利用無線充電讓 HP-25 計算機重獲新生

或者，將一台 45 年前的計算機帶入 21 世紀。

HP-25 在當時是一款革命性的計算機。它於 1975 年推出，是第一款價格實惠的可程式化工程計算機。隨著歲月的流逝，開發出了功能更強大的更先進型號。但 25 在功能、尺寸和易用性之間取得了特別好的平衡。

今天我們生活在一個截然不同的世界：我們都擁有多個強大的運算裝置。現在沒有工程師會考慮在計算機上繪圖：我們有電腦可以更快、更好地完成這項工作。代數運算或符號運算也是如此。然而，我們仍然需要一台好的工程計算機——一種易於存取的裝置，可以快速執行簡單的計算，並且具有恰到好處的功能數量。

這就是為什麼 HP-25 再次變得有吸引力的原因。如果您從事電子或機械設計工作，您經常需要使用科學或工程符號並執行簡單的手機計算器應用程式無法勝任的計算。簡單的按鍵式可程式化功能意味著您可以快速自動化任務：例如，我經常將並聯電阻公式輸入為程式，只需按一下按鍵即可存取。輸入兩個電阻值，按下 R/S 即可獲得結果。HP-25 是由工程師為工程師設計的，當您使用它時就能感受到這一點。重要的是，它非常適合您的手掌，可以單手使用，這對於許多其他優秀的後期 HP 計算器（如 Voyager 系列：HP-11C 和 HP-15C）來說並非如此。

我擁有的 HP-25 是我父親在我出生前後購買的。我一直很喜歡使用它，但這一系列計算機（被稱為「Woodstock」）受到電池組設計的限制。原來的電池組包含兩個密封的鎳鎘電池，顯然多年前就失效了。大多數人用新電池替換了鎳鎘電池，然後用鎳氫電池，甚至鹼性 AA 電池。這總是有問題的：較新的電池稍大一些，永遠無法很好地安裝。此外，帶有 LED 顯示器的計算機功耗很大，因此需要頻繁更換電池。

HP-25 隨附一個「充電器」（實際上只是一個變壓器），但充電電路很糟糕：無負載的充電器提供 10V AC：這比計算機可以處理的電壓更高，假設連接的鎳鎘電池會箝位電壓。整個充電電路僅由一個二極體和一個電阻器組成！如果您的電池接觸不良，或者您在未插入電池組的情況下連接充電器，您的計算機就會燒壞。

我決定做點什麼讓我的 HP-25 每天都能使用。所以我著手設計了一個可充電電池組，用來替換原來的電池組，但使用現代的鋰聚合物電池，並具有 Qi/WPC 無線充電功能和 USB 備援。

我現在擁有完美的工程計算機，它已經 45 歲了，卻能快樂地坐在 Qi 電源板上充電。如果我沒有電源板，我可以拆下電池組並使用側面的 micro-USB 連接器充電。但事實證明，其實不需要經常充電——以我的使用情況，900mAh 的鋰聚合物電池提供了足夠維持數週的能量。

設計假設為：

應替換原始電池組
不對計算機本身進行修改
WPC/Qi 無線充電
用於有線充電的 Micro-USB 連接器
鋰聚合物電池，正常使用下至少可持續數天
低電量指示器

我在 Fusion 360 中設計了電池組外殼，並測量了原始電池組的尺寸。結果發現這並不簡單：原始電池組是為射出成型設計的，拔模角度使幾何形狀變得複雜。由於我不打算大量生產這些，所以我沒有費心進行射出成型設計，而是假設使用 SLS（選擇性雷射燒結）進行 3D 列印。這就是為什麼我的電池組開啟方式與原始電池組不同，提供了更好的電子元件和電池存取性，但犧牲了射出成型的能力。

沒有使用緊固件：一個簡單的彈簧夾就足以將蓋子固定到位，而且電池組大部分時間都在計算機中使用，因此沒有蓋子打開的風險。

計算機通常由兩節鎳鎘電池供電，每節電壓為 1.2V。我決定產生 2.5V 而不是 2.4V，假設額外的 0.1V 不會有任何損害（畢竟，許多人一直在使用鹼性電池的計算機，其電壓為 1.25V），並且增加的電壓會使計算機中的升壓轉換器效率略高。

我決定使用德州儀器 (Texas Instruments) 的現代低功耗降壓控制器之一 (TPS62740)。其 360nA 的低工作靜態電流意味著我不必擔心是否有開/關切換開關。還有靜態電流更低的控制器（甚至低至 60nA！），但我想要有可編程的電壓輸出——請繼續閱讀以了解原因。

對於 WPC/Qi，我選擇了 bq51050B (Texas Instruments) 和 Wuerth Elektronik 的線圈。事實證明這比我想像的要困難得多：設計無線充電設備很困難，需要多個原型和我不具備的測量設備。最後，我採用了一些可能不是最佳的設計決策，但在這種情況下 (低功耗需求) 提供了可接受的性能。換句話說，我是臨場發揮的。由於 bq51050B 的文件令人失望，並沒有真正達到 TI 的標準，這使得情況變得更加困難。

該板還有一個用於有線充電的 Micro-USB 連接埠、一個充電控制器 IC（流行的 MCP73832）、一對作為 USB 電源開關的 MOSFET、一堆用於外露端子的 ESD 保護，以及一個用於監控電池溫度的離散熱敏電阻，因為許多廉價的鋰聚合物電池沒有熱敏電阻，或者其熱敏電阻與充電 IC 預期的不匹配。

設計低電量指示器是一個有趣的挑戰。假設電壓代表電池電量（這對 LiPo 電池來說並不完全正確），如何在不持續消耗電力並在此過程中耗盡電池的情況下測量電壓？請記住，我們的功率預算是在奈安培級別：整個設備的靜態功耗應低於 1μA。

由於庫侖計數 IC 設備太貴，而且通常採用不友好的 BGA 封裝，而且我不想讓設計過於複雜，所以我不得不尋找更簡單的東西。

可以設計一個基於微控制器的解決方案，但多年來我第一次想設計一個沒有微控制器和軟體的設備。

另外，您如何顯示結果？您不能點亮 LED，因為那會迅速消耗剩餘的能量，甚至可能沒有人看指示器。「電池檢查」按鈕？可能，但這會使機械設計顯著複雜化。

花了一段時間，但我確實想出了一個解決方案。

我意識到計算機實際上確實有一個內建的低電量指示器。當電池電壓低於閾值（我測量為 2.1V）時，LED 螢幕會點亮所有小數點，除了通常應該亮起的那一個。透過這種「反轉」小數點的方式，您仍然可以使用計算機，但您可以清楚地看到需要更換電池。

所以，我使用了一個電源電流為 250nA 的電壓（重置）監控器來監控電池電壓。如果它低於 3V，輸出就會變低。該輸出連接到 TPS62740 降壓穩壓器的一個電壓選擇引腳（這就是為什麼我需要一個可編程電壓輸出元件），並導致它開始產生 2.1V 而不是 2.5V。換句話說，電池電量低，小數點 LED 亮起，任務完成！