艾诺HD系列机的技术分析之电源篇.docx

艾诺HD系列机的技术分析之电源篇AINOL的HD系列机器从V3000HD到V6000HD系列，已经出来3款，加上将要出来的共有7款机器，据我保守估计现在至少有几万名HD用户了，但鉴于一些不正确的传说，通过论坛和QQ群里的反应来看，有些用户受到了误导，故写此文，以指导大家正确的认识HD的工作方式，正确的使用HD系列机器。不懂技术的人可以直接看我每个结论的标题，懂技术的请看后边的说明：1、无论用哪种外供电方式永远是在充电状态中DC5VIN(充电器)或USB连接时，无论机器的开关状态和工作状态是什么，永远都在充电，甚至在HD已经死机时，因为机器的硬件并不控制充电停止，而充电芯片是完全独立工作的，通过测试证实，芯片自己无法在充满后停充。(此为最新测试结论)2、有外供电时电池会被自动断开当DC5VIN(充电器)或USB连接时，即使开关在ON的位置上，电池也只处于充电的状态中，并不会放电，所以想使用充电器供电看片时不必为了省电而手动把开关置OFF，机器内部的电路会自动切断电池的输出，仅使用外供电工作。3、USB是可以充电的，只是电流较小在使用充电器插在DC5VIN口上时，充电电流约为600mA，而USB连接时约为120mA，所以使用充电器充电比较快，约4-5小时即可，而USB充电要20多小时，几乎需要一整天的时间。作为一个特例，同时连接充电器和USB线时，电流为充电器的电流，换句话说，只要插了充电器就会快速充电(注：此处由于电路图测绘的修正与原来结论相反)。4、充电完成是由充电管理芯片硬件确定的，但只是充满提示而不真正停止充电当实际的充电电流下降到不足电阻设定充电电流的10%时，即认为充电已满，此时输出一个充电完成信号给CPU，此时机器上电池符号中即不带加号，表示充电完成，但是由于CPU并没有控制停充的能力，所以充电芯片还是在充电中的，如果达到充满条件后芯片内部能关断充电电流，则可防止过充，但实测时即使充满充电芯片也还会提供4.2V充电电压，所以建议显示充满后立即去掉充电电源，以免过充电。(此处为昨天夜里做专项测试后得到的结论)5、机身上的ON/OFF只是控制电池在非外供电时是否放电的无论开关ON还是OFF，外供电都将顺利的进入主机，不受限制，并且开关打开后，只有在未插外供电时电池才会放电。6、电量指示实际上只是电池电压指示，大家不要认为满电时看了一部高清电影后电池显示只有一格电就认为机器快没有电了，实际上过一会还会升上来的因为电池在放电的时候电压会随负载的大小不同有一定的波动，特别是大电流放电后，一定时间内电压都会略低于正常放电曲线，这时的电量显示就很有可能低于实际容量的比例。7、HD在不使用时最好把电源开关OFF掉，以免无意义的耗电关机时有些电源芯片仍然是接通的，它们的待机功耗相加后有可能还是比较可观的。8、USB供电时最多只能听音乐，而充电器供电可以做任何操作，包括放高清视频因为USB的总共电电流仅500mA，充电占去120mA，在HD播放时的峰值耗电会达到550mA，即使播放普通视频也会有300mA左右电流，所以高清视频播放会导致USB供电超限，电脑那端会显示“一个USB集线器上的电涌”然后将USB口上的电源输出关闭，而MP3播放状态耗电很小，仅120mA左右(若使用SD卡会脉冲式的达到140mA)，加上充电才260mA，故不会产生问题。充电器有2A的容量，所以永远不受这个限制。以下部分为技术分析，不懂技术的机友可以到此为止，懂的机友请继续观看：先看电路的测绘图(图中上半部分为原机测绘图)，注意此图是根据真机测绘得到，有些部分以模块画出，或为示意主要的功能去掉了一部分无关元件，比如滤波和保护器件因与探讨问题无关都没有绘出，或因测绘中的错误等原因，并不与原机完全相同，请勿以此图作为机器的维修或改造资料，由此图带来的一切后果请自行承担。但若图中的关键性部分有错误，请知情者速通知我，我会尽快修改，以免因为图的错误误导用户。由图可知，USB和DC5VIN两路电源分别都是通过一对低压降的肖特基二极管隔离后分成两路，分别向机器供电和向电池充电，所以无论是哪路电进来，都能同时完成这两种功能。但是不同的是，DC5VIN的电压控制着一个电流选择电路，当未插入USB时芯片默认使用较小电流，否则当DC5V输入时，控制管导通，并接一个小电阻改变了充电电流，充电时就使用较大电流，正是因为这个原因，若插着USB同时插充电器，机器也是以大电流进行充电，而仅连接USB接口或USB充电器时，机器就会以120mA的电流进行充电了。(注意此处结论已与原来相反)在开关为ON并有外供电输入时，这个外部电压会使电子开关断开电池电路，从而防止电池放电，由于不能让电池的电压将自己断开，所以中间又加了一个二极管，这样电池只能直接给机器供电，而不会绕回来将自己的电子开关切断。另外，此时电子开关也切断了电池与电源的连接，所以电池不会不通过充电芯片在这里被高电压充电，因此电池到主机部分也可以不加二极管隔离，HD机器上就没有这个二极管。或是不使用自动切断电池功能，仅需要一个二极管也可以达到防止在这条线路上被充电的功能。所以说，HD上的这个设计一举两得。CC1600A直接取电池电压进行容量测量，如果电压波动，势必会有错误显示电量的可能，所以说，电池的容量指示也只是一个参考，并不能作为准确的指示，除非使用电量计量芯片，也就是说同时测量电池的放电电压和电流，对它的流出功率进行计算才能准确的得到耗电量，不过这种芯片太贵了，对于竞争激烈的电子消费品行业来说，这种代价过高了，一个好的电量计量芯片要20余美元，人民币市场价要200多元，显然没有几个消费者愿意买单，厂商更不可能为这个指示功能无偿作出升级，那种芯片仅在像笔记本电脑或是医疗仪器等重要场合使用。一句话，性价比不好，所以就省了。有一点图上没有示出的就是主机中有很多模块，很多模块都有自己的电源芯片，但是芯片本身即使可以电子关断，有些还是有静态功耗的，由于模块很多，所以电源芯片也比较多，推测静态功耗加起来也比较可观，因此在不使用的时候，如果不OFF掉电源开关，电池的电能还是会在这里损失掉相当部分的，但是经过实测，在开关未打到OFF档时软关机状态下静态电流仅有2.6uA，几乎可以忽略不计，所以如果不是长时间存放的话，是否将机器OFF掉都是无关紧要的！(因为新测量的结果，与原先预计不同)以下为改造方法分析，无心对HD进行DIY改造的机友可以到此为止，有兴趣且有动手能力的机友们可以继续观看：通过以上的分析，我们可以知道，硬件机能中有两项功能由于它原本的设计方案所限，是无法通过软件进行更改的，一是如果电池已经充满后芯片不会自己停止充电的话，就必须手工拔掉电源；二是想纯使用外供电或USB连接而不对电池充电时，无法不让电池处于充电状态中，这样如果是频繁复制文件，或是做美化固件时试机，将无法保证电池总是有一定深度的充放循环，而即使锂电池没有记忆效应，浅循环使用也会降低电池寿命的，所以说，如果我们不能总是在充电时才拷文件的话，有能力的机友肯定想让机器可以具有停充电的能力。根据电路图可知，其实我们只要将两路电源进来以后的二极管断开，就不能充电了，不过，由于每个人的需要不同，我们可以有几种不同的改法：最简单的一种，为了解决USB反复连接和断开造成的反复充电问题，可以学V3000的非HD版机器，取消USB充电功能，只要焊开来自USB到充电芯片的那个标有SS14、1N5819或SL的二极管即可，这样改过以后，充电口仍可以正常充电，只是USB的充电功能被禁用了。稍复杂点的，可以将两个二极管进入充电芯片的一端都断开，而是在此处串进一个开关，通过开关来选择是否充电，若开关断开时，则无论插哪个电源都不会充电，使用充电器可以当作外供电源直接供机器使用，而USB连接时，也是纯的USB连接，两种模式时都不会经由电池供电，也不会给电池充电，只有把这个开关接通时，才会像原机一样，两边都可以充电。为了防止这个开关误被关而导致想充电却没有充进去，所以我们可以在充电芯片的电源输入端上对地并一个串上电阻的发光管，这里的电压是5V，使用红、绿二极管其工作电压为1.7V，工作电流10mA，部分贴片为5mA，所以我们需要为10mA的LED串联一个330欧的电阻，5mA的则是串680欧(虽然计算是660欧，可是系列值只有680欧的，可以大一点，不能小)电阻。若使用蓝、白LED，其工作电压为3V-3.6V，均值3.3V，标定电流20mA，一般为了安全，取3.3V、15mA作为参考值计算，则使用220欧电阻即可，加了LED以后，我们只要看LED亮的时候就是在充电了，否则就是没有充电，方便多了。注意这样加上的LED无论电池是否充满都会亮，它只是指示了电池的充电输入是接通的。如果有双色共阴LED(一般是红绿)的话，可以将绿管接到这个位置上指示外供电与充电芯片连接，而红管经过限流电阻和一个PNP三极管接到充电管理芯片的满电指示上，在满电之前，LED红绿都亮，显示为橙色，充满后由于充电状态指示端的输出变成高电平，红色LED熄灭就变成纯绿色了。(注：经测，充电芯片1脚为充电状态指示端，充电时为低电平，满电为高电平)开关的位置，V3000HD可以选择那个用金属块封死的圆洞，在那里装一个微型的自锁按钮，用胶(不要用双面胶，一定用热熔胶之类，也不要用502，因为热熔胶可以用酒精化掉)固定好，然后用导线引到刚才所说的位置即可，注意一定要让原来的二极管从原板上断开，最简单的方法就是先把管子焊下来之后，在充电芯片这一端垫好绝缘纸再焊回去，这样直接从充电芯片引出来充电输入线到开关就行了。再把两个二极管的输出分别引到开关上就行了。LED的位置也比较简单，由于开关边上我们肯定需要一点热熔胶来封闭，否则会进土，而热熔胶是透明的，所以我们可以尽量靠近这个洞口将LED粘上，并用线引过去就行了。这样改造后，我们可以看到机器里边是亮的，透过开关边上的热熔胶发出来，有点像SONY的电源插头上的效果。如果是V6000HD，由于四周的布置都比较满，这点比较困难，不过大家也可以开通脑筋，想到合适的改造方法。另外，经过对充电芯片的分析，又找到一种新的改造方法，不用断开原来的两个充电二极管。根据手册上的说明，当充电芯片的充电电流编程电阻开路也就是断开时，芯片就会进入断开模式，即停充，所以只要把5脚与两支编程电阻断开即可实现停充模式(这个模式有待测试，我还没有试过断开这两个电阻)，若是在此处用NPN三极管或NMOS管控制，即可实现电子停充控制了，但N型管需要低电平才能停充，而芯片的低电平表示充电中，所以前边还需要再加一个N型管做成反向器即可实现充满自停功能。如果做这个改造也可以不用加开关了，反正电池充满了就自停了，再插着充电器就是纯供电模式了，不用担心电池过充。经过分析比较，还是今天新研究的这种改法比较方便实用，因为我找到了我最小的自锁微动开关，也还是无法在那个洞上顺利的装进去，看来指示灯可以加，开关是没戏了，所以用那个洞改成充电指示灯也不错，6000HD系列没有这个洞了也没关系，可以用两个单色LED放在TF卡槽边上当指示，效果也不错。(这一段都是新增的，请各位DIYer认真阅读！)再提醒一句：改造有风险，DIY须谨慎！下为最新设计的改造方法介绍，不打算对充电部分进行实质改造的机友可以不用阅读以下部分。改造图可参考上图中左下角的电路图，图中所有的数值标注是按贴片元件的数字标法标注的，例如331代表33K，全部三极管可采用9014等小功率NPN管，LED均为1.7V的普通高亮LED，为方便在机器内安装，建议全部使用贴片元件。充电芯片的引脚参考图中右下角，如果想自己改动充电电流，可参考图中部的计算公式进行修改，不过不建议对它进行改动。1脚是充电管理芯片的充电状态输出脚，当它为低电平时表示在充电中，此时Q1截止，绿LED不亮(由于Q2的BE结会导电，故绿LED实际上应该会弱亮)，Q2的基极会被正常上拉，所以红LED亮，表示在充电中，由于Q2和Q3的基极是并联的，所以此时Q3也是导通的，Q3是串在原机充电芯片5脚到编程电阻中间割断的部位的，这个电阻断开会使芯片进入休眠状态，电池也就停止充电了，并且充电状态脚也会停止输出，所以Q3导通就会使芯片进入正常充电状态中，并且由于电流选择部分保留了原机的电路，原来的功能完全相同，不过由于Q3的串入，可能会对编程电流有所影响，但是区别不会太大。但是刚上电时，如果Q3不导通，充电芯片的1脚并不会输出强下拉，而是高阻，Q1在上拉的作用下就会导通，造成Q2和Q3被下拉都不能导通，可是Q3如果不能导通就会一直在这个状态中死锁，永远不能开始充电，于是加入了一个电容，由于电容会在上电的瞬间充电而拉低Q1的基极电压，所以就可以让Q3有瞬间的导通时间，一旦电池需要被充电，就会由芯片接替电容为这个端提供下拉，进入充电锁定状态。一旦达到充电完成条件，充电管理芯片的5脚就会跳变成高电平，此时Q1导通，绿灯亮起，表示充电完成，Q2和Q3的基极被拉低，所以红LED不能亮，5脚上的编程电阻也被断开，充电芯片进入休眠状态，不再向电池提供充电电流，芯片休眠时，1脚又会恢复为高阻状态，在Q1的偏置电阻作用下，Q1的基极保持高电平，仍然为导通状态，此时电路进入停止充电锁定状态。除非C上的电被放光并重新充电，才有可能解除这个状态，但是C的电只能通过Q1的BE结放掉，而掉电以前C还会一直被充电，所以只有等外接电源去掉以后，C才有机会放电。整个加入的电路电源都是与充电芯片4脚相连的，即当没有外供电时此电路就会随之掉电，C就很快就会放电完毕，只要重新插上充电器或USB线，就可以重复进入充电检测状态，并根据电池的充电电流瞬间切换到充电锁定或停止充电锁定状态中。通过以上的改造，可以实现的效果就是，每次插电源后如果电池需要充电，就会进入充电状态，此时红灯亮起表示在充电，充满后自动停充并且绿灯亮起表示充电完成，且有外供电输入，如果外供电去掉，则绿灯也会熄灭。如果插入电源后电池已经是满电的，则直接显示绿灯，表示已经充满，机器直接进入外供电模式。经过这个改造后，如果绿灯亮起的状态可以勉强支持USB供电播放高清视频，只有极个别高码率的片子可能会引致USB电流超限，若此时使用低亮度观看，则几乎不会有任何问题。改造时注意，增加的电路部分虽然标为与充电管理芯片的哪些引脚相连，但不一定要直接焊在芯片的引脚上，如果不是必须的，可以选择离芯片较远的位置分散焊接导线连接，以防芯片受力过大，使PCB受导线的牵拉力过大而脱落报废，比如4脚可以焊到电源隔离二极管与芯片连接的一端上，而2脚是地，板子上最多的地方就是地，建议到装灯位置的附近找一个大的GND焊盘连接，避免大电流对机器造成较多干扰，1脚只能焊到标有5B05A的充电芯片1脚上，因为它后边会直接进入CC1600A的GPIO脚上，CPU是GBA封装的，而且即使像RK27那样是QFP的，在CPU上焊线也不是个明智之举。5脚也可以焊在充电芯片上，因为比如说V3000HD上，5脚本来就离编程电阻很近了，中间没有什么可以借用的焊盘了，而电阻一端，可以焊到两个电阻相连那一端的任何一个焊盘上即可。注意导线不要太粗，避免牵拉力过大，如果需要飞线，尽量选择绕行机壳，避免飞越CPU，绝对禁止飞越FM模块或CS42L52，以免造成干扰。改造电路中所有三极管都是按70倍计算，若使用的三极管倍数不同，请重新计算两个标为363的偏置电阻阻值，大于70倍的可以增加阻值，小于70倍的可以适当减小阻值，但无论是多大的倍数，该电阻都不宜小于10K，也不且高于47K，即103-473之间。另外，如果绿灯在充电中也不能熄灭，说明Q2和Q3的BE结泄放电流过大而导致绿LED导通，尝试改小绿管的限流电阻，仍然无效的话，如果有，还可以把Q2和Q3统统换成NMOS，比如像2N7000系列的管子。也可把串着电阻的绿管变成从4脚对地也就是2脚的，即常亮，Q1只作为纯反向器使用。改动方法请以实际测试效果为准。1月30日试验结果：在万用板上按照设计的图连接好了一个测试线路，单独工作时，发现绿灯总是不能熄灭的，与之前预想的一样，因为电源流经Q2的BE结形成了回路，所以在LED上串入了一个3.3V稳压管(反向)，接5V电源测试，LED仍比较亮，切换时变化不明显，于是又加入一个1N4001，切换时LED亮度变化明显，红灯亮的时候，绿灯基本上只有一点亮，其实确实没必要这么麻烦，如果不是必须熄灭它的话，可以把绿灯直接接到外供电源上，只不过这样耗电量会多上10mA，不利于低功耗，经过串联稳压管和4001之后，无论Q1基极接高还是低电平，整个电路的电流都保持在7-8mA之间，比较理想。由于添加了两个二极管分压，原来的电阻也由331欧减小到22R，另外，为了降低一些功耗，红管上的限流电阻由331改为563。因为LED本身已经为Q2提供了偏置电流，所以取消了原来为Q2单独设置的那个上拉偏置电阻。现在用的管子倍数较小，所以实验中，实测发现Q1的输入限流电阻使用182比较适合。之前测试中一直未加Q1的上拉偏置电阻以及对地的电容，只是测试逻辑功能，后加入了电容，没有加上拉，功能无变化。先不割断HD原机电路中5脚连接两个电阻的PCB线，测试充电状态脚控制新增电路的跳变状态，电路工作正常，当假负载连接到充电端时由于有充电电流，红灯亮起，假负载调节到小电流以后，相当于电池充满状态，红灯熄灭，绿灯亮起，显示状态很理想。遂割断5脚的PCB线，将Q3对应接入，结果无法正常锁进充电状态。通过分析可知，当Q3基极为高电平时，由于普通三极管需要BE结有电流才能放大并输出，如果在这里使用射极输出的话，由于下方的电阻阻值很大，造成BE结电流极小，所以很难维持Q3导通，于是就发生了很难进入自锁状态的问题。由于时间太晚，没有做进一步测试，但是分析如果Q2和Q3改用2N7000等NMOS会有相当的改善，明天找出2N7000来再试，今天的测试工作先告一段落。2月1日更新：由于有些人误解了我的初衷，在充电管理方面有的人认为HD设计有问题，还有的人认为芯片有问题，当然也有人认为我的改装没有必要，所以我现在要明确的解释一下，HD在这方面的设计不存在问题，没有任何安全隐患，而且对大多人来说并不在意，因为大多人用到换新机，基本上电池容量还没有什么变化，只有少数购一机用N年的用户可能会在后期感觉续航减少，这在任何机器上肯定都会存在，只是如果以现在的电路，用户自己使用时不注意有加剧减少续航时间的可能，不过不是一定的，而我所增设的电路就是傻化的辅助用户的操作，尽量的加大电池寿命，所以如果你不在意这一点点续航损失，或是在损失之前就已经换机，完全可以略过我的改造篇。为了清楚的解释我的问题，我绘制了这样一张条形图，用来表示HD上的锂电池充电管理芯片是如何工作的：区为欠压区，由于在这个区域中电池严重过放电，如果电流不加以限制，则它的充电电流可能会很大，于是采取限流法充电，防止烧坏充电器以及由于电流过大引起电池过热爆炸，这个状态以2.9V为限，凡低于这个电压，都是属于这种状态，在HD系列机上，电池是不会放到这个电压下的，基本上不会发生这种情形。为正常充电区，在这个区域中，会对电池进行限压限流充电，限压为4.2V，限流为编程电阻设置的电流，我手上的HD实测