Módulo de alimentação USB "vSupply"

O vSupply é um módulo de alimentação USB cujo projecto nasceu essencialmente da necessidade de simplificar o projecto "vCharge", no qual se baseia (última revisão no post de 13 de Março de 2018). Esta necessidade surgiu ao alimentar aparelhos sem baterias, como por exemplo, computadores de formato reduzido como o Raspberry Pi. Verificou-se pois, nessas situações, que os portos DCP (de Dedicated Charging Port) do vCharge poderiam interromper a alimentação dos respectivos dispositivos a jusante. Por conseguinte, de modo a cobrir essas aplicações, os portos USB do vSupply não suportam qualquer protocolo de carregamento rápido.

Parâmetros de funcionamento:
– V _{d. mín.} = 7,27 V
– V _{d. máx.} = 16,42 V
– I _{L máx.} = 2 A

Características eléctricas:
– I d. (V _d. = 8 V, I _L = 0 A) = 10,64 mA
– I d. (V _d. = 16 V, I _L = 0 A) = 5,405 mA
– P (V _d. = 8 V, I _L = 0 A) = 85,12 mW
– P (V _d. = 16 V, I _L = 0 A) = 86,48 mW

Tal como no vCharge, o elemento principal do circuito é o TPS56528 (IC1), um regulador DC-DC com a capacidade de entregar até 5 A. É este integrado que fornece energia aos dispositivos a alimentar, o que é feito através dos portos USB. Devo salientar que cada porto tem o seu próprio condensador de filtragem e o seu fusível PPTC, podendo fornecer até 2 A de corrente. No entanto, ao contrário do que se sucede no vCharge, não existem dispositivos de negociação que habilitem o carregamento rápido de dispositivos com bateria.

À semelhança de outros projectos, foram aplicadas as habituais medidas de protecção contra sobre-tensões, polaridade inversa, corrente excessiva e picos de tensão. A protecção contra sobre-tensões é feita pelo tirístor em Q1, em conjunto com D3, C1 e R1. Como complemento à protecção anterior, o díodo TVS em D1 absorve surtos muito breves. Por seu turno, a protecção contra inversões de polaridade é garantida pelo díodo Schottky em D2, uma vez que este permite a passagem de corrente num só sentido. Por fim, o fusível F1 actua em caso de corrente excessiva e também em auxílio das protecções anteriores.

Lista de componentes:
C1 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C2 – Condensador de electrólito sólido RNU1E221MDN1;
C3/4 – Condensador cerâmico multi-camada 10µF 25V (1210);
C5 – Condensador cerâmico multi-camada 470nF 10V (0805);
C6 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 25V (0805);
C7/8 – Condensador cerâmico multi-camada 22µF 10V (1210);
C9/10 – Condensador electrolítico de nióbio NOJD107M010 (NOJD107M010RWJ ou equiv.);
D1 – Díodo TVS SMCJ18A;
D2 – Díodo rectificador Schottky FSV8100V;
D3 – Díodo Zener BZX84-B16;
D4 – LED Kingbright APT2012EC (ou KPT-2012EC);
F1 – Fusível PPTC 2920L330/24;
F2/3 – Fusível PPTC 1812L200TH;
IC1 – Conversor DC-DC TPS56528 (TPS56528DDA);
J1 – Receptáculo de alimentação Switchcraft RAPC722X;
J2/3 – Conector USB Molex 67643-3911;
L1 – Indutor de potência XAL7030-332ME (XAL7030-332MEB ou XAL7030-332MEC);
Q1 – Tirístor SCR MCR8DSM (MCR8DSMT4G);
R1 – Resistor de filme espesso 150Ω±5% 1/8W (0805);
R2 – Resistor de filme espesso 73,2KΩ±1% 1/8W (0805);
R3 – Resistor de filme espesso 10KΩ±1% 1/8W (0805);
R4 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805).

Como tem sido habitual, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. A encomenda da placa pode ser feita através do OSH Park ou, caso prefira, através de outro serviço de fabrico, desde que o mesmo suporte layouts de duas camadas com furação mínima de 0,5mm. Relativamente à montagem da placa, os componentes SMD devem ser soldados por refusão com ar quente, utilizando primeiro um stencil para aplicar a pasta de solda. Os restantes componentes podem ser soldados com um simples ferro de soldar. Os pés de borracha, cujo modelo recomendado é o SJ5076 da 3M, devem ser colocados em último lugar.

Para a maioria das situações, a dissipação térmica que a placa oferece em relação ao conversor DC-DC nela integrado é razoável. Todavia, a dissipação pode ser ligeiramente melhorada colando um dissipador adequado no topo do integrado. Nesse sentido, recomendo a aplicação de dissipadores 3-020203U ou 4-020203U, ambos da Cool Innovations. Consulte as notas do projecto para mais detalhes.

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/qnwp...2n9z
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/rq3f...8k1r
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/8dta...37kf
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/jm7z...ezk1
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/xzw4...xbuj
Notas do projecto: https://app.box.com/s/97sx...vq6b
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/gc46...qg1v
Projecto no OSH Park: https://oshpark.com/shared_projects/Vn8PrVGP

Fonte de alimentação FAU201 (Rev. 1)

Esta é uma revisão correctiva ao projecto apresentado no post de 15 de Fevereiro, que surge no seguimento da revisão feita ao projecto da fonte de alimentação FAU200. As modificações, sobre as quais detalharei mais adiante, foram feitas sob os mesmos pressupostos. Essencialmente, a nova versão da fonte de alimentação mostra menos ruído e é um pouco mais estável do que a versão original.

Parâmetros de funcionamento:
– V _{d. mín.} = 4,92V
– V _{d. nom.} = 5V
– V _{d. máx.} = 5,25V
– I _{L máx.} = 200mA

Características eléctricas:
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 74,26mA
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 492,9mA
– P (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 371,3mW
– P (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 2,464W

Características da saída:
– Tensão máxima: 4,09V
– Incremento em tensão: 1mV
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 0mA): 605µV_rms
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 200mA): 616µV_rms
– Exactidão: ±(0,154% + 2,5mV)
– Regulação de carga: 1,72mV/A
– Corrente em curto-circuito (I _SC): 258mA

Outras características:
– Coeficiente de temperatura da referência de tensão: 6ppm/°C
– Resolução do controlo de tensão: 12bit

O circuito sofreu poucas modificações, sendo que as mesmas foram implementadas apenas na etapa de regulação. Foi adicionado o condensador em C23 com o intuito de conferir mais estabilidade ao circuito. O díodo em D5 é agora do tipo TVS, e por isso oferece protecção contra picos de tensão que apresentem a mesma polaridade da fonte, e não apenas contra transientes motivados por cargas indutivas.

Lista de componentes:
C1/2/4-6/16/17/20-22/24 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 10V (0805);
C3/13/18 – Condensador cerâmico multi-camada 1µF 10V (0805);
C7 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M006 (NOJA475M006RWJ ou equiv.);
C8/9 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M010 (NOJA475M010RWJ ou equiv.);
C10 – Condensador cerâmico multi-camada 470pF 1KV (1206);
C11/12/15 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 10V (0805);
C14/23 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C19 – Condensador cerâmico multi-camada 470nF 10V (0805);
C25 – Condensador electrolítico de nióbio NOJC476M010 (NOJC476M010RWJ ou equiv.);
D1 – LED WP1503CB/ID;
D2 – LED WP1503CB/YD;
D3 – LED WP1503CB/GD;
D4 – Díodo rectificador S1A;
D5 – Díodo TVS SMBJ5.0A;
IC1 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V075A48LS;
IC2/3 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG;
IC4 – Conversor USB-SPI CP2130 (CP2130-F01-GM);
IC5 – Conversor DC-DC isolado RI3-0509S;
IC6 – Regulador de tensão LP2985-50 (LP2985-50DBV);
IC7 – Isolador digital ADuM1310 (ADuM1310ARWZ);
IC8 – Referência de tensão REF3440 (REF3440IDBV);
IC9 – Conversor digital-analógico LTC2640ACTS8-HZ12;
IC10 – Amplificador operacional OPA703 (OPA703NA);
J1 – Conector USB Molex 67068-9001;
J2 – Conector header macho de 2 pinos;
J3 – Bloco de terminais de 2 bornes;
L1 – Indutor de potência XFL3012-103ME (XFL3012-103MEB ou XFL3012-103MEC);
L2 – Indutor de potência XFL3012-223ME (XFL3012-223MEB ou XFL3012-223MEC);
Q1 – Transístor MOSFET de potência FDN327N;
Q2 – Transístor bipolar de potência MJD31C;
Q3 – Transístor bipolar MMBT3904;
R1 – Resistor de filme espesso 1MΩ±5% 1/8W (0805);
R2/3 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R4/5 – Resistor de filme espesso 82Ω±5% 1/8W (0805);
R6 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805);
R7-10 – Resistor de filme fino 1KΩ±0,05% 1/8W (0805);
R11 – Resistor de filme espesso 470Ω±5% 1/8W (0805);
R12 – Resistor de filme espesso 2,7Ω±5% 1/2W (1210).

Mais uma vez, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Reforço a necessidade de se fazer a encomenda da placa através do OSH Park, uma vez que o layout foi concebido tendo em consideração as especificações deste serviço. Caso opte por utilizar outro serviço de fabrico, deverá confirmar se o mesmo suporta layouts de quatro camadas com furação a partir de 0,5mm. No que concerne à montagem do projecto, aplicam-se as mesma recomendações dadas no post do projecto original.

Após a montagem da fonte de alimentação, é necessário configurar o respectivo interface CP2130. Como anteriormente, tal configuração só é possível em Linux, após instalar o programa de configuração contido no pacote "fau201-r1-conf-1.0.tar.gz", que por sua vez pode ser encontrado na pasta "Software". Para mais informações, consulte as notas do projecto. Todos os ficheiros e pastas relevantes estão disponíveis na pasta do projecto.

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/b0wa...shur
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/f8kf...uk4w
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/c31z...94ss
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/lq2o...dexu
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/2r6s...ite4
Guia de furação: https://app.box.com/s/5nm9...gv9i
Drivers (Windows): https://app.box.com/s/4qgf...yjtc
Software (Linux): https://app.box.com/s/q3yg...h0fo
Notas do projecto: https://app.box.com/s/hzfq...snk5
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/kk0r...pxgu
Projecto no OSH Park: https://oshpark.com/shared_projects/LMR1C1vR

Fonte de alimentação FAU200 (Rev. 1)

Trata-se é uma revisão correctiva ao projecto apresentado no post de 18 de Novembro do ano passado. Antes de mais, é importante referir que a versão original desta fonte de alimentação mostra demasiado ruído, que não é condizente com a topologia em questão. Para além do mais, é susceptível a latch-up em determinadas condições, sobretudo quando a natureza da carga é fortemente indutiva. Esta nova revisão visa corrigir os problemas acima mencionados. Por conseguinte, a nova versão da fonte FAU200 apresenta-se bastante mais estável.

Parâmetros de funcionamento:
– V _{d. mín.} = 4,92V
– V _{d. nom.} = 5V
– V _{d. máx.} = 5,25V
– I _{L máx.} = 200mA

Características eléctricas:
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 71,91mA
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 490,5mA
– P (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 359,5mW
– P (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 2,453W

Características da saída:
– Tensão máxima: 4,09V
– Incremento em tensão: 1mV
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 0mA): 880µV_rms
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 200mA): 918µV_rms
– Exactidão: ±(0,782% + 7,5mV)
– Regulação de carga: 9,72mV/A
– Corrente em curto-circuito (I _SC): 258mA

Outras características:
– Coeficiente de temperatura da referência de tensão: 10ppm/°C
– Resolução do controlo de tensão: 12bit

As modificações ao circuito foram feitas apenas ao nível da etapa de regulação, conforme evidenciado no diagrama da imagem abaixo. A sublinhar, o resistor R7 limita a corrente na entrada inversora do amplificador operacional em IC9. Deste modo, impede-se que um transiente residual cause o latch-up da referida entrada. Desta forma, previne-se a destruição do amplificador operacional. O mesmo resistor, em conjunção com o condensador em C20, forma uma malha de compensação que confere mais estabilidade ao circuito.

O díodo em D5 é agora do tipo TVS. Este tipo de díodo oferece protecção contra picos de tensão que sigam a polaridade da fonte de alimentação, para além da protecção contra transientes de origem indutiva que o MMSD4148 já oferecia. Para finalizar, o resistor de descarga (R10) assume um valor mais baixo, de 2,2KΩ ao invés de 4,7KΩ.

Lista de componentes:
C1/2/4-6/15-19/21 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 10V (0805);
C3/12 – Condensador cerâmico multi-camada 1µF 10V (0805);
C7 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M006 (NOJA475M006RWJ ou equiv.);
C8/9 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M010 (NOJA475M010RWJ ou equiv.);
C10 – Condensador cerâmico multi-camada 470pF 1KV (1206);
C11/14 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 10V (0805);
C13 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C20 – Condensador cerâmico multi-camada 3,3nF 10V (0805);
C22 – Condensador electrolítico de nióbio NOJC476M010 (NOJC476M010RWJ ou equiv.);
D1 – LED WP1503CB/ID;
D2 – LED WP1503CB/YD;
D3 – LED WP1503CB/GD;
D4 – Díodo rectificador S1A;
D5 – Díodo TVS SMBJ5.0A;
IC1 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V075A48LS;
IC2/3 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG;
IC4 – Conversor USB-SPI CP2130 (CP2130-F01-GM);
IC5 – Conversor DC-DC isolado RI3-0509S;
IC6 – Regulador de tensão LP2985-50 (LP2985-50DBV);
IC7 – Isolador digital ADuM1310 (ADuM1310ARWZ);
IC8 – Conversor digital-analógico LTC2640CTS8-HZ12;
IC9 – Amplificador operacional OPA705 (OPA705NA);
J1 – Conector USB Molex 67068-9001;
J2 – Bloco de terminais de 2 bornes;
L1 – Indutor de potência XFL3012-103ME (XFL3012-103MEB ou XFL3012-103MEC);
Q1 – Transístor MOSFET de potência FDN327N;
Q2 – Transístor bipolar de potência MJD31C;
Q3 – Transístor bipolar MMBT3904;
R1 – Resistor de filme espesso 1MΩ±5% 1/8W (0805);
R2/3 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R4/5 – Resistor de filme espesso 82Ω±5% 1/8W (0805);
R6 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805);
R7 – Resistor de filme espesso 1KΩ±5% 1/8W (0805);
R8 – Resistor de filme espesso 470Ω±5% 1/8W (0805);
R9 – Resistor de filme espesso 2,7Ω±5% 1/2W (1210);
R10 – Resistor de filme espesso 2,2KΩ±5% 1/8W (0805).

Como é usual, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Novamente, sugiro que a encomenda da placa seja feita através do OSH Park, uma vez que o respectivo desenho foi feito com as especificações deste serviço em mente. Porém, pode opter por outro serviço de fabrico, desde que o mesmo suporte layouts de quatro camadas com furação mínima de 0,5mm. No que diz respeito à montagem do projecto, aplicam-se as recomendações dadas aquando a apresentação do projecto original.

Por fim, é sempre necessário configurar o interface CP2130 da fonte de alimentação. Como anteriormente, só é possível fazê-lo em Linux, após a instalação do programa de configuração incluso no pacote "fau200-r1-conf-1.0.tar.gz", que por seu turno está disponível na pasta "Software". Para mais informações, deverá ler as notas do projecto. Todos os ficheiros e pastas podem ser encontrados na pasta do projecto.

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/b7b8...ghso
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/nsp4...3ggh
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/f2wq...895g
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/sw42...kl72
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/vh8r...f2h5
Guia de furação: https://app.box.com/s/m0tc...0ki1s
Drivers (Windows): https://app.box.com/s/ju8l...qlzm
Software (Linux): https://app.box.com/s/33fj...ahqo
Notas do projecto: https://app.box.com/s/c9ev...pufm
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/vwgb...gptr
Projecto no OSH Park: https://oshpark.com/shared_projects/s9RPSoFT

Fonte de alimentação FAU201

Esta é uma fonte de alimentação muito semelhante à fonte FAU200, cujo projecto foi apresentado no post de 18 de Novembro do ano passado. De facto, convém frisar que este novo projecto derivou do projecto acima mencionado, tendo sido feitas modificações no sentido de melhorar a exactidão no que concerne à tensão de saída. Por conseguinte, a FAU201 ostenta uma exactidão muito superior, podendo mesmo ser considerada uma fonte de precisão. Não obstante, as restantes características são idênticas, tendo as mesmas protecções contra curto-circuitos e corrente excessiva.

Parâmetros de funcionamento:
– V _{d. mín.} = 4,92V
– V _{d. nom.} = 5V
– V _{d. máx.} = 5,25V
– I _{L máx.} = 200mA

Características eléctricas:
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 74,26mA
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 492,9mA
– P (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 371,3mW
– P (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 2,464W

Características da saída:
– Tensão máxima: 4,09V
– Incremento em tensão: 1mV
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 0mA): 1,37mV_rms
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 200mA): 1,43mV_rms
– Exactidão: ±(0,154% + 2,5mV)
– Regulação de carga: 1,72mV/A
– Corrente em curto-circuito (I _SC): 258mA

Outras características:
– Coeficiente de temperatura da referência de tensão: 6ppm/°C
– Resolução do controlo de tensão: 12bit

O circuito é sui generis no que diz respeito à topologia da etapa de saída. A salientar, os resistores R7, R8, R9 e R10 possibilitam a compensação da resistência dos fios que ligam aos terminais de saída. Note que estes resistores constituem dois divisores de tensão: um para o terminal positivo, e outro para o terminal negativo. A tensão efectivamente medida nos terminais de saída retorna através de J2. Por si só, cada divisor de tensão tem o efeito de compensar a queda de tensão verificada no respectivo fio de ligação. Desta forma, a tensão medida nos terminais de saída permanece bem regulada e independente da corrente de carga.

Porém, mesmo considerando a topologia da etapa de saída e somando-se o facto de os resistores R7 a R10 serem de grande precisão, a exactidão desta fonte de alimentação deve-se à escolha de outros componentes. O conversor digital-analógico em IC9, do tipo LTC2640ACTS8-HZ12, foi escolhido por ter uma exactidão excepcional. Note que este integrado está preparado para utilizar o REF3440 (IC8) ao invés da sua referência de tensão interna, menos exacta. Por seu turno, o amplificador operacional OPA703 (IC10) apresenta uma tensão de offset de entrada muito reduzida.

De resto, o circuito implementa soluções similares às empregues no circuito da fonte de alimentação FAU200. A protecção contra curto-circuitos à saída é exercida pelo transístor em Q3, cuja base fica polarizada quando se verifica uma queda de tensão superior a cerca de 0,65V no resistor R12. Quando o transístor anterior conduz, limita a tensão na base de Q2, o que faz com que a corrente de saída da fonte fique também limitada. Note que o valor limite da corrente da saída, de 258mA, é ditado pelo valor do resistor em R12.

O conversor digital-analógico (IC9) é controlado por SPI, por via do isolador digital ADuM1310 em IC7. Tal controlo é feito pelo interface CP2130 em IC4, um conversor USB-SPI, situado a montante do referido isolador. É importante salientar que a massa da etapa final está galvanicamente isolada da massa que é comum ao anfitrião USB, para que a fonte possa ser utilizada como referência flutuante. Vem daí a necessidade do isolador digital.

A alimentação da totalidade do circuito é feita por USB. O conversor DC-DC em IC5, do modelo RI3-0509S da Recom, converte os 5V provenientes do anfitrião para os 9V necessários à etapa de regulação final. Este conversor DC-DC tem isolamento galvânico, sendo necessário o condensador em C10 para acoplar as massas em AC por forma a minimizar o ruído à saída da fonte. À saída do dito conversor, o filtro constituído por C11, C12 e L2 reduz o ruído de comutação.

Esta fonte de alimentação inclui as habituais medidas de protecção contra sobre-tensões e descargas electrostáticas. O dispositivo PolyZen em IC1 protege o circuito contra sobre-tensões vindas da alimentação USB, para além de actuar em caso de corrente excessiva. Por sua vez, IC2 e IC3 oferecem protecção contra transientes nas linhas de dados do barramento USB. À saída da fonte, D5 suprime transientes originados por cargas de natureza indutiva. Por outro lado, D4 providencia um caminho de descarga quando a carga é predominantemente capacitiva.

Lista de componentes:
C1/2/4-6/16/17/20-23 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 10V (0805);
C3/13/18 – Condensador cerâmico multi-camada 1µF 10V (0805);
C7 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M006 (NOJA475M006RWJ ou equiv.);
C8/9 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M010 (NOJA475M010RWJ ou equiv.);
C10 – Condensador cerâmico multi-camada 470pF 1KV (1206);
C11/12/15 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 10V (0805);
C14 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C19 – Condensador cerâmico multi-camada 470nF 10V (0805);
C24 – Condensador electrolítico de nióbio NOJC476M010 (NOJC476M010RWJ ou equiv.);
D1 – LED WP1503CB/ID;
D2 – LED WP1503CB/YD;
D3 – LED WP1503CB/GD;
D4 – Díodo rectificador S1A;
D5 – Díodo de comutação rápida MMSD4148;
IC1 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V075A48LS;
IC2/3 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG;
IC4 – Conversor USB-SPI CP2130 (CP2130-F01-GM);
IC5 – Conversor DC-DC isolado RI3-0509S;
IC6 – Regulador de tensão LP2985-50 (LP2985-50DBV);
IC7 – Isolador digital ADuM1310 (ADuM1310ARWZ);
IC8 – Referência de tensão REF3440 (REF3440IDBV);
IC9 – Conversor digital-analógico LTC2640ACTS8-HZ12;
IC10 – Amplificador operacional OPA703 (OPA703NA);
J1 – Conector USB Molex 67068-9001;
J2 – Conector header macho de 2 pinos;
J3 – Bloco de terminais de 2 bornes;
L1 – Indutor de potência XFL3012-103ME (XFL3012-103MEB ou XFL3012-103MEC);
L2 – Indutor de potência XFL3012-223ME (XFL3012-223MEB ou XFL3012-223MEC);
Q1 – Transístor MOSFET de potência FDN327N;
Q2 – Transístor bipolar de potência MJD31C;
Q3 – Transístor bipolar MMBT3904;
R1 – Resistor de filme espesso 1MΩ±5% 1/8W (0805);
R2/3 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R4/5 – Resistor de filme espesso 82Ω±5% 1/8W (0805);
R6 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805);
R7-10 – Resistor de filme fino 1KΩ±0,05% 1/8W (0805);
R11 – Resistor de filme espesso 470Ω±5% 1/8W (0805);
R12 – Resistor de filme espesso 2,7Ω±5% 1/2W (1210).

Como de costume, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Aconselho a que a encomenda da placa seja feita através do OSH Park, uma vez que o seu desenho foi concebido tendo em conta as especificações deste serviço. Contudo, pode utilizar outro serviço de fabrico, desde que o mesmo suporte layouts de quatro camadas com furação a partir de 0,5mm. O stackup e materiais não têm de corresponder aos especificados pelo OSH Park.

A montagem do projecto necessita de equipamento especializado. A soldadura de todos os componentes SMD deve ser feita por refusão com ar quente, utilizando pasta de solda e stencil. Em primeiro ligar são soldados os componentes SMD da face superior, e só depois os da face interior, tendo sempre o cuidado de aplicar a quantidade de calor adequada. Os componentes through-hole são soldados em último lugar, servindo para tal um simples ferro de soldar. Por fim, é necessário fazer as ligações da placa aos terminais, seguindo as indicações constantes nas notas do projecto.

À semelhança de outros projectos, a caixa recomendada é a Hammond 1457C801. Trata-se de uma caixa em alumínio anodizado e com tampas lacadas a pó preto. Em alternativa, pode optar pela caixa 1457C801BK do mesmo fabricante, que apenas difere da anterior por ter o corpo inteiramente lacado a pó preto. Em todo o caso, as tampas devem ser trabalhadas de acordo com o guia de furação. É importante referir que a furação do painel frontal foi feita para os bornes da série TP1 da Cliff.

Montada a fonte de alimentação, deve-se proceder à configuração do seu interface CP2130. Tal só é possível em Linux, após ter instalado o programa de configuração fornecido no pacote "fau201-r0-conf-1.0.tar.gz". Consulte as notas do projecto para saber mais detalhes. Todos os ficheiros e pastas relevantes, incluindo software, estão disponíveis na pasta do projecto.

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/fjsw...v9at
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/lour...rqfm
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/9ybu...251k
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/vhbp...wbgo
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/q683...h7ua
Guia de furação: https://app.box.com/s/5itb...8413
Drivers (Windows): https://app.box.com/s/q5oy...yxjv
Software (Linux): https://app.box.com/s/q7oc...6z7c
Notas do projecto: https://app.box.com/s/r6z9...14gi
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/sc7c...1jkz
Projecto no OSH Park: https://oshpark.com/shared_projects/H12W2hUs

Fonte de alimentação FAU200

Trata-se de uma fonte de alimentação ajustável, controlada por USB, que pode fornecer uma tensão entre 0 e 4V. Embora não possa ser considerada uma fonte de precisão, a FAU200 permite o ajuste da sua tensão de saída ao milivolt. A corrente máxima é de cerca de 250mA se bem que, em termos práticos, esse valor seja limitado a apenas 200mA de modo a não exceder a capacidade nominal de um porto USB 2.0. Esta fonte pode alimentar cargas com forte componente reactiva, e suporta condições de curto-circuito e corrente excessiva na sua saída. Para além disso é isolada, podendo por conseguinte ser ligada em série com outras fontes de alimentação.

Parâmetros de funcionamento:
– V _{d. mín.} = 4,92V
– V _{d. nom.} = 5V
– V _{d. máx.} = 5,25V
– I _{L máx.} = 200mA

Características eléctricas:
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 70,90mA
– I _d. (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 489,5mA
– P (V _out = 2V, I _L = 0mA) = 354,5mW
– P (V _out = 2V, I _L = 200mA) = 2,447W

Características da saída:
– Tensão máxima: 4,09V
– Incremento em tensão: 1mV
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 0mA): 1,41mV_rms
– Ruído (V _out = 2V, I _L = 200mA): 1,56mV_rms
– Exactidão: ±(0,782% + 7,5mV)
– Regulação de carga: 9,72mV/A
– Corrente em curto-circuito (I _SC): 259mA

Outras características:
– Coeficiente de temperatura da referência de tensão: 10ppm/°C
– Resolução do controlo de tensão: 12bit

Embora o circuito seja algo complexo, pode ser facilmente dividido em blocos mais simples. O transístor em Q2, do tipo MJD31C, é o elemento de passagem série que actua na regulação da fonte. Este transístor é controlado pelo amplificador operacional OPA705 (IC9) por via do resistor R7. Tal amplificador operacional assume o papel de amplificador de erro, compensando a queda de tensão em Q2 e R8, para que a tensão de saída da fonte iguale a tensão dada pelo conversor digital-analógico em IC8.

Convém referir que o OPA705 foi escolhido por apresentar uma tensão de offset de entrada muito baixa. Por outro lado, o conversor digital-analógico em IC8, um LTC2640CTS8-HZ12, mostra uma exactidão razoável para o propósito em questão. Em suma, são estes dois componentes que determinam a exactidão da fonte de alimentação.

O transístor em Q3 actua quando a corrente à saída da fonte atinge um valor rondando os 259mA. Nessa situação, a queda de tensão através de R8 atinge cerca de 0,65V, fazendo com que Q3 deixe de estar ao corte e passe a conduzir, o que por sua vez faz com que a tensão presente na base de Q2 baixe, efectivamente limitando a corrente de saída. Note que R7 limita a corrente de saída do amplificador operacional nesta situação. Quando Q3 actua, a tensão de saída baixa por forma a que a corrente não exceda o valor anterior, ficando assim a fonte de alimentação protegida contra condições de curto-circuito e corrente excessiva.

O conversor digital-analógico (IC8) é controlado via SPI, por intermédio do isolador digital em IC7, um ADuM1310. Esse controlo é feito pelo interface CP2130, um conversor USB-SPI que já foi empregue em projectos anteriores. A necessidade de se isolar a massa da etapa final da massa proveniente do anfitrião USB é, neste caso, essencial para que a fonte possa ser utilizada nas mais diversas situações. Daí, a aplicação do isolador digital.

A alimentação de todo o circuito é feita por USB. O conversor DC-DC em IC5, do tipo RI3-0509S, é um conversor com isolamento que converte os 5V provenientes do anfitrião para a tensão de 9V necessária à etapa de regulação. Um segundo regulador de 5V alimenta o conversor digital-analógico e parte do isolador digital.

Para além da protecção contra curto-circuitos e corrente excessiva que foi referida anteriormente, esta fonte de alimentação está munida de protecções contra sobre-tensões e descargas electrostáticas. O dispositivo PolyZen em IC1 protege todo o circuito contra sobre-tensões provenientes da alimentação USB, também actuando em situações de corrente excessiva. Por sua vez, IC2 e IC3 oferecem protecção contra transientes. A saída da fonte também está protegida contra transientes, nomeadamente os que são originados por cargas de natureza capacitiva ou indutiva. Essa protecção é exercida pelos díodos D4 e D5.

Lista de componentes:
C1/2/4-6/15-20 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 10V (0805);
C3/12 – Condensador cerâmico multi-camada 1µF 10V (0805);
C7 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M006 (NOJA475M006RWJ ou equiv.);
C8/9 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M010 (NOJA475M010RWJ ou equiv.);
C10 – Condensador cerâmico multi-camada 470pF 1KV (1206);
C11/14 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 10V (0805);
C13 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C21 – Condensador electrolítico de nióbio NOJC476M010 (NOJC476M010RWJ ou equiv.);
D1 – LED WP1503CB/ID;
D2 – LED WP1503CB/YD;
D3 – LED WP1503CB/GD;
D4 – Díodo rectificador S1A;
D5 – Díodo de comutação rápida MMSD4148;
IC1 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V075A48LS;
IC2/3 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG;
IC4 – Conversor USB-SPI CP2130 (CP2130-F01-GM);
IC5 – Conversor DC-DC isolado RI3-0509S;
IC6 – Regulador de tensão LP2985-50 (LP2985-50DBV);
IC7 – Isolador digital ADuM1310 (ADuM1310ARWZ);
IC8 – Conversor digital-analógico LTC2640CTS8-HZ12;
IC9 – Amplificador operacional OPA705 (OPA705NA);
J1 – Conector USB Molex 67068-9001;
J2 – Bloco de terminais de 2 bornes;
L1 – Indutor de potência XFL3012-103ME (XFL3012-103MEB ou XFL3012-103MEC);
Q1 – Transístor MOSFET de potência FDN327N;
Q2 – Transístor bipolar de potência MJD31C;
Q3 – Transístor bipolar MMBT3904;
R1 – Resistor de filme espesso 1MΩ±5% 1/8W (0805);
R2/3/9 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R4/5 – Resistor de filme espesso 82Ω±5% 1/8W (0805);
R6 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805);
R7 – Resistor de filme espesso 470Ω±5% 1/8W (0805);
R8 – Resistor de filme espesso 2,7Ω±5% 1/2W (1210).

Como é habitual, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Recomendo que a encomenda da placa seja feita através do OSH Park, visto que a mesma foi desenhada tendo em conta as especificações deste serviço. Porém, pode utilizar outro serviço de fabrico, desde que este suporte layouts de quatro camadas com furação mínima de 0,5mm. O stackup e materiais não têm de ser idênticos aos especificados pelo OSH Park.

A montagem da placa requer equipamento especializado. Os componentes SMD devem ser soldados por refusão com ar quente, devendo a pasta de solda ser colocada com um stencil. Primeiro devem ser soldados os componentes da face superior, e só depois os da face inferior, aplicando o calor durante o intervalo de tempo mais curto possível. Os componentes through-hole são soldados em último lugar, bastando para tal um simples ferro de soldar.

À semelhança de muitos outros projectos, a caixa recomendada é a Hammond 1457C801. É uma caixa em alumínio anodizado com tampas lacadas a pó preto. Pode também optar pelo modelo 1457C801BK do mesmo fabricante, com o corpo igualmente lacado a pó preto. As tampas devem ser furadas de acordo com o guia de furação. É importante mencionar que a furação da tampa frontal foi feita a pensar nos bornes da série TP1 da Cliff.

Uma vez montada a fonte de alimentação, é primordial que se configure o respectivo interface CP2130. No caso particular deste projecto, tal só é possível em Linux, após a instalação do programa de configuração fornecido no pacote "fau200-r0-conf-1.0.tar.gz" disponível na pasta "Software". Consulte as notas do projecto para saber mais detalhes. Todos os ficheiros e pastas relevantes podem ser acedidos a partir da pasta do projecto.

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/0pph...96qw
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/rddm...vdjh
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/n5yy...zthz
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/jjy6...zovx
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/bcal...3fmc
Guia de furação: https://app.box.com/s/kx8l...8kh4
Drivers (Windows): https://app.box.com/s/0cci...wkqq
Software (Linux): https://app.box.com/s/928r...9jnt
Notas do projecto: https://app.box.com/s/fkr2...ivov
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/qabo...v62y
Projecto no OSH Park: https://www.oshpark.com/shared_projects/YdyIvhRm