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PCB alimentation

Mis à jour pour la version v2-beta

Introduction

Le PCB alimentation 2025 du robot fait le lien entre les différentes sources d'alimentation et les composants du robot.

La release concernée par cette documentation est ici : Release

Les fonctionnalités proposées sont :

• Jusqu'à 3 sources, hot-pluggable
• Chute de tension limitée lors du changement de source
• Protection contre les tension inverses en entrée
• Sélection de la meilleure source, protection contre sur et sous tensions
• Coupe circuit général et arrêt d'urgence uniquement sur certaines sorties
• Convertisseurs de tension désactivés par défaut, pilotés par STM32
• Mesures de tension/courant/puissances sur chaque sortie
• Mesure du taux de charge des batteries connectées
• Mesure de la température de la carte
• Protocole USB-PD sur la sortie 5,15V
• Remontée d'info, GPIOs, STM32 programmable et débugable via SWD
• Buzzer désactivable via un switch

Besoins

Les besoins qui nous ont amené à réaliser un PCB alimentation pour le robot sont :

• Réduction du câblage
• Coupe circuit général
• Coupe circuit ciblé sur appui bouton d'arrêt d'urgence
• Plusieurs tensions d'alimentation différentes selon les composants
• Capacité d'alimenter le robot sur secteur ET/OU sur batterie

Spécifications

Le PCB alimentation a été réalisé dans le but d'implémenter les spécifications suivantes :

• Le PCB doit accepter au moins deux sources de puissance.

• Le passage d'une source à l'autre ne doit pas engendrer de chute de tension risquant de faire redémarrer la raspberrypi.

• Au moins une des sources d'alimentation doit être destinée au secteur.

• La source d'alimentation destinée au secteur doit accepter des tensions de 12V et 24V.

• Au moins une des sources d'alimentation doit être destinée à une batterie.

• La source d'alimentation destinée à une batterie doit accepter une tension entre 11,1V et 13V.

• Les sources d'alimentation doivent permettre un courant d'alimentation de 16A.

• Le PCB doit permettre de connecter un bouton d'arrêt d'urgence en NC et en NO.

• L'appui sur le bouton d'arrêt d'urgence doit provoquer la coupure des sorties spécifiées, de manière immédiate.

• Les tensions doivent rester entre les bornes -48v et 48V.

• Le PCB doit générer une sortie avec une tension de 5V +-10%.

• La sortie 5V du PCB doit avoir une puissance supérieure à 25W.

• La sortie 5V doit proposer au moins deux connecteurs permettant un courant de 5A.

• La sortie 5V doit proposer des connecteurs mâles Dupont pour des connexions faciles.

• La sortie 5V doit être coupée immédiatement quand le bouton d'arrêt d'urgence est enfoncé.

• Le PCB doit générer une sortie avec une tension de 5,15V +-1%.

• La sortie 5,15V du PCB doit avoir une puissance supérieure à 40W.

• La sortie 5,15V doit proposer au moins un connecteur permettant un courant de 5A.

• La sortie 5,15V doit proposer au moins un connecteur USB type C.

• La sortie 12V doit rester active quand le bouton d'arrêt d'urgence est enfoncé.

• Le PCB doit générer une sortie avec une tension de 12V +-1%.

• La sortie 12V du PCB doit avoir une puissance supérieure à 40W.

• La sortie 12V doit proposer au moins deux connecteurs permettant un courant de 5A.

• La sortie 12V doit proposer des connecteurs mâles Dupont pour des connexions faciles.

• La sortie 12V doit être coupée immédiatement quand le bouton d'arrêt d'urgence est enfoncé.

• Le PCB doit générer une sortie avec une tension de 24V +-1%.

• La sortie 24V du PCB doit avoir une puissance supérieure à 25W.

• La sortie 24V doit proposer au moins deux connecteurs permettant un courant de 2A.

• La sortie 24V doit proposer des connecteurs mâles Dupont pour des connexions faciles.

• La sortie 24V doit être coupée immédiatement quand le bouton d'arrêt d'urgence est enfoncé.

• La prise en compte de l'appui sur le bouton d'arrêt d'urgence ne doit pas passer par un programme pour éviter l'aléa d'un bug.

• Le PCB doit proposer un connecteur pour implémenter la fonction de coupe circuit général.

• Le PCB doit être robuste aux polarités inverses en entrée.

• Le PCB doit être robuste aux courts circuits en sortie.

• Le PCB doit avoir des protections contre les surchauffes.

• Le PCB doit permettre de protéger chaque entrée par un fusible.

• Le PCB doit détecter un taux de charge trop faible sur une batterie et la déconnecter.

• Le PCB doit permettre de mesurer la tension et le courant en temps réel sur les sorties.

• La sortie 5,15V doit implémenter le protocole Power Delivery sur le connecteur USB-C pour les paramètres suivants : 5,15V 3A et 5,15V 5A.

• Le PCB doit pouvoir faire de la remontée d'information à la RaspberryPi via un protocole série (I2C, SPI ou UART).

• Le PCB doit être capable de mesurer et faire remonter le taux de charge des batteries en fonction de la tension et du courant mesuré en sortie de la batterie.

• Le PCB doit remonter la source d'alimentation active et les sources d'alimentation valides.

• Le PCB doit émettre un signal sonore au changement de source d'alimentation.

• Le PCB doit émettre un signal sonore différent si une batterie est déchargée.

• L'encombrement de la carte d'alimentation doit être minimisé au maximum.

• La largeur ne peut en aucun cas dépasser 90mm.

• La longueur ne peut en aucun cas dépasser 290mm.

• La carte doit avoir au moins 4 trous de fixation M5.

• Les composants sur la face inférieure ne peuvent pas dépasser 20mm de hauteur.

• Aucun connecteur ne peut être dirigé vers le dessous de la carte.

Schéma électrique

Principe général

{ width="800" } Ce schéma expose le principe général des circuits présents sur la carte.

• 3 entrées (une pour secteur et deux pour batteries LiPo3S)
• Fusibles en entrée et avant chaque convertisseur de tension traco power
• Mesure de courant/tension
• Mesure de température
• USB-PD, buzzer, STM32, coupe circuit
• Boutons d'arrêt d'urgence sur les convertisseurs concernés.

Architecture générale

{ width="800" } De gauche à droite:

• 3 entrées d'alimentation
• Entrée coupe circuit (EN) en Normally Open
• Entrées bouton d'arrêt d'urgence en Normally Open et Normally Closed
• Convertisseurs de tension
• Trous de montage

Sous-partie sélection de la tension d'entrée

{ width="800" } De gauche à droite:

• Mesure de courant/tension sur les deux entrée destinées aux batteries
• Résistances pour régler les seuils d'overvoltage et d'undervoltage (voir documentation du LTC4417)
• P-MOSFETs pour sélectionner une des trois entrées à la fois + limitation du courant d'appel

Documentations :

• LTC4417

Concepteur avec paramètres utilisés : tools.analog.com

Sous-partie microcontrolleur

{ width="800" } De gauche à droite:

• Connecteur SWD pour flasher le STM32
• Buzzer
• Connecteur GPIO
• Capteur de température

Documentations :

• STM32G419
• MCP9608T

Sous-partie sorties

{ width="800" } Mesure de courant/tension pour chaque zone. Controlleur USB-PD supplémentaire pour la sortie 5,15V.

Documentations :

• INA236
• TCPP02-M18
• Résistances L4CL

Routage

Couche supérieure

{ width="800" } { width="800" }

Couches intermédiaires

{ width="800" } { width="800" }

Couche inférieure

{ width="800" } { width="800" }

Perçage

{ width="800" }

Vues 3D

Vue de dessus

{ width="800" }

Vue de dessous

{ width="800" }

Qualité

Règles de design appliquées

Largeur des pistes

0,2mm	0,5mm	1mm	2mm	3mm	4mm
GPIO, I2C, VALID, OV, UV, Resistances mesure de courant, Gates mosfets	3,3V, Pads des résistances de mesure de courant, Pads VBUS du connecteur USB-C	Alimentation connecteur USB-C, Alimentation des 6 pins Dupont en sortie de puissance	Vout vers Traco 3,3V	Sources communes des P-MOSFET de puissance, F4, F5, F6, F7, F8, Sorties des Traco => resistances de mesure => connecteurs Phoenix	IN1, IN2, IN3, F1, F2, F3

Règles de design

Regle	Valeur	Violation
Isolation minimum	0,2mm	Pads STM32, Pads TCPP02, Pads INA236
Largeur de piste minimum	0,2mm	non
Largeur minimale de connexion	0,02mm	non
Largeur minimale d'anneau	0,1mm	non
Diamètre minimum de via	0,5mmm	non
Isolation trou/cuivre	0,25mm	Trou non métallisé connecteur USB-C
Isolation cuivre/contour	0,5mm	non

Bonnes pratiques

• SDA et SCL séparées par une piste GND ou 3V3 quand c'est possible.
• Plans de masse sur les quatre faces avec matrice de vias de 5mm et 2,5mm sur les bordures.
• Pistes à courant important doublées sur les faces intermédiaires

Vérifications réalisées

• Schéma électrique pour la sélection d'entrée conforme à celui recommandé dans la datasheet du LTC4417.
• Schéma électrique pour l'USB-PD conforme à celui dans la datasheet de la carte d'évaluation X-NUCLEO-SRC1M1.
• GPIO du STM32 bien choisis par fonction pour SDA, SLC, PWM du buzzer, CC1, CC2.
• Condensateurs de découplages présents et conformes aux recommendations des datasheets STM32G419, TCPP02, INA236 et MCP9608.
• Résistances de pull-up et capacitance totale du bus I2C conformes au standard.
• Plusieurs chemins de retour pour la masse, suffisamment larges et aménagés avec des vias.
• Références des empreintes visibles et toutes orientées de la même manière.
• Espace suffisamment important autour des connecteurs.
• Indications utilisateur utiles ajoutées pour les fusibles, test points, switches, connecteurs.

Fabrication

Fichiers de fabrication

Les fichiers sources KiCad et les fichiers de fabrication sont téléchargeables dans les releases Github

Bill Of Material

Référence sur le PCB	Valeur	Numéro de série fabricant	Quantité commandée	Quantité en stock	Description
BZ1	Buzzer	PS1240P02BT			Buzzer, polarized
C1,C3,C5	0u39	C0805C394K5RACTU			Unpolarized capacitor
C2,C4,C6	39n	VJ0805Y393KXAAC	15	15	Unpolarized capacitor
C7	1000u	UVY1H102MHD			Polarized capacitor
C8	10n	VJ0805Y103KXAMC	10	10	Unpolarized capacitor
C9,C10,C13->C18,C21,C23	100n	VJ0805Y104KXAMR	30	30	Unpolarized capacitor
C11	4u7	VJ0805G475KXQTW1BC	5	5	Unpolarized capacitor
C12	1u	VJ0805Y105KXQTW1BC	5	5	Unpolarized capacitor
C19,C20	330p	VJ0805A331FXACW1BC	10	10	Unpolarized capacitor
C22	2u2	VJ0805G225KXQTW1BC	5	5	Unpolarized capacitor
D1->D3	BAT54J	BAT54J			30V 200mA Schottky diode, SOD-323F
D4	ESDA25P35-1U1M	ESDA25P35-1U1M			Schottky diode
D5->D7	D_Dual_CommonAnode_AKK_Parallel	BAS70-06			Dual diode, common anode on pin 1
F1	10A	3568			Fuse holder
F2,F3	20A	3568			Fuse holder
F4->F6	6A	01550900M	10		Fuse holder
F7	10A	01550900M	10	10	Fuse holder
F8	1A25	01550900M	10		Fuse holder
J1->J6,J10,J12,J13,J15,J16,J18,J19,J21,J22	1755736	1755736	5		PCB header, nominal cross section: 2.5 mm?, color: green, nominal current: 12 A, rated voltage (III/2): 320 V, contact surface: Tin, type of contact: Male connector, Number of potentials: 2, Number of rows: 1, Number of positions per row: 2, number of connections: 2, product range: MSTBVA 2,5/..-G, pitch: 5.08 mm, mounting: Wave soldering, pin layout: Linear pinning, solder pin [P]: 3.9 mm, Stecksystem: CLASSIC COMBICON, Locking: without, type of packaging: packed in cardboard
J7	Conn_02x10_Odd_Even	~			Generic connector, double row, 02x10, odd/even pin numbering scheme (row 1 odd numbers, row 2 even numbers), script generated (kicad-library-utils/schlib/autogen/connector/)
J8	Conn_ST_STDC14	3220-14-0100-00			ST Debug Connector, standard ARM Cortex-M SWD and JTAG interface plus UART
J11	USB_C_Receptacle_USB2.0_16P	USB4105-GF-A			USB 2.0-only 16P Type-C Receptacle connector
J14,J17,J20	Conn_02x06_Odd_Even	~			Generic connector, double row, 02x06, odd/even pin numbering scheme (row 1 odd numbers, row 2 even numbers), script generated (kicad-library-utils/schlib/autogen/connector/)
JP1->JP3	Jumper_2_Open	~			Jumper, 2-pole, open
JP4	Jumper_2_Bridged	~			Jumper, 2-pole, closed/bridged
PS1	TMR_6-2410WI	TMR_6-2410WI	3	1	6 Watt DC/DC converter, industrial, 2:1 input, regulated, 1600 VDC I/O-isolation, encapsulated, SIP-8
PS2,PS3	THN_30-2411WI	THN_30-2411WI	2	1	30 Watt DC/DC converter, industrial, 2:1 input, encpasulated, 1.0" x 1.0" metal package
PS4	TEN_50-2412WI	TEN_50-2412WI	1	1	50 Watt DC/DC converter, industrial, 4:1 input, encapsulated, 2" x 1" metal package
PS5	THN_30-2415WI	THN_30-2415WI	1	1	30 Watt DC/DC converter, industrial, 2:1 input, encpasulated, 1.0" x 1.0" metal package
Q1->Q6	SUD50P06-15	SUD50P06-15-BE3	15	15	-50A Id, -60V Vds, TrenchFET P-Channel Power MOSFET, 15mOhm Ron, 165nC Qg, -55 to 150 °C, TO-252-2
Q7	STL40DN3LLH5	(https://www.st.com/resource/en/datasheet/stl40dn3llh5.pdf)
Q8	NPN	2DC2412R-7			Bipolar transistor symbol for simulation only, substrate tied to the emitter
Q9->Q11	NMOS	2N7002-7-F			N-MOSFET transistor, drain/source/gate
R1	82k	CRCW080582K0FKEA	5	5	Resistor
R2	100	CRCW0805100RFKEA	5	5	Resistor
R3,R16->R18,R28,R32	10k	CRCW080510K0FKEA	20	20	Resistor
R4	63k4	CRCW080563K4FKEA	5	5	Resistor
R5	158k				Resistor
R6	1960k	CRCW08051M96FKEA			Resistor
R7,R10	37k4	CRCW080537K4FKEA	10	10	Resistor
R8,R11	78k7	CRCW080578K7FKEA	10	10	Resistor
R9,R12	1180k	CRCW08051M18FKEA	10	10	Resistor
R13->R15	11k5	CRCW080511K5FKEA	15	15	Resistor
R19	62m 0.5%	L4CL1206LR062DNR	2		Current Sense Resistors - SMD 4T L4CL1206 0.5W 30ppm 13 mOhm +/-0.5%
R20,R22	13m 0.5%	L4CL1206LR013DNR	4		Current Sense Resistors - SMD 4T L4CL1206 0.5W 30ppm 13 mOhm +/-0.5%
R21	20m 0.5%	L4CL1206LR020DNR	2		Current Sense Resistors - SMD 4T L4CL1206 0.5W 30ppm 13 mOhm +/-0.5%
R23,R24	4m 0.5%	PEWF2512D4L00Q9			Resistor
R25	7m 1%	L4CL1206LR007FNR	2	2	Current Sense Resistors - SMD 4T L4CL1206 0.5W 30ppm 13 mOhm +/-0.5%
R26	47k	CRCW080547K0FKEA	5	5	Resistor
R27,R31,R33->R35	1k	CRCW08051K00FKEA	20	20	Resistor
R29,R30	2k2	CRCW08052K20FKEA	10	10	Resistor
TP1->TP10	TestPoint	~			test point
U1	LTC4417IGN	LTC4417IGN#PBF	2	2	Prioritized PowerPath Controller, Selects Highest Priority Supply from Three Inputs, –40°C to 85°C, SSOP
U2	STM32G491KEU6
U3,U7,U8	INA236BIDDFR	INA236BIDDFR
U4->U6	INA236AIDDFR	INA236AIDDFR
U9	TCPP02-M18				USB Type-C Port Protection for Source application
U10	MCP9808T-E/MS	MCP9808T-E/MS	3	3
Fourniture supplémentaire non présente sur les schémas

Numéro de série fabricant	Quantité commandée	Quantité en stock	Description
1734401	3		Onglet de détrompage pour embase Phoenix Contact
1873058	5		Connecteur mâle Phoenix Contact
1734634			Languette de détrompage pour connecteur Phoenix Contact
045406.3NR			Nano fusible 6.3A
0454010.MR			Nano fusible 10A
045401.5MR			Nano fusible 1.5A