第一次成功设计 PCB 电路板记录
记录第一次成功完成从电路设计到能正常使用的过程。
前言
之前也尝试过设计定位器，但是遇到这样那样的BUG，然后发现需要处理天线，加上电池体积还大，还不如买个华强北的AirTag，再加上老婆怀孕，因此不了了之。
这次又开始折腾的原因是家里的人体传感器出问题了，半夜卫生间没人，都在睡觉，却感应到有人，把卫生间灯打开了。我睡眠质量挺好，没影响到我，但是影响到我老婆了，她说了我几次让我处理。但是对于这种，我也没啥好的处理办法，猜测是有灰尘，或者卫生间的水雾影响到了电路。
接着，我就想到了之前冲动消费，放在家里吃灰的人在传感器，该产品如下图所示：
当时是因为买完人体传感器后，发现功能有点弱，识别能力有点弱，我在淋浴间洗澡，人体传感器就识别不到了，洗着洗着就关灯了。我就想着换个人在传感器，因为这个牌子支持米家，在人在传感器中这个又很处于底部价格，看着功能挺多的，我没有认真看，就下单了。
但是到手后一看设备，两眼一黑😤，如下图所示：
谁家正经传感器用外部供电，我还得在装修的时候专门给你留个坑位？因此这个设备买来后一直放在家里睡觉。
上次为了搞定位器，买了块锂电池，如下图所示：
因为定位器的失利，所以这个电池也在家睡觉，但我现在是看不惯他俩一直在家睡觉，再加上最近又处于电子阳痿期间，我就想着把他两利用起来。
电路设计
接着，我就想到了之前在设计定义器时用到的TP4065芯片，参考电路如下所示：
该电路是 3.7V 锂电池充电电路，输入 5V，提供充电和充满电指示灯。但是 3.7V 的锂电池最多只能充到 4.2V 左右，而我需要的输出为 5V，因此还需要一个升压电路，把锂电池的输出升压到 5V。
接着继续在嘉立创的开源社区闲逛，然后发现了TP-5400芯片，参考电路如下所示：
该芯片既提供给 3.7V 的锂电池充电，还提供锂电池升压到 5V 的输出，完美的符合了我的需求。随后我开始在嘉立创上设计电路，第一部分电路如下所示：
第二部分电路设计输出，如下所示：
我设计了一个type-c口，一个micro-usb口，两个排针口。其中usb/c 口可以通一个 2 排 6教 2 档的开关来切换是输入还是输出。两个排针口，一个设计的是输入，一个设计的是输出。
如果要节省成本，当然是只要一个 type-c 口或者micro-usb 口就好了，但是呢，我在嘉立创开源社区闲逛的时候，学习到了第三部分电路，如下所示：
其中5VOUT为TP-5400升压输出的 5V 引脚，BAT 为电池输入引脚，VCC 为整个电路板供电输出引脚。+5V为 USB 供电输入。Q1 和 Q2 为 PMOS，只有在栅极电压比源极电压低于Vth 时，才会导通。
因为R4:R5 = 1:9，所以Q1 的栅极电压Vg = 0.9Vbat。
Q1 的源极(S)是5VOUT，所以在Vs - Vg > Vth时，Q1 导通。
当电池电量充足时，Vs = 5V ，Vbat 的最大值为4.2，因此Vg(max) = 0.9 * 4.2 = 3.78V。
我选用的 PMOS 型号参数如下所示：
Vs - Vg(max) = 5 - 3.78V = 1.22V > Vth = 1V，因此在电量充足的情况下，Q1 处于导通状态VOUT = 5VOUT。
TP-5400有以下特性：
当电量不足 3V时，TP-5400无法再升压到 5V，5VOUT的输出电压等于电池Vbat电压。这时：Vs - Vg = Vbat - 0.9Vbat = 0.1Vbat，只有当Vbat > 10V，才能满足Vs - Vg > Vth，这时Q1关断。VOUT没有电压，相当于切断电路。
因此，上半部分电路的作用为：电池电压小于 3V断电。
再来看下半部分电路图。当没有 USB 供电时，Q2 的Vg = 0，正常情况下Vs = 5V，这时 Q2 导通，VCC = VOUT。
当存在 USB 供电时，Q2 的Vg = 5V，Vs - Vg = 0，Q2 关断。D3 为肖基特二极管，作用是降压，参数如下所示：
D3降压0.55V，因此 VCC = 4.5V。因为该电路是我直接抄来的，对我来说 D3 没用，缩减成本可以去掉。
因此，下半部分电路的作用是：当USB 供电时，使用 USB 供电作为电路输出。否则电池电路作为输出。
正常来说，到此为止的电路已经满足我需求。但是我想添加一个测量电池电量的功能，考虑到成本和电路复杂度，我只需要初略计算，因此我发现了HM1160芯片，参考电路如下所示：
我画出的电路图如下所示：
该电路挺简单的，有 4 个能级，电量越高，亮灯越多。使用了一个开关，只有按下开关时，才会显示电量。
到此，所有电路都设计完毕了，完整电路图如下所示：
下一步就是画 PCB 板了，这个没啥可说的，最终PCB 板为双层板，如下所示：
我没有直接把测量电量的电路和主电路合并到一起，并且中间添加了一道分割线，考虑未来可以以此线进行切割，就可以单独有一个测量电量的模块。在切割线上禁止铺铜，为了方便切割。
最终的实体板子如下所示：
贴片贴好以后：
测试电量：
充电中：
充满后：
给人体存在传感器供电：
下一步就是使用 3D 打印机给它设计外壳，比较是放在卫生间的，比较潮，还是需要有保护壳。我发现直接使用嘉立创EDA 能很方便的给自己设计的 PCB 板设计外壳，我设计的外壳如下所示：
最终成品如下所示：
成本计算
一份板子的成本如下所示：
| 名称 | 花费(RMB) |
|---|---|
| PCB 板 | 0 |
| TP-5400 | 0.67 |
| HM1160 | 0.3 |
| 47UF 钽电容 | 0.7 |
| 6 个贴片LED | 0.264 |
| type-c 母座 | 0.32 |
| 2个SS34肖基特二极管 | 0.38 |
| PH2.0-2P 母座 | 0.0177 |
| PH2.0-2P 公座 | 0.0147 |
| 0630电感10UH | 0.285 |
| 拨动开关 | 0.1375 |
| TVS | 0.19 |
| 2010 0.3R电阻 | 0.175 |
| 22uF 电容2个 | 0.06 |
| 800毫安电池 | 14.8 |
| PMOS 2个 | 0.355 |
| 轻触开关 | 0.336 |
| Micro-B 母座 | 0.217 |
| 100nF电容2个 | 0.0218 |
| 10uF 电容 | 0.1296 |
| 1uF 电容 | 0.195 |
| 10k 电阻 | 0.037 |
| 5个电阻 | 0.028 |
总计：19.6333，约等于 20 块。
失败经验分享
之前，失败过一个版本，来分析一下踩坑经验。
- 电焊能力不扎实。如下图所示：
两个 USB 是因为我只汗好了贴片引脚，打孔引脚没焊好，导致拔插线，稍微一用力，就拔掉了。分析原因，我使用的有铅锡，写着熔点温度 185℃，我电烙铁开到 200℃，感觉很难焊。最新一次，把电烙铁温度开到 300 ℃，焊起来就特别顺畅。
下面开关的四个引脚都是贴片引脚，下面两个偏大的 GND 引脚不知道为啥，热起来慢，第一次我用热风枪吹了半天，锡膏都没化，上面两个引脚的都 ok 了。我实在等不住了，就没继续吹了，导致没焊好，稍微用力，开关就被按掉了。
- 贴片 LED 没法用热风枪。
在我的电路图中，有 6 个 LED 灯，都使用贴片封装。因为特别轻，热风枪很容易就吹飞，我调小了风速，还是会吹飞。之后还是用电烙铁焊的，浪费了大量时间。
拨动开关太占位置。一开始选择这个波动开关是因为家里有这个元件，但是太占位置了，一个开关只能控制两种状态。我需要控制两个 USB 口，加排针口的输入输出，因此需要 3 个开关。之后在逛商店的时候发现了最新版使用的2 排 6 脚 2 档开关，一个顶两，个头也没有更大。其实还可以考虑拨码开关，但是没想好怎么设计，所以就没选。
⚠️电子元件的功率问题。
刚开始学电路设计，很多地方都没考虑到。比如元件封装的型号是跟功率相关的，在我的电路中大部分使用的是英制0603 封装，常见贴片电阻封装对照表如下所示：
| 英制封装代号 | 公制封装代号 | 尺寸 (长×宽) mm | 典型功率 (瓦特 W) | 常见应用和备注 |
|---|---|---|---|---|
| 0201 | 0603 | 0.6 × 0.3 | 1/20W (0.05W) | 超小型设备，手机、可穿戴设备，对焊接工艺要求高。 |
| 0402 | 1005 | 1.0 × 0.5 | 1/16W (0.0625W) | 高密度PCB，智能手机、平板电脑。 |
| 0603 | 1608 | 1.6 × 0.8 | 1/16W (0.0625W) 或 1/10W (0.1W) |
最常用的通用型封装之一，功率有不同规格，需看具体型号。 |
| 0805 | 2012 | 2.0 × 1.25 | 1/10W (0.1W) | 非常通用的封装，用于各种消费电子和工业产品。 |
| 1206 | 3216 | 3.2 × 1.6 | 1/8W (0.125W) 或 1/4W (0.25W) |
通用性强，功率稍大，也可用于做排阻。 |
| 1210 | 3225 | 3.2 × 2.5 | 1/2W (0.5W) | 需要中等功率的场合。 |
| 2010 | 5025 | 5.0 × 2.5 | 3/4W (0.75W) | 功率电阻。 |
| 2512 | 6432 | 6.4 × 3.2 | 1W | 常见的大功率贴片电阻封装。 |
| — | 1225 | 3.2 × 6.4 | 2W | 大功率贴片电阻。 |
| — | 2050 | 5.0 × 12.5 | 3W | 大功率贴片电阻。 |
| — | 2550 | 6.4 × 12.5 | 4W | 大功率贴片电阻。 |
因为在TP-5400的资料中有以下设定，Rprog电阻在我的电路中为R1，阻值为1.1kΩ，因此充电电流Ibat = 1A。因此，流经R2 的电流也 1A，而 R2 的阻值为0.3Ω，R2 的功率为0.3W。因此 R2 不能使用 0603封装，我最终选择了 2010 封装的电阻。我们试试计算 R1 的功率，通过文档可以得知Vprog = 1V，那么 R1 的功率为：P = U * I = U * U / R = 1/1100W，使用 0603 封装的电阻完全没问题。
以上这些知识我都是看资料学来的，但是我以为只有电阻需要考虑，但是电感，电容也同样需要考虑。电容需要考虑额定电压，电感需要考虑额定电流。比如在我设计的电路中，就没考虑过电感的额定电流问题，导致电感烧了，如下所示：
第一版设计，大部分功能都正常，但是电池输出一旦接上负载就冒烟，经过研究发现，是电感烧了。我使用的电感是 0603 封装 10uH，额定电流大部分为几十到几百mA。
使用 GPT 搜了一下电感电流的计算方法：https://chatgpt.com/share/68a89e1f-64d0-8000-abcd-0e7ab49a67ba
电感的电流至少要 2A 以上，最终我选定了 0630 封装的功率电感。
最终进展
一切都完成后，开始实用阶段。仅仅一晚，锂电池就没电了，电压就降到3V 左右。接着，我再深入了解了一下人体存在传感器的情况和人体传感器的情况，我才发现之前的想法是大错特错。
比如我的这款人体传感器，包含红外模块，光感模块，蓝牙模块，官方数据如下所示：
按照上面的数据来计算一下，已知：CR2450纽扣电池 (典型容量600-620mAh, 3V)，容量按最高的 620mAh 算，总能量为：Wh = U * I * t = 3V * 0.62Ah = 1.86Wh。一年有 365 天，一天有 24 小时，3 年总共有 26280h。那么设备每小时消耗的能量为：1.86Wh / 26280h ≈ 70.7μWh。每小时的工作电流约等于 23.6μAh。
再来看看我的这款乐天派 人体存在传感器，包含红外模块，毫米波雷达，光感模块，温度，湿度，蓝牙模块。虽然官方没有标明功耗信息，但是已知毫米波雷达使用的是 24G 毫米波雷达技术，如下所示：
经过拆解搜索，发现乐天派 POP 使用的是RKB1125G人体存在检测 24GHz毫米波雷达。该款毫米波雷达的工作电流为 75mA。
如果仅计算毫米波雷达的功耗，首先是功率为：75mA / 1000 * 3.3V = 0.2475W。我的 3.7V 锂电池的容量为800mAh，那么总能量为：Wh = 3.7V * 0.8Ah = 2.96Wh。那么该锂电池给毫米波雷达供电，能持续运行：2.96Wh / 0.2475W ≈ 12h。
分析到这，我也就明白为什么乐天派人体存在传感器 POP使用 USB 供电，在体积受限的情况下，根本没法让设备长时间运行。而我添加的供电模块也是无用功，相比使用 USB 供电，每半天需要充一次电更让我无法忍受。
接着我又继续研究了一波人体存在传感器，绝大部分都是使用 USB 进行供电，我猜测这些设备使用的毫米波雷达的工作电流都在 20mA以上。但是也有部分可以使用电池供电的低功耗版本，比如乐天派的人体传感器Air，参数性能没发现有下降，不过价格相对的会更高，估计是用的更贵的低功耗毫米波雷达。比如：低功耗人体存在传感器USRR235L毫米波雷达感应模块，该款毫米波雷达的耗能为 70uA，就可以支持纽扣电池供电。
第一次成功设计 PCB 电路板记录
