LumiDock Flex 开发笔记

功能需求

我需要一个台灯来帮助我照亮工作台，改善我焊接和调试硬件电路时的照明效果。目前我使用了之前开发的便携灯夹在支架上来照明，固定方式不太好。再加上便携灯在 LED 驱动能力、主动散热能力以及外壳上有一些设计缺陷，所以这次准备开发它的下一个版本的主控板，以及应用这个主控板的新款台灯项目。

我希望这个新项目能继承之前项目的经验，保留以下几个特点：

• 支持 USB-C 输入和内置电池双路供电
• 支持快充协议输入
• 按需主动风冷散热
• 双色温无级调光
• 主动热保护
• 小体积

然后再新增几个特点：

• 大约 10W 的 LED 输入功率
• 5~12V 的外部供电输入，并直通 LED 驱动电路
• 更偏硬件侧的过温保护
• 屏幕显示

10W 的 LED 输入功率

之前设计的便携灯，LED 灯板额定的输入功率是 10W，但是受驱动芯片实际的升压大概在 31 V 左右的限制，不能满载驱动 10 个 LED 串联的灯条，实际整体。

这次继续使用升压能力至高 30V 的 LED 驱动芯片 SY7203DBC，但是改用单路先 8 串后 2 并的方案，理论单串 4W，单路 8W，灯板总额定输入功率 16W。

根据实际亮度、温度情况决定是否需要启用并联部分来增加通过电流。

直通 9V、12V 的外部供电到 LED 驱动电路

之前的便携灯设计时，使用了的 PMIC（电源管理芯片）是具备电池充放电管理功能的。下面我不再强调这个功能，只称做 PMIC。

之前设计一大问题就是，外部供电时，虽然 PMIC 内建了电源路径管理，但是他的输出电压 $V_{SYS}$ 并没有直通输入 $V_{IN}$ 的能力，电流会由 PMIC 先降压，再提供给 LED 驱动电路，这时 LED 驱动电路要将 3.6-4.2V 的电压再升压到 30V，这中间出现了至少两次的损耗。因为没什么时间充分验证电路，我只能猜测缩小压差能改善 LED 驱动芯片的温度表现。至于 PMIC ，如果能绕过它，那么它自己的温度表现肯定会变得更好。

再加上这次主要是为了实现台灯功能，基本上都会插着外部输入，而电池实际上是选配，并且因为一体化设计，内部温度不可避免地会偏高，为了安全起见，实际使用的时候可能也不会安装电池。

所以，这次必须在 PMIC 外部实现电源路径管理，用于外部直接供电。

更偏硬件的过温保护

不知道发生了什么，之前设计的便携灯温控功能好像失效了，因为设计上没有为装配后的调试预留方便的窗口，再加上有那么一点点懒，所以也没深究问题所在。那这次索性进一步，使用硬件电路将数字温度传感器的信号改作故障信号，异常时保持住特定电平，拉低两路 LED 灯的使能 PWM　信号，从而阻止温度进一步上升。

屏幕显示

主要是不太想连电脑调试，又因为不具备无线通信功能，索性加个屏幕，监视当前状态的同时，提升下价值感。

如果稳定的话还是会考虑去掉屏幕。毕竟对于一个双色温调光的灯来说，发出的光其实就能代表大部分信息了。异常情况做个“灯语”也就完事了。

最后还是没有加屏幕。软件部分实现完成后，感觉系统还是比较稳定，这样的话屏幕用处就不大了。

硬件和电路设计

一些参数：

• 输入电压：5-12V
• 输入电流：3A MAX
• MCU、数字温度传感器供电电压：3V
• PMIC 输出 3.3V-4.2V
• LED 驱动输入：3.3V-12V
• LED 驱动输出：约 30V（8 串白光 LED）@ 0.1666A
• 设计输入功率：18W
  • LED 输入功率：~10W
  • 电池充电功率：~5W
• LED 驱动输入过流保护：$15W / 5V = 3A$

LED 驱动电路

LED 驱动电路之前验证过好多次了，最后还是有一个问题悬而未决，在某些情况，大概是输入电流限流了并且温度偏高时，高占空比的情况下 LED 会异常闪烁。我没啥时间研究电路，所以没独立出验证电路来测试，目前方案也是换了芯片后比较稳定可用的，但是似乎不能完全杜绝这个问题。或许是做了温控逻辑，现在没再遇到类似问题了。

这次继续使用之前的 LED 驱动电路，每路使用两个并联的 LED 限流电阻，用来适应 1 并和 2 并模式。限流电阻改用高精度低温漂的电阻。

![[assets/led-driver-sch.png]]

主控芯片 SY7203，输入配 2 × 10uF 电容器。这个电容器也是主备电源切换时的临时电源。

目前有一个问题，在驱动电路中，续流二极管目前选择的是 DSK34，发热量很大，紧跟 SY7203 温度。

USB-C 输入

为了减少 LED 驱动电路输入与输出之间的电压差，我选择了 HUSB238 来实现 12 V 的输入电压协商。

HUSB238 是一款高度集成的USB Power Delivery（PD）受电端控制芯片（PD Sink），支持高达 100W 的快充功率。HUSB238 符合PD3.0 与 Type-C V1.4 规范，也支持Apple divider 3、BC1.2 SDP、CDP、DCP 充电协议。

HUSB238 支持通过电阻配置默认请求的电压和电流，并支持通过 I2C 读取和请求其他电压和电流。

不连接 $I_{SET}$，电流 3.25A，$V_{SET}$ 接地，电压 5V。GATE 脚主要是用来连接 PMOS 管的栅极，在电源未就绪时断开后级。当前项目不在意供电协商是否成功，所以悬空 GATE 引脚。

PMIC

PMIC 我找了很久，一直没找到理想的那种，放电时能不主动升压。或许我应该只找锂电池充电管理芯片，毕竟我已经准备使用外部的电源路径管理芯片了。不过最后我还是找到了一款参数比较匹配的芯片，SGM41511。

SGM41511 具有高输入电压能力和窄电压直流（NVDC）电源路径管理的I2C控制3A单节电池充电器。在这里，它将被用来为锂电池充电，并在锂电池放电电压不足时，升压到 3.3V 左右，以维持为其他芯片供电的 LDO 正常工作。

通过控制 SGM41511 的 nQON 引脚似乎能让电池断电一下，所以在原理图中，将 BTN2 和 nQON 引脚做了可选连接。经过测试，连接电池并断开外部供电的情况下，长按大概 16 秒以上，PMIC 会暂时停止输出约 250ms。

• 验证 SGM41511 的 nQON 引脚是否能让电池供电硬复位。 ✅ 2024-10-22

独立的电源路径管理

TPS2121 是一款支持无缝切换的 2.7V 至 22V、56mΩ、4.5A 电源多路复用器。

由于外部供电为 5-12V，电池供电 3.3-4.2V，所以直接使用电压对比模式，使用电压高的电源供电。

TPS2121 提供了过压保护和过流功能，本着不用浪费的原则，也配置了一下，如下图所示，$V_{REF}$ 大概在 1.05V 左右。 ![[。/assets/tps2121-vref.png]]

配置电阻可以使用 PMUX Switchover Calculator.xlsx 计算。 ![[assets/pmux-calc.png]] 根据我手上有的电阻，我选择了上图所示的电阻配置。PRI 和 CP2 直接接地，可以实现高电压电源优先供电，正好对应有外部供电时，$V_{IN1}$ 最低电压 5V，高于 $V_{IN2}$ 最高电压 4.6V。

根据 TPS2121 手册建议，在 LumiDock Flex 主控板 v2 中，增加了两路输入的 TVS，用来在切换输入时防止冲击造成的影响。

主动散热

经过验证，这个风扇加了 $ 40 * 40 * 5 mm $ 散热片的情况下，很勉强能吃得下 8 W 的 LED 功耗，或许再增加散热片规模就能刚好吃得下 LED 的功耗了。但是有一个问题，驱动电路的温度散不掉，即使在主板和 LED 灯之间贴导热硅胶片也没有帮助。

使用上图的布局，散热片放鼓风机出风口，并且用胶带将风全部导流到散热片上。目前是三条胶带依次从鼓风机贴到另一端的，效果也是越来越好，不过最后还是只能让温度传感器温度维持在 52 °C 内，亮度也被温控策略压在 92% 左右。

当前这个布局就比较尴尬，鼓风机所在的位置才更应该放散热片。或许从另一头往主板反向吹能改善这个问题，但是这个风扇线没那么长，我就没测了。另外，我感觉让主板吃尾气好像也不太好，风道也受阻，想让热量散出去，外壳应该是不好设计了。

和散热片一起，我买了另一款风扇。这款风扇上进风，左右出风的。这样的话，把风扇放中间，散热片和主板在两侧，能左右兼顾。

效果确实好，风扇自带散热片，直接放在 LED 灯板上，散热效果就很好了。 0.18 W 的功率，就能让温度传感器维持在 46℃ 左右。这让我不由地想将 LED 灯板的功率翻倍试试了！

现在感觉给主板吹到风好像很有必要，毕竟温度传感器都在主板上，我的目的也是让设备整体温度控制在 50 ℃ 内，电池待机温度 40 ℃ 内。所以我想试下换回之前的鼓风机，将电压调到 4.2 V 看看。4.2 V 是这路供电的最大电压了，我没计划去改这个硬件。

改到这个方向后，温度维持在 50.5 ℃ 左右，亮度被控制在 95% 左右。这是没插电池，鼓风机全速是在 3.5 V 电压的条件下测得的。现在我把电池插上，供电来到 4.2 V，噪音变得很明显了，温度维持在 50 ℃ 内，亮度没有降低。虽然能用了，但是效果确实远不及那个 4 cm 的风扇。毕竟那个 4 cm 的风扇比这个 3.5 cm 的鼓风机在长宽高都多了一些，优势还是挺明显的。可惜便宜货，没有动平衡。不过这 4 cm 风扇低转速能压得住，抖动还不算无法接受。

最后模拟了下外壳，最后这个方案确实是积热严重，温度立马就上去了。看来必须得用 4 cm 的风扇居中放直的方案了。

所以我又斥资买了个再薄一点的 4 cm 自带散热片的风扇。请看图：

之前那款 1.5cm 厚的风扇是高转速版的。这个风扇转速比 1.5 cm 的慢了不少，但是功率相当时，抖动和噪音明显小很多。话不多说，去掉背胶摆上试试。

同样调整到 0.18 W 的风扇功率，温度传感器检测到的温度最后稳定在 46 ℃ 左右。表现还挺理想的，不比 1.5 cm 厚的那款差。看来可以确定用这个了。这个风扇价格 8.2 元包邮，1.5 cm 的那款 7.5 元 + 2 元邮费。另外这款散热片是银色的，我觉得比黑的更适合这个项目，嘿嘿。

固件设计

初始化流程

• 配置 PMIC 输入过压保护为 12V
• 配置 PD Sink 输入期望 12V
• 设置温度传感器保护逻辑
• 初始化屏幕
• 初始化按键操作

配置 PMIC

我用 Rust 语言为 SGM41511 开发了一个驱动，Git Repo。

由于 MCU 是由 PMIC 供电，为了避免触发保护动作导致掉电，得先将 PMIC 的过压保护从默认的 5V 调整到 12V。

风扇调速和转速检测

硬件上，选用了价格相对较低的三线无刷风扇，只有电源正、负线和测速线，所以调速需要通过 PWM 模拟。

软件实现

选择的 MCU 是 STM32G031G8 或 STM32G071GB，使用 embassy-stm32 作为 HAL。

因为最后决定不使用屏幕，所以使用了 STM32G031GBU6

风扇调速和转速检测（软件）

第一版设计上使用 TIM2 的 1、2 通道来实现转速检测，3 通道实现风扇调速。但是不知道是 MCU 的限制还是 embassy-stm32 的限制，无法同时工作。所以：

• 第二版把分到两个定时器上

第二版的硬件已经实现了速度读取和调速功能。但是，调速状态下读的速度不准确，目前是低侧 PWM 调速，或许换成高侧 PWM 调速能正常，这个以后有机会再验证了。因为风扇要换成两线的了。

未触发高电压的 USB 供电会导致灯光闪烁

当使用 16 颗 0.5W 的 LED 时，由于整机满载照明部分需要消耗 20W 的功率，同时电池充电消耗 5W 功率。不考虑不支持快充的电源，一般的快充电源在 5V 的输出功率只有 15 ~ 18 W。所以在本机的硬件层面限制了 LED 驱动电路的电源输入，不超过 3.2 A。即使这样，LED 驱动电路还是会因为无法吸取到更多电流，导致闪烁。

更要命的是，一但出现这种闪烁，即使后续协商到了高电压，还是会因为反复触发了本机的过流保护，导致几乎无法恢复到正常状态。我尝试堆叠了一些电容到 LED 驱动电路的电源输入，也无法有效缓解这种情况。6

所以在软件层面，加快了 PD 握手状态的检测，并限制了 VBUS 电压低于 8 V 时的亮度，以缓解这种情况，不有希望从这种情况中恢复到正常状态。

外壳模型

外壳存在的问题

PCB 按钮凸出的安装导轨

由于外壳比较厚，不容易形变，并且比以前设计的模型都深，导致 PCB 按钮的凸出不容易安装到预定位置。后续得考虑在外壳上给每个按钮挖一个 1mm 的安装轨道。

嵌入螺母与模型咬合不力

不知道是不是我嵌螺母的技术不行，目前的模型预留的孔看起来很理想，但是螺母进去后，受不住比较大的扭矩，会打滑。或许应该再减小一些预留的孔的大小。

目前买个瓶胶水拯救了一下，不会打滑了。