#第一届立创大赛#低纹波（1mV rms）30V/3A任意可调恒压恒流电源 - 立创电子设计大赛

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第一届立创电子设计大赛

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低纹波（1mV rms）恒压恒流电源 1、作品简介(用途、目的和意义) 焊接组装好的PCBA图片，最新版本长这个样子~ <img src="//image.lceda.cn/pullimage/DVFoGJKUmo5Vuni6ieSuWGX7pSEiM4jd2it3rkbT.jpeg" alt="1.jpg"> <img src="//" alt="">您这个电子制作的用途是什么？能实现那些功能？设计一台直流输入10~25V，直流输出0~30V任意可调的恒压、恒流电源。首先希望能作为实验电源用。实验电源的特点：要求电源输出电压纹波噪声要小、过流保护响应迅速、输出电压范围宽等特点；其次可以当作笔记本移动电源或者给其他30V以下的电池组充电；能够满足车载等电池供电的应用场景。最后在满足上述两点的同时尽量将电源体积做小、重量做轻，节省宝贵的桌面空间和带来便携的好处。后续功能扩展到电源和负载的一体化，既可以当电源用，又可以当负载用。当前线路有考虑这个功能，工作量主要在软件上面。几个典型的场景（样机图片为老版本）作为实验电源： <img src="//" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/t7bVOup5mGJQ160dUm5lO3Niv4puUZgTApY2JN5R.jpeg" alt="2.jpg"> 因为适配器的输出电压不可调整，主要规格有12V、15V、19V、20V、24V等。所以输入端电压选择10V~25V，输出按照常规实验电源取最高30V设计。车载笔记本移动电源： <img src="//" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/rygYuoQHUbvRCCMG7Lm2LZNFwajJ09yaTJFK6yYs.jpeg" alt="3.jpg"> 适应为不同电脑供电、同时当然也可以给手机、平板供电万能电池组充放电器： <img src="//" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/9szTZ3l4SthNN23xx9HLC244CPIaPyYnpuycUAIB.jpeg" alt="4.jpg"> 支持给不同类型电池充电、充电电压、电流大小可调节之前老版本做过的电源介绍链接：<a href="http://www.amobbs.com/thread-5645382-1-1.html" target="_blank">http://www.amobbs.com/thread-5645382-1-1.html</a>，很不爽的是输入电压必须比输出电压高，高压输入源不好找，影响了使用。该版本的目标是让所有的笔记本电脑适配器都可以用做该电源的输入源。10V~25V的范围应该可以覆盖99%以上的笔记本适配器了，其他电压等级的我还没见过^_^ 构想：前级电压预调整电路实现宽范围变压，目标范围0.8V~31V可调。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Fy2z3MoqNfittBrgbL1MoOiWM7qqVRuKJe58ybqB.jpeg" alt="5.jpg"> 后级采用串联结构的有源差模滤波电路来实现电源的低纹波噪声和高的动态响应。同时，精确的电压电流调整由有源差模滤波电路来实现。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/QrBzMr4NA3pcwmFlPoBBajyJuvaULCbib18oyDNf.jpeg" alt="6.jpg"> <img src="//" alt="">前后两级协调工作，保证线性调整管上的压降维持在一个较低水平，解决线性稳压的发热问题。 指标定义：输入： 10V~25V 输出： 0~30V 步进值 10mV 输出电流： 0~3A 步进值 1mA 电压分辨率：10mV 电压控制精度50mV 电流分辨率：2mA 电流控制精度5mA 温度稳定性：约200PPM 蓝压接口可选满功率90W输出，损耗小于6W @ 25V输入 为何要制作这个作品？ 主要是手边的手机、笔记本适配器等电子垃圾越来越多，其实这些电子垃圾可以重复利用的，加一个设备就可以改造成各种用电设备都可以用的电源。还有，你可以用来作为车载电源使用，像给手机充电；给笔记本供电；给航模电池充电…… 最重要的是外出干活时，加几节锂电池就是个功率不小的便携式万能移动电源。 难度在哪呢？ 最大的难度在成本控制和时间投入上，因为电源架构比较复杂，光一个高效率的升降压DC/DC都难住很多人，再有源差模部分的环路设计、高精度校准等要费很大精力才能做好这件事情。高效率的升降压DC/DC，最经典的莫过于LTC3780了。这款IC设计的电源模块性能优异，但是成本高企，光一颗控制IC都接近30元，不说其他的管子、电感了。希望推广这个方案，势必要把成本做下去，不能用LTC3780。同时LTC3780芯片纯硬件，不便于调整DC/DC运行状态。比如要调压、相应保护功能和系统的整合都较难实现。斟酌再三，最终决定采用单片机用软件实现LTC3780的方案。四开关升降压电路的控制远比单一的BUCK或者BOOST要复杂得多，这一块会耗费很大的精力。 这个作品能给使用者或者社会带来哪些改变、益处或进步？ 1、解决电子产品电池续航、供电难的问题； 2、废旧适配器、台式机PC电源重复利用，节省社会资源； 3、这个架构的实验电源属于目前比较先进的结构，相比传统电源在重量、成本上都有明显的优势。即：实用性，你自己觉得它体现在哪里？实用性： 1、采用有源差模滤波技术，解决了电源的动态响应和输出电压纹波噪声之间的矛盾； 2、纯数字控制，真正的数控电源。具备输出功率计算、库伦计、电能表、参数保存等功能； 3、宽的输入、输出电压范围，解决供电问题； 4、具备恒压、恒流自动切换能力，可以直接给电池组充电或者作为实验调试电源； 5、较高的电源转换效率（满功率输出效率93%@25Vin，30Vout），减少了电源发热； 6、双向的功率拓扑，可以扩展成电源和负载一体设备，既实现供电又能放电； 2、作品亮点（如果有请写出）您这个作品在设计、实现细节或思路上，用上了哪些新技术或者创新之处？特别好的性能、参数指标也是一个亮点。即: 创新性和趣味性，你自己觉得它体现在哪里？ 1、采用有源差模滤波技术，解决了电源的动态响应和输出电压纹波噪声之间的矛盾；初步测试下来，1mV纹波电压有效值； 2、纯数字控制，真正的数控电源。具备输出功率计算、库伦计、电能表、参数保存等功能； 3、宽的输入、输出电压范围，解决供电难题； 4、双向的功率拓扑，可以扩展成电源和负载一体设备，既实现供电又能放电； 5、较高的电源转换效率（满功率输出效率93%），减少了电源发热；小尺寸、大功率； 3、系统构架图 用图框和箭头的形式，描述您的电子制作作品的组成构架。即方案图。系统框图 <img src="//" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/urSqWTfNlJR4Cu3zozHxSMOa1vkJfzKaOOu4N657.jpeg" alt="1.jpg"> 工作原理整个系统有两大单元构成：四开关升降压电路+有源差模滤波单元。四开关升降压电路作为直流伺服电源，提供有源滤波器想获得的工作电压。有源滤波单元将获得的电压进一步滤波处理。这里准确的讲其实是混合模式滤波，很高频的噪声利用小的差模电感和电容来滤掉，而中低频的噪声由串联MOSFET滤波。好处是获得很小的纹波噪声，同时因为无源器件的感量、容值都较小，电源的动态响应也很快。这样解决了电源动态和纹波之间的矛盾。每个单元各由一片独立的MCU控制，两个单元之间通过通讯建立联系，交换彼此的工作状态。最终的目标是实现有源滤波MOSFET的直流压降尽可能的小，降低这个器件的发热。相比传统的线性稳压电路，这里这个调整管因为压降非常低（0.3V左右），所以损耗很小，发热也很小。这就是为什么这个电源能输出90W功率，而基本不用加散热器的原因。 4、原理图 原理图中个别地方参数可能不对，只是放了一个封装，后续调整。差模滤波器CV、CC控制电路 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/alm3QcADaku4iSaXbyhdCq0PiVFgUKQOc1U3IMkC.jpeg" alt="1.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Iwby6yTwTIatyE2TxRMZwvXu11Mgg65WnATmOBtv.jpeg" alt="2.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/JzFUq6gHbS5ik6BcLSito1Zc5rmbmf1AVE7RQacQ.jpeg" alt="3.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/R29ZX9QqQAs2FNXfHMz3twYtGruDVAHI0Clu7jxv.jpeg" alt="4.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/clgz1EJr6YAb4DAxTgTPvmLYEE1FDrlCjGa9noHE.jpeg" alt="5.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/giMBmYgWeb1WNdssTPfyt47tDo2YARRGAGQNqxBP.jpeg" alt="6.jpg"> 工作原理整个系统有两大单元构成：四开关升降压电路+有源差模滤波单元。四开关升降压电路作为直流伺服电源，提供有源滤波器想获得的工作电压。有源滤波单元将获得的电压进一步滤波处理。这里准确的讲其实是混合模式滤波，很高频的噪声利用小的差模电感和电容来滤掉，而中低频的噪声由串联MOSFET滤波。好处是获得很小的纹波噪声，同时因为无源器件的感量、容值都较小，电源的动态响应也很快。这样解决了电源动态和纹波之间的矛盾。每个单元各由一片独立的MCU控制，两个单元之间通过通讯建立联系，交换彼此的工作状态。最终的目标是实现有源滤波MOSFET的直流压降尽可能的小，降低这个器件的发热。相比传统的线性稳压电路，这里这个调整管因为压降非常低（0.3V左右），所以损耗很小，发热也很小。这就是为什么这个电源能输出90W功率，而基本不用加散热器的原因。 5、PCB****实物图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/LELfUlZ3I0mB2DP9WnSTwpgOWKEZRxfo4HkZ8LCS.jpeg" alt="1.jpg"> <img src="//" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ptJd4DeAfDQOHz01dEwIChwxkpsjUPyRcB9Mrm1J.jpeg" alt="2.jpg"> <img src="//" alt=""> 6、作品演示链接： <a href="http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2NTM2NzI2NA==.html" target="_blank">http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2NTM2NzI2NA==.html</a> 7、总结 这个是作品文章的结尾，比如可讲讲您在完成这个作品的过程中的一些体会、碰到的技术问题或调试经验、作品的未来规划、对我们主办方的建议和意见等等。调试心得体会 1、被通讯误导过一次，开关电源干扰太强，通讯不可靠，发出的字节接收错误。导致控制出错。-----通讯和环路都需要有相应抗干扰措施。 2、被驱动芯片异常误导一次，驱动芯片损坏不严重时，会导致偶尔发波异常，时序出错，再好的控制策略都没法执行。 3、数学建模很重要，瞎鸡巴调参数不如仔细建模算一算。 4、STM32单片机ADC输入阻抗很小，所以采样电阻最好不要大于10K欧姆。 5、卡在一个环节很久时，不如停下来，隔段时间再想一想。一直不停的调，会陷入死循环，费时费力，无助于解决问题。 6、M3确实比M0快不少，M0环路只能到13KHz，M3可以到近50KHz。贵有贵的道理。不过这里M0勉强也够用了。 7、STM32单片机的串口TX和RX是可以交换的，板子做错了，还好软件可以改。 8、PCB板布线很关键，特别是开关电源。地分割及接地点选择非常重要。 9、数控电源的校准很麻烦，参数多，费时费力，后续可以考虑搞个自动校准。 10、升压模式，转换效率和电感关系很大。感量大，电感纹波电流小，效率高。未来规划增加当作电子负载的功能，开发配套的电能并网回馈装置，与该电源结合实现能量的双向流动。电池测试或者电源老化可以节省电能。下一阶段搞定PWM整流器，做一套完整的节能回馈负载和电源一体机。或者以后可以考虑做PCBA的形式，提供给广大工程师或者电子爱好者朋友。主办方的建议和意见 感谢嘉立创提供一个平台让广大工程师有展示自己的作品的机会。 从学生时代开始断断续续在嘉立创做板子，后面又出现个立创商城，再后来连PCB焊接业务也有了。前两个现在经常用，最后一个小批量试产，以后也会用到。现在真心感觉做个小电子产品真是太容易了。当然这里离不开嘉立创的努力。真心希望嘉立创以后的路越走越远！ 在阿莫论坛看到这个：<a href="http://www.amobbs.com/thread-5661556-1-1.html" target="_blank">http://www.amobbs.com/thread-5661556-1-1.html</a> 这个很好！！！我认为是后续可以考虑的一种合作方式。 PCB****或PCBA代付代售模式，大概是这样运作的：跟投资芯片一样，电工网友们利用自己的技术优势设计针对我们商城上再售卖的芯片（可以是代付代付的芯片或物料），设计出该芯片的PCB最小系统评估板， 经过调试和验证OK后，就可以通过我们嘉立创批量制造出一批PCB空板或焊接好的PCBA，最后在JLC旗下的立创商城进行销售，销售利润和方法同代付代售IC一样。 <h5>更多项目详情见链接：<a href="http://club.szlcsc.com/article/details_610_1.html" target="_blank">http://club.szlcsc.com/article/details_610_1.html</a></h5> <h5>本项目归立创社区“pcs3”所有</h5>