Паяем «умный» автомобильный БП на 5v с USB-зарядкой и автоматическим включением/выключением

В один прекрасный момент это всё достало и было принято решение сделать что-то универсальное.

Задача:

• Выходное напряжение 5.1V
• Ток не менее 3A (телефон, 0.6А, видеорегистратор — 0.3А, iPad — 2A)
• Автоматическое включение БП при запуске двигателя
• Ручное включение БП
• Автоматическое отключение БП через 15-30 минут после выключения двигателя (с возможностью продлить это время). Чтобы можно было оставить регистратор в машине без необходимости каждый раз его выключать/включать.
• Автоматическое отключение БП при сильном разряде аккумулятора
• Ручное выключение БП
• Свистелки и перделкиСветовая и звуковая сигнализация
• Достаточное количество USB-разъемов (хотя бы 4 шт.) в легкодоступном месте но без извращения над салоном
• Нормальный (как родной зарядкой) заряд устройств Samsung и Apple
• Без занимания прикуривателя.

Решение:

Решение вполне очевидное. Микроконтроллер для автоматизации и какой-нибудь преобразователь напряжения, но у преобразователя должна быть возможность включения/выключения работы логическими уровнями.

С размещением в машине было немного сложнее, сначала хотел вставить USB в подстаканник, но потом откинул эту идею, т.к. не эстетично плюс стакан будет не поставить да и очередные мотки проводов не радовали. Потом я обратил внимание на подлокотник и ящичек находящий в нём. Это было то, что нужно! Сам ящичек вытаскивается — значит можно легко обслуживать, в самом подлокотнике много места — значит спокойно влезет электроника. USB разъемы легко врезать в боковину ящичка и не нужные провода зарядок можно не вытаскивая из разъемов прятать в ящик.

Помимо USB разъемов для зарядок, требовалось питание для видеорегистратора. Для этого был протянут провод от подлокотника до зеркала заднего вида, на зеркале был наклеен еще один USB-разъем и выведен разъем для видеорегистратора.

Если с размещением разъемов, всё было довольно понятно, то с электроникой возникли небольшие проблемы.

Сначала была LM2596.

Чуть ранее я заказал на eBay несколько платок регулируемых блоков питания, собранных на микросхеме LM2596. Мне нужно было сделать зарядку для iPad, чтобы заряжала большим током (как родная — 10W). Зарядку я сделал, всё прекрасно работало, зарядка выдавала что-то около 2.1A на 5.1V (при входном напряжении около 12-13V — аккумулятор ИБП), но был один минус — она жутко грелась! Вся плата грелась так, что расплавила пластиковую коробочку, в которой была и сама плата потемнела (несмотря на то, что туда был приколхожен радиатор). После замеров КПД выяснилось, что при большом токе КПД около 60%, что нам совершенно не подходило.
Дополнительным нехорошим моментом было то, что у таких китайских платок не выведена отдельно ножка управления и пришлось бы отпаивать одну ножку микросхемы от платы и подпаивать к ней проводки.

Что делать с модулями на LM2596 не ясно.

KIS-3R33S — чудо китайских «конверсионных» технологий.

Шерстя eBay, я часто встречал некие модули KIS-3R33S, в описании которых указывалось, что они выдают 3A. Стоимость модулей тоже внушала — при покупке 10 штук, каждый модуль обходится около 50-90 центов с бесплатной доставкой. Почитав Яндекс стало ясно, что это довольно хороший модуль на микросхеме MP2307, который можно переделать в регулируемый преобразователь, а из навесных элементов нужно только два конденсатора — на вход и на выход.
И что важно — даже при нагрузке 2A он совершенно не греется!
Все продающиеся модули — паянные. Откуда они их берут в таком количестве совершенно непонятно 😉

Вообщем за какие-то пять копеек кучка модулей была приобретена и работа закипела.

Подготовка БП.

По умолчанию модуль KIS-3R33S настрое на 3.3V, поэтому надо модуль немного адаптировать. Есть разные варианты переделки этого модуля (например), но я решил обойтись минимальными переделками. Вооружившись даташитом и схемой KIS-3R33S я составил такой список переделок:

1. Вскрываем модуль
2. Удаляем резистор и стабилитрон отмеченные красным. (некоторые удаляют конденсатор, отмеченный жёлтым — я не стал)
3. Припаиваем (прямо внутри, чтобы потом корпус можно было закрыть) «выводный» резистор (0,125 ваттный) R между минусом и входом ADJ модуля. Резистор фиолетовый. Резистор номиналом от 9.1ком до 10 ком, в зависимости от резистора будет и разное напряжение (от 5.28V до 5.15V соответственно). Этот резистор включается параллельно резистору R1, за счёт чего их общее сопротивление падает и напряжение на выходе микросхемы растёт.
4. Собираем модуль обратно
5. На вход и выход модуля подпаиваем электролитические конденсаторы примерно указанных ёмкостей. Напряжение конденсаторов меньше брать нельзя, а больше можно.

Я не хотел, чтобы преобразователь работал на полную нагрузку, поэтому решил использовать 2 преобразователя, на одном будет 2 USB + USB и питание видеорегистратора, а на втором только 2 USB.

В принципе, уже всё работает и может заряжать, если не нужна автоматика, то можно закончить читать 🙂

Микроконтроллер.

Блок питания это самое простое, дальше нужно реализовать логику работы. Как мне показалось, контролировать заведен ли двигатель проще всего по напряжению в бортовой сети авто. Посидев с тестером в машине, получил такие данные:

• > 13.8V — машина заведена.
• < 13.3V — машина заглушена.
• < 11.8V — дальше аккумулятор лучше поберечь.

Можно было контроль напряжения сделать на дискретных элементах, но мне хотелось хардкора легкости изготовления, малых размеров и функционала. Так же и свистелки-перделки свето-звуковые эффекты были в списке задач, поэтому решил использовать МК Attiny13A.

Схема управления.

Схема вроде простая. Резистор RV2, обычный подстроечный, чтобы легче было задать нужное напряжение на входе МК. Биппер LS1 обычный компьютерный, светодиод и кнопка тоже компьютерные. Вся схема питается от КРЕНки (78L05). Выход МК подключается к управлению модулями KIS-3R33S — высокий уровень включает, а низкий выключает модули.

Программа

Программа оказалась самой трудной задачей. В ассемблере я не силён, да и Си знаю в основном по примерам. Программу несколько раз переписывал, чтобы добиться нужного функционала и влезть в доступную память, в итоге память МК занята на 100%.
Логика работы такая:

• Режим 1. Если напряжение выше или равно 13.8V и БП должен включится. Так же должен гореть светодиод и при включении должен пикнуть биппер.
• Режим 2. Если напряжение упало до 13.3V значит двигатель заглушен, пикнем биппером три раза и начнём отсчет времени (по умолчанию — около 30 минут). Если во время этого режима нажать на кнопку, то к времени ожидания прибавится 1 час, еще одно нажатие — еще час и т.д. Светодиодом начинаем мигать.
• Если напряжение упало до 11.8V или истекло время предыдущего режима, то пикнем долго и выключим БП. Светодиод погасим.
• Когда БП выключен, то можно нажать на кнопку и БП включится на 30 мин (во второй режим).
• При включенном БП и заведенном двигателе можно выключить БП нажав кнопку и удерживая её (около 3-х секунд) до короткого сигнала. БП выключится. Обратного его включить можно коротким нажатием на кнопку либо он включится сам, если двигатель заглушить и снова завестись.

/***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V2.05.0 Professional Automatic Program Generator  Chip type               : ATtiny13a AVR Core Clock frequency: 4,800000 MHz Memory model            : Tiny External RAM size       : 0 Data Stack size         : 16 *****************************************************/  #include <tiny13a.h>  #include <delay.h>  #define ADC_VREF_TYPE 0x00        unsigned char iter3=10;       unsigned char i,POFF, sec, nobeep;       //POFF - запрещает включать БП при заведенном двигателе;         // Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; }  //пищалка void beep(unsigned char on) {     //включим светодиод         PORTB.2=1;          //включим пищалку, если не запрещено     if(!nobeep)DDRB.0=1;                //пищим on*100 милисекунд     while(on){on--; delay_ms(100);}          //выключим светодиод и пищалку     PORTB.2=0;     DDRB.0=0; }  //процедура включения БП void on() {         if(POFF!=0)return;     //включаем БП     PORTB.4=1;     iter3=10;     beep(5);      POFF=1;     }   //процедуры выключения БП void off() {     //выключение не из-за времени, а из-за напряжения     if(iter3 > 1)     {                   //подождем пол минуты и если напряжение всё еще низкое будет, то выключится             delay_ms(30000);         iter3=1;         return;     }                              //пикнем о выключении                 if(PORTB.4)beep(30);                  //отключаем БП     PORTB.4=0;      if(POFF)         POFF--;                              iter3=1; }   // External Interrupt 0 service routine //Отрабатываем нажатие на кнопки interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { // Place your code here          //нажатие кнопки сопровождается пиканьем     beep(1);                            //если БП был выключен, то включим на час                 if(!PINB.4)     {                       on();          POFF=0;     }                  //а если БП включен, то с каждым нажатием будем прибавлять +1 час к ожиданию до выключения     //длинное нажатие (больше 2-х сек, выключит БП)     else     {         //прибавляем +1 час к ожиданию         iter3=iter3+20;                          //считаем сколько времени нажата кнопка                     i=8;         while(!PINB.1){             i--;             delay_ms(250);                          //кнопка нажата больше 2-х сек.? Вырубаем!             if(i==0)             {                   //пикнем, чтобы было понятно, что дальше нажимать на кнопку смысла нет и всё готово к выключению                 beep(1);                 iter3=0;                                          //здесь стоит 2, чтобы даже при высоком напряжении БП заново не включился.                 //включится он после того, как двигатель будет заглушен и заново заведен.                 POFF=2;             }         }                     }                                      }  // Declare your global variables here      void main(void) { // Declare your local variables here  // Crystal Oscillator division factor: 1 #pragma optsize- CLKPR=0x80; CLKPR=0x00; #ifdef _OPTIMIZE_SIZE_ #pragma optsize+ #endif  // Input/Output Ports initialization // Port B initialization // Func5=In Func4=Out Func3=In Func2=Out Func1=In Func0=Out  // State5=T State4=1 State3=T State2=0 State1=T State0=0  PORTB=0x10; DDRB=0x15;  // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 1,172 kHz // Mode: Normal top=FFh // OC0A output: Disconnected // OC0B output: Disconnected //TCCR0A=0x40; //TCCR0B=0x02;//x05;     выключаем таймер TCNT0=0x00; OCR0A=0x00; OCR0B=0x00;  // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 4,688 kHz // Mode: CTC top=OCR0A // OC0A output: Toggle on compare match // OC0B output: Disconnected TCCR0A=0x42; TCCR0B=0x05; TCNT0=0x00; OCR0A=0x00; OCR0B=0x00;  // External Interrupt(s) initialization // INT0: On // INT0 Mode: Low level // Interrupt on any change on pins PCINT0-5: Off GIMSK=0x40; MCUCR=0x00; GIFR=0x40;   // Timer/Counter 0 Interrupt(s) initialization TIMSK0=0x00;   // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off ACSR=0x80; ADCSRB=0x00; DIDR0=0x00;   // ADC initialization // ADC Clock frequency: 600,000 kHz // ADC Bandgap Voltage Reference: Off // ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped // Digital input buffers on ADC0: On, ADC1: On, ADC2: On, ADC3: Off DIDR0&=0x03; DIDR0|=0x08; ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x83;  #asm("sei")  //выключим пищалку DDRB.0=0; while (1){              delay_ms(1000);          //напряжение больше 13.8 - завелись     if( (0.0048828125*read_adc(3)) >=3.42)         on();                            //напряжение меньше 11.8 или время работы с заглушенным двигателем истекло     if ( (0.0048828125*read_adc(3)) <3.23 || !iter3 )                                                 off();                                               //напряжение ниже 13.3 - выключили двигатель     else if( (0.0048828125*read_adc(3)) < 3.38)     {              //БП включен? включим таймер         if(PINB.4)         {               nobeep=1;             beep(1);              nobeep--;              //осталось полчаса                            if(iter3 == 10)             {                    if(sec==1)                 //пикнем 3 раза коротко                 for(; sec<4; sec++)                 {                     beep(2);                                 delay_ms(200);                                         }                                                                    }                          if(sec>=180)             {                 iter3--;                 sec=0;             }             sec++;         }                  //если выключили с заведенным двигателем, чтобы после повторной заводки БП включился         POFF=0;              }       //при заведенном двигателе светодиод постоянно горит             else if(iter3 > 1)         PORTB.2=1;          }//end while        } 

«Правильные» зарядки.

USB используются двойные, при том у каждой пары у одного USB-выхода средние контакты закорочены (чтобы большинство устройств понимали, что они воткнуты не в USB, а в зарядку), а у второго поставлены резисторы подтяжки, чтобы Apple-устройства считали, что подключены к родной зарядке и заряжались быстро.

Как Apple-устройство узнает «родную» зарядку.

Способов масса. Как вариант:
Чтобы получить «родную» зарядку из неродной необходимо на data-контакты подать потенциалы в 2.00В и 2.70В
Простейший делитель на эти номиналы:

если таких номиналов нет, то можно рассчитать делители и по другим номиналам резисторов, калькулятор в помощь.

Для Samsung-устройств тоже существует "своя схема" зарядки, но даже с закороченными средними контактами, мой телефон SGS2 кушал 600mA, что считаю вполне достаточным для заряда.

Конструкция и размещение в машине.

Схематично всё выглядит так:

Плату я делал под имеющуюся коробочку, делал ЛУТом.

Кровь, кишки

4 USB хорошо разместились в ящике, рядом был выведен светодиод и проделана дырочка (1мм), чтобы лучше слышать биппер.

И обратная сторона «медали». В алюминиевой коробочке находится плата управления и 2 преобразователя. Коробочка приклеивается скотчем к днищу ящика, который вставляется в подлокотник.

А в машине всё выглядит культурно (кнопку ещё нормально не приделал :).

На зеркале чуть хуже.

Питание брал от прикуривателя, размещенного в подлокотнике. Все подключения на разъемах, чтобы можно было всю систему легко вытащить и унести домой на апгрейд.

Сейчас понимаю, что можно было всё сделать красивее, взяв провода потоньше. Наверно весной переделаю.

Архив со схемой, исходник программы? прошивка, поделки платы в можно скачать ZIP.

ПС. Уже две недели собирался написать этот пост и только появившиеся аналогичная статья мотивировала начать 🙂