针SMD 0404封装。典型的正向电压降红色为1.85伏，绿色为2.7伏，蓝色为2.75伏。红色的最大电流为30毫安，绿色和蓝色的最大电流为20毫安。LED所需的限流电阻器将根据其规格进行选择。我可以选择在这里使用一个可寻址的RGB LED，但是对于数量较少的单元，我将构建额外的编程时间不值得为一个更紧凑的电路板和更少的组件进行权衡。

https://www.digikey.com/product-detail/en/citizen/CL-505S-X-SD-T/1642-1510-1-ND/6005950

用户输入

在开/关和风扇速度模式控制选择中，选择了一个小的触控按钮，用户可以毫不费力地操作设备。开关需要很小，但不能太小，难以机械连接。它需要易于接近和易于按下。该外壳将集成一个按钮，该按钮将按下按钮，因此使按钮坐在离板较高的位置比其他组件是有利的。为此，小薄膜按钮不是很适合。我选择使用C&K提供的KMR741NG ULC LFS组件。

https://www.digikey.com/product-detail/en/c-k/KMR741NG-ULC-LFS/CKN10688CT-ND/6035360

电源

所有这些设备都需要电源，为此必须选择适当的电压调节器。仅仅使用一个电压调节器不是一个实际的解决方案，因为风扇需要5伏的电源，而MCU需要3.3伏的电源，需要两个独立的调节器。在单电池锂聚合物电池的电压范围内，使用升压变换器提高电池电压以提供5V电压，然后使用低压差（LDO）调节器为MCU供电，这样更容易、更有效。

为了产生5伏的电源，我想要一个非常高效的DC-DC升压转换器。高效率是必需的，因为从电池中吸收的最大电流将由风扇提供，而所选小型电池的尺寸意味着它在效率低下的调节器上没有多少备用容量。由于电路板区域的严重尺寸限制，我选择使用德州仪器公司的TPS61240IDRVQ1，因为它的效率很高，在该应用所需的输出电流下约为93%，用于电池供电的应用，并且可以输出超出我要求的电流。它固定的5V输出和小的6-WSON封装尺寸（2 mm x 2 mm）使该转换器成为本项目非常合适的选择。当考虑一个高度紧凑的调节器，当使用一个可调调节器和一个固定输出电压调节器时，反馈电压的两个电阻能占用多大的额外空间真是令人惊讶。

https://www.digikey.com/product-detail/en/textas-instruments/tps61240idrvrq1/296-28184-1-nd/2522312

对于3.3V电源，选择了LDO调节器，尽管组件的效率明显较低。LDO具有较低的元件计数（不需要电感器），它只需要为微控制器供电，微控制器将花费大部分时间处于睡眠状态，只消耗可忽略的电流。我使用的二极管包括AP7313-33SRG-7，它有一个稳定的输出电压3.3v。选择LDO是因为其价格低廉，SC-59封装体积小，输出电压固定。再一次，它是不值得浪费板空间反馈电阻为一个可调调节器。

https://www.digikey.com/product-detail/en/diodes-incorporated/AP7313-33SRG-7/AP7313-33SRG-7DICT-ND/2270841

方案设计电源

为了保护人用器件的瞬态电压（TV02）引起的任何瞬态电压，都要加上电阻二极管（TV0-2），以保护电路不受任何人用二极管（TV0）的影响。由于这个装置是磨损的，并在安装新电池时定期触摸，因此非常需要少量的静电放电保护。

输入和输出电容器根据数据表建议进行选择，使用电容值为4.7 uF的简单X5R型陶瓷电容器。不需要高电容值的大容量电容器，因为装置内没有任何元件会突然增加电流。另外，唯一对电压降敏感的设备是MCU，它由另一个电压源，即LDO供电。选择SMD 0806封装的小尺寸电感器，1.5 uH Murata Electronics LQH2MCN1R5M52L，因为它非常适合我们的应用，而且不占用大量空间。同时，选择了肖特基二极管RBE05SM20AT2R作为输出过压保护。

LDO的原理图设计非常简单。它只需要两个电容器，输入端1uF，输出端4.7uF，使用0402贴片元件。

电池监测

对于电池充电的监控，我选择了使用一个简单的分压器到微控制器的ADC管脚。在电池充电电路中，电池和电池的状态是不易变化的，而我们可以提供一个更精确的电池充电电路。我们也不需要高精度的电池百分比，只是一个基本的指示充电编译与硬切断电压。虽然ADC引脚可以读取电池电压，但它不能直接连接，因为最高4.2V的电池电压会损坏MCU输入，因此需要使用分频器。选择的电阻值为33千欧姆和1兆欧。这些值与微控制器的ADC引脚输入电阻0.1兆欧相结合，当实际电压为4.5伏时，为ADC输入提供3.3伏电压。这意味着我们可以从微控制器的ADC输入中获得所有可能的电池电压的最大范围，而不会损坏MCU。

风扇控制

在风扇控制方面，选择了一个简单的低侧MOSFET开关，利用单片机的PWM信号控制风扇转速。对于风机连接，使用直径为1.25 mm的普通测试点，风机导线可直接焊接到这些测试点上。它们简单、紧凑，不会给BOM增加任何成本，是进行永久连接的极好解决方案。选择了一个双向5V箝位电压TVS二极管，即微型商用Co ESDSLC5V0L2B-TP进行保护。这种二极管的作用是保护晶体管或DC-DC转换器不受风扇电机在电流切换时产生的反电动势的影响。内部MCU下拉电阻器用于物料清单（BOM）优化和控制浇口引脚节省空间的考虑。

LED指示灯

最初，我的想法是用微控制器的GPIO引脚作为电流汇来驱动RGB LED电池充电指示器。然而，已经确定微控制器的引脚所能吸收的电流不会产生足够的光，在阳光明媚的日子里，足够明亮的光线可以在户外看到。因此，添加了三个小的N沟道mosfet来驱动带有适当限流电阻的RGB LED。为了节省空间，一个双N-ch MOSFET阵列（Nexperia 2N7002BKS，115）与单个N-ch MOSFET（Rohm半导体RE1C002UNTCL）一起使用在一个小型SC-89封装中。

功率控制

正如在介绍中提到的，我决定使用“自杀式开关”电路技术来提供一种方法，使一个单一的用户按钮用于电源/输入，还提供了一种使用硬关闭电路的方法。该电路的作用是控制电压调节器的使能管脚，并向MCU的GPIO管脚提供一个输入信号，以便在设备通电后改变风扇转速模式。

如果设备关闭，则需要按住按钮至少0.4秒，因为启动升压转换器和设备中其他IC的电路的RC时间常数，如下所示。

当MCU打开时，电路将保持DC-DC转换器的启用引脚处于高电平，直到用户关闭设备，如下所示。

当电压调节器和MCU都打开时，用户可以通过向MCU的GPIO引脚（标记为BTN）发送信号来控制风扇速度模式，如下所示。

微控制器

LCP812微控制器是好的和简单的使用，与一个内部振荡器，这是非常精确的，我们的应用，有很少的支持电路需要。此应用的支持电路只需要为MCU电源提供去耦电容。管脚的分配是通过在PCB布局期间迭代不同的连接来确定的，以找到最方便的位置和可能的最佳布线。最终的MCU原理图如下所示。

决定使用PCB末端的蜂窝孔连接MCU编程引脚。这将允许在生产中对微控制器进行编程以及在开发中进行调试，而不会占用太多宝贵的板空间。一组弹簧销探针可与夹具一起使用，以接触编程头。

PCB设计

我真的很喜欢把这么多的元件塞进这样的小板里。看到组件和轨迹的拼图拼在一起总是一件愉快的事。总共有33个元件需要放置在PCB的顶部。

组件放置过程从定位必须严格放置在精确位置的部件开始，这些部件包括电池连接器、微控制器编程的蜂窝孔和按钮。严格地说，槽形孔可以根据需要沿着板的边缘移动，但它们必须位于边缘。

然后放置较大的组件，如MCU、风扇连接点、电压调节器和RGB LED，如下所示。对关键部件的位置进行粗加工可以使确定不那么关键的部件的位置变得容易得多。

我开始设计时使用了相当宽的0.3毫米的信号线和0.5毫米的电源线和地线。它们比绝大多数电路板制造商所能处理的要宽得多，但我喜欢从我认为理想的轨道宽度开始，然后如果有没有足够空间放置这些痕迹的点，我可以使它们变薄。过孔也采用了同样的方法；如下图所示，最终设计中几乎没有更宽的过孔。

你可能已经注意到在这个布局中有一个额外的TVS二极管。在布局过程中，从蓄电池正极连接布线两条单独的路径比较容易。一条通路通向电压调节器，另一条通路通向蓄电池感应电路和RGB LED二极管。如果TVS二极管与发生ESD事件的轨道串联，则TVS二极管最能有效地缓解ESD事件。如果有一条线路远离没有串联二极管直接保护的电池端子，我们仍然可能损坏该路径上的敏感电路。