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 NerO - 一款高效节能与 Arduino UNO 兼容的设计

NerO 为 Arduino UNO 兼容板基于 FTDI 参考 FT231X USB 串口的设计, 提供 5V 完整的 1A 电源而不会过热。   

NerO 数据表,请点击 这里

新闻稿请点击 这里

 项目背景

这个项目是从另一个Kickstarter项目计划,作为一个Arduino智能TFT显示屏,名为 CleO项目的附件。现在,显示器本身所需150毫安电流,这不会有电流过大的问题,但是当你添加一个摄像头,加上它的LED灯, 这正好高达250mA。如果你有1W的音频作同时播放,这虽然机会不多,但是却是有可能。如此,为了保证正常操作, 将需要提供450毫安的电流在5V。你可以USB插孔提供500mA的电力,但这不会留下太多额外的功率给其他Arduino扩充卡, 所以连接到直流电源似乎是答案。

这开始让我们思考,在一个UNO和兼容板上的LDO稳压器的额定电流为1A****,但多少电流能被你使用, 而且稳压器不会过热和关闭。我们决定来衡量在一个真正的UNO R3板上,输入9V至12V的电压,答案是出奇的低 尤其是12V供电时。以下我们的测量和测试方法与您分享。

UNO R3是基于Arduino项目的基本款,但它已经存在了数年,许多功能也已得到改善,例如Adafruit和SparkFun 使UNO兼容性得到很大的改善。然而,我们要求的1A电流而且没有多余的散热并且符合FCC、CE,这促使我们考虑一个新的 第三方UNO兼容的参考设计,为了符合这些要求,因此产生NerO的构想。我们很高兴我们的原型的结果, 所以我们决定把这成果公诸于世让任何人都可以使用。在推出时我们将提供使用NerO原理图和PCB设计文件公开 作为OSHWA(开源硬件协会)条款下的参考设计,并欢迎社会各界人士从我们原来的设计中受益。

 
 

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 规格及改进

一般规格

  • 16MHz的 ATMega328 微处理机与 Optiboot 引导程序。
  • VIN 电压输入 - 7V 至 20V(推荐 9V 或 12V)。
  • UNO R3的外形。
  • 14个数字I / O引脚(6路脉宽调制(PWM)输出)。
  • 6个模拟输入。
  • FTDI FT231XS USB UART接口。

 主要特点
  1. 高速USB单线接口转换器
  2. Micro USB 连接器
  3. 状态和电源的LED移动到PCB的边缘,即使接上扩充卡在扩展连接器依然可以看见
  4. 通断开关为增加用户的便利性
  5. FTDI FT231X USB 串口 (注 1)
  6. 5V的开关(switching)稳压器而不是線性(LDO)稳压器(注 2)
  7. FCC/CE 认证 (注 3)
  8. 优质产品-欧洲制造(注 4)

注 1 - FT231X FTDI的USB串口解决方案的最新X系列家族中的一。与流行而且无处不在的FT232R装置相比, 它具有更大的通信缓冲区以及较低的成本。FT231X具有3.3V输出水平和5V宽容输入。FTDI提供的USB桥接设备可以跨多个 平台包括Windows认证的驱动程序的驱动程序,也包括Windows 10。  
注 2 -NerO采用开关稳压器降压比起線性稳压器有更好的能量效率,特别是在高电压输入时。 它可以提供一个完整的1A电流在5V时,而不需耗尽心力。在所有外部电源的情况下,都有良好的能量效率的。 特别是具有较高功率需求的设计,如显示器/发光二极管/Wi-Fi的驱动等。9V电池供电方案时能有极佳的能量效率, 汽车(使用的12V)和POE的设计也是如此。  
注 3 - NerO通过FCC、CE认证,与原来的UNO相同,所以适合商业应用以及爱好者/制造者的项目,而其他大多数兼容机 并没有FCC、CE认证。NerO是在高水准的制造商生产也使用高品质的组件,尽管如此,价格仍然是在一个负担得起 的水平(低于20美元)。我们Kickstarter的支持者可以享受比建议售价低25%或更多的折扣。  

注 4 - 如上所述,制造质量是我们非常重要的,我们已经与在欧洲MikroElektronika合作, 使用先进的表面贴装技术(SMT)装配线制造NerO。我们计划在一个即将到来的项目更新中,向你展示他们的生产线。

   
 NerO 文档
 原型测试

下面是一些我们在我们的原型NerO板进行的测试。

负载电流的测量

首先,我们构建了一个“负载扩充板”,由20个100欧姆的电阻藉由跳线每使每一个电阻都接在5V和GND之间。 通过插入/删除跳线,我们可以模拟5V电源从0毫安到1安培,每次增量50毫安的负载电流。


如果你想让自己重复这个实验,我们使用一个Adafruit ProtoShield V6,如上图所示。

接下来,我们测量了稳压器的性能,我们增加上述板的负载电流,使用上面的板,首先使用9V直流电源的直流输入电压插孔, 其次是相同的测试,但使用12V的电源。


首先 - 在一个原装(意大利制造)Arduino UNO R3 上的测试的结果。用9V直流电源输入, 稳压器开始进入高温关断(thermal shutdown)在负载扩充板消耗刚超过700毫安电流时, 同样用12V直流电源输入,稳压器开始进入高温关断在刚超过250毫安的电流消耗。 但是请注意,在这个阶段的線性稳压器外部温度是95℃到110℃左右,非常的热,足以缩短板上附近元件的寿命。 若是以安全为前提的考量下,我们认为一个现实稳压器的最高温度应该是70℃, 则扩充板最大的5V电流消耗将约为400毫安在使用9V直流电源输入的情况下。在使用12V直流电源的情况下, 最高电流需低于200毫安。这实验的结果让人深思!


现在,我们重复上面的实验,但是这一次使用NerO板。也使用9V和12V直流电源输入, 稳压器保持稳定并一路攀升到1A安培的负载,从而满足我们的设计目标。在所有条件下该稳压器的温度始终保持低于60℃。


现在,让我们看看稳压器的效率和负载电流的关系。正如预期,UNO大约是在30%到50%的范围,取决于负载电流的大小。


NerO 的效率则坐落在80%到90%的范围,也取决于负载电流的大小。

5V电源纹波 (Supply Ripple)


上图使用示波器测量NerO开关调节器输出端的电源纹波,测量结果揭示在200毫伏峰对峰 - 非常适合驱动数字逻辑。

USB信号质量


如果你以前没有见过的,上面的图就是所谓的眼图,是用来衡量信号质量在传输线上。它采用了特殊的 (而且通常价格昂贵)示波器完成,这确保了在所有合格的平台上的可靠的通信。我们把NerO 作测试, 并很高兴地说,它通过测试。故障信号是有信号进入红色“眼睛”中心的多边形。

 
 相关产品

FT231X 提供了可靠的USB转UART接口与认证的驱动程序支持(包括Windows10)。


 相关信息

Nero是一个KickStarter 项目,感谢支持我们的客户,所以该项目得以成功。


 第三方支持

FTDI 與MikroElektronika (MikroE)是合作伙伴特別是在微控制器(MCU)的制造和销售开发板、副板、编译器、软件和书籍,提供使用庫(libraries) 而簡單的使用GUI工具和Visual TFT。



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