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#第五届立创电子设计大赛#全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器

创建时间:1年前

项目主题:自由主题

视频

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描述

<p>注:*为必填项</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】</p> <h4>**产品使用的品牌商介绍:电容(风华) + 电阻(KOA) + 主控芯片(兆易创新 GD32) + 运放 聚洵Gainsil **</h4> <p>1、自我/团队介绍:B站标题:第五届立创电子设计大赛:(全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器)项目 -</p> <p>自我介绍。B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV18V411U793?from=search&seid=2351486646778217126" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV18V411U793?from=search&seid=2351486646778217126</a>< br>< br> < br></p> <p>项目介绍。B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1Lh411o7r2?from=search&seid=13642084700404719828" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV1Lh411o7r2?from=search&seid=13642084700404719828</a>< br>< br> < br></p> <p>2、简要介绍项目:基于GD32全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器</p> <p>初步要实现的要求</p> <p>输入:7.5 - 16V 。</p> <p>输出:6V/5A。</p> <p>输入功率:32W。</p> <p>输出功率:30W。</p> <p>效率:7.5-16V任意电压下 > 90%。</p> <p>输入防反接保护:有。</p> <p>欠过压保护:有。</p> <p>次级短路:有。</p> <p>次级恒压:有。</p> <p>次级恒流:有。</p> <p>快速频闪:要求0.5秒快速开关机,灯都可以正常点亮,驱动器不会被损坏。</p> <p>功率恒定:输入电压变化时,次级电压变化时,输出功率偏差< = 1.5W</p> <p>芯片选择:GD32F330F4P6 + EG3112 + LM321</p> <p>方案选择:LED驱动器不常见的同步整流BUCK(为什么不常见下面有说明)</p> <p>算法选择:</p> <p>1. 积分分离PID。</p> <p>2. 抗积分饱和PID。</p> <p>3. 变速积分PID。</p> <p>4. 带前馈补偿的PID。</p> <p>5. 梯形积分PID。</p> <p>6. 带滤波器的PID。</p> <p>7. 不完全微分PID。</p> <p>8. 微分先行PID。</p> <p>需要实现双闭环控制(电流内环,电压外环,或者 钳压外环,功率中环,电流内环)具体使用哪种环路和算法,本人都会一一测试,选择比较稳定的。</p> <p>【请在竞赛阶段填写 ↓】</p> <p>描述项目详情:一直以来全数字电源也好,全数字LED驱动器也好,一直有层神秘的面纱,参考资料也极少。大部分得需要DSP来实现,一颗DSP少说也得15-20块或者更多。如果做成产品的话,那DSP可以占成本的一大一部分,导致很多企业望而却步。之前本人研究比较多的也是数控(模拟芯片+单片机)这样要简单很多,核心还是模拟芯片作为主控,单片机输出PWM或者DA去控制模拟芯片FB脚,这样就简单很多,但是元件多,批量生产后离散性比较大。数控也无法直接监控到设备的一些故障和稳定状态,当然数控要做一些遥调遥测,485联机,CAN通讯,网口等等也是比较困难的,全数字的也解决了这些问题。随着单片机的飞速发展,让全数字低成本变成可能性,兆易创新单片机也是国产口碑比较好的,正好来测试一下性能,可靠性等等。芯片我们就选择精简版M4内核的 (GD32F330F4P6TR TSSOP-20)脚的,非常小巧的一颗单片机,价位应该在3块钱以内。</p> <p>GD32F330F4主要一些参数。</p> <p>1.M4内核,带DSP指令。 2.主频84MHZ。</p> <p>3.1路ADC。</p> <p>4.7通道DMA。</p> <p>5.工作电压2.6V-3.6V。</p> <p>6.等等其他就不再多介绍了,可以在兆易创新官网下载手册。</p> <p>简要方案框图:</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/6BqITI7gczh2069NoOfTYAbgfKZgSF62TrTAMmCq.png" alt="1597679044225-97faa33843984bcf.png" /></p> <p>工作大致流程:输入经电容滤波后,分压进入单片机检测是否欠过压,如果正常,单片机经驱动芯片后导通下管MOS,延时后导通上管MOS,完成开机上管MOS的自举。进而输出分压后进入单片机运行电压环PID,并算出PID的结果,作为输出电流的参考值后采集并使用LM321放大电流信号后运行电流环PID,算出结果后赋值到PWM,进而完成一次恒压恒流。正常工作后,单片机会检测是否欠过压,检测LED灯珠温度,线性的控制风扇的风量大小以及故障等等。</p> <p>描述项目所面临的挑战及所解决的问题 :</p> <p>一:效率:传统方案异步浮地BUCK,30W的功率,6A输出电流,效率想做到90%,非常困难。下面介绍两种方案的优缺点,选择能满足要求的方案。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/v8GrkYrglcU5D2cvdr2lgE152zwkm85iU4fGU6ji.png" alt="1597677838359-2c74f98cc0d7f79b.png" /></p> <p>常规方案:异步浮点BUCK。</p> <p>优点:</p> <p>1:MOS管容易驱动。</p> <p>2:来回开关,MOS管时序不会出错,不会烧坏。</p> <p>3:峰值电流采样,速度比较快。</p> <p>4:输出浮地,采集电压困难,现在很多方案没有稳压,如果输入电压比较 高的话,次级电容电压也会被冲到很高,在开关瞬间比较伤LED灯珠。</p> <p>缺点:</p> <p>1:效率低。</p> <p>2:MOS管对地采样电阻损耗比较大。</p> <p>3:输出5A电流,次级二极管损耗很大。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/kfLhiV14Dz0zHRqzqNuqRXVk6KWC3DgEiUGr2cJD.png" alt="1597678610392-5e8cb5aa442405ff.png" /></p> <p>特殊方案:同步BUCK。</p> <p>优点:</p> <p>1:效率高,MOS管内阻可以选择很低的。</p> <p>2:平均电流采样,恒流精度比较高。</p> <p>3:输入输出可以共地,采集电压电流比较容易。</p> <p>缺点:</p> <p>1:控制复杂,成本稍高。</p> <p>2:来回开关,MOS管时序容易会出错,容易烧坏灯珠。</p> <p>3:采集峰值电流比较困难,响应速度会降低一些。</p> <p>二:同步BUCK有个致命的问题,当输入来回开关后,MOS管驱动时序会被打乱,轻则烧灯珠,重则直接烧驱动和MOS管。本人通过研究彻底解决了同步BUCK不能热开关的缺陷。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/KT0gzko3O1NbfmmaguJg5VFjPHmsxg3YpWSaowsj.png" alt="1597717397494-018b13858790a764.png" /></p> <p>解决方法如上图,原因在于输入掉电后,输入输出电容储能的电量并无法马上放掉,导致在掉电后电压放电呈现斜线。再次重新上电后上管没有再次自举驱动,导致时序错乱,然后烧坏。有些高手说是软启动问题,之前本人用TL494+IR2104做过同步BUCK,也是这种现象,论坛发了很多次帖子,大部分人认为是软启动不够因为的,后来尝试加了软启动也是一样,还有些人说是上电瞬间占空比不受控,导致输出过流烧坏,其实感觉这个说法也不是很对,我把最大占空比限制到20%,依然是这个现象,因为BUCK就算是开环,最大输出电压也是等于输入电压。经过不断的测试,得出结论。上电瞬间,单片机必须处于重头开始运行程序,完成过欠压,自举才可以。因为BUCK掉电后还会有储存电压,所以得想办法把这个电压快速放掉。经过试验,桥中心点经过二极管然后对地加电容,测试每次上电,发现放电电压斜率更陡峭了,工作原理,电容在这里会对桥中心产生的方波产生阻碍作用,在掉电后,方波依然还有,电容加快阻碍,从而快速泄放掉储存电压。加上输入电压检测,当低于6V,单片机从新复位,那么每次开机都可以保证从新运行。就解决了这个问题。但此方法有个缺陷,正常工作会有0.15W左右的损耗。</p> <p>三:PWM分辨率的问题。 影响全数字电源或者LED驱动器等发展的原因,ADC分辨率,ADC采样速度,PWM分辨率,浮点运算,响应速度,抗干扰性等。其实随着单片机的飞速发展,像ADC分辨率,ADC采样速度,浮点等都不是很大问题。但PWM分辨率是个大的问题,假设我们主频是120MHZ,PWM频闪是200KHZ,那么PWM精度 = 1 /(120MHZ / 200KHZ) = 1 / 600,我们要在0-600整数直接去控制PWM,可见分辨率实在过低,那么精度肯定也受到很大的影响。像一些高级单片机STM32F334 TI的DSP,为了解决这个问题,PWM都有单独的时钟,像STM32F334 PWM时钟高达4.6GHZ,那么精度 = 1 / (4.6GHZ / 200KHZ) = 1 / 23000, PWM可以在0-23000直接调节,可见精度非常的高,模拟芯片没有分辨率一说,可以任意步进。但是那么单片机价格实在太贵,也很难应用到实际的产品上面去,所以为了解决这个问题,尝试把84MHZ的主频超频一些到120MHZ,测试发现很稳定。把PWM频率降低到75KHZ,精度在1 / 1600左右,由于主要是恒流,也够用了。</p> <p>四:EMI的问题。</p> <p>目前设备越来越先进,导致也容易被干扰。为了解决这个问题,模拟芯片已经加入了抖频技术,也叫展频技术。比如说75KHZ的主频。以75KHZ为中心上下变化3KHZ,每一次抖频时间是4MS。本驱动器也增加了抖频技术,详细看下测试视频。</p> <p>(五) 难点:PID算法选择。</p> <p>1,(判断增加或减少法)见到别人有用过这种算法。</p> <p>比如输入10V,输出5V,if(adc > 5V)PWM--;if(adc < 5V)PWM++;</p> <p>这种方法我也测试过,很好调,但是效果一般,尤其是负载发生变化,得等一会电压才会恢复正常,所以这种方法并不适合作为动态调节。</p> <p>2,单电压或者单电流闭环。</p> <p>这种方法是最早测试用的,一般先调P,然后调I和D,D(微分)在电源类使用的话缺点比较多,所以本文使用的是PI调节。(调试方法先让I和D设为0;P设置稍微小一些,看驱动波形,如果发生抖动(震荡)的话适当减少P,然后波形比较稳定后加入I,要由小增大即可,然后微调即可,其实调试几次就会了。</p> <p>3,双闭环(电压外,电流内) 三闭环(电压外,功率中,电流内)</p> <p>其实三闭环是不常见了,常见做法是,电压用比较器钳制,功率做为外环,电流作为内环,因F330无比较器所以没法测试,如果三环>全部用软件写的话,牵制过多,我还没调出来,后面有时间再调下所以本文选择双闭环。</p> <p>4,常见的8种PID算法,本人都一一测试了一下,最后选择常规的PID增量算法,其他算法运行一次的时间过长,影响响应速度。</p> <p>六:难点:PID算法等问题。</p> <p>单片机恒压恒流控制内部运行框图。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/WHECk6KxNVcJYOzk3jYWDHb1wLfKmTgd3JzdJZn6.png" alt="QQ截图20200818214438.png" /></p> <p>内部框图来看,主要是是2个闭环,电压作为外环,电流作为内环。</p> <p>如果是单独电压或者电流环,调节起来难度比较低,两环同时调节的话会相互牵制,调节起来比较麻烦了。调试方法(设置电流环PI值,尽量值要小,然后设置电压环P值,观察驱动波形,直到震荡比较小,加微调即可,方法很简单,但是调试很辛苦,只能慢慢调。)</p> <p>3、描述项目硬件、软件部分涉及到的关键点 :上面有介绍,和下面图片也有标注。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/9ATigrQ1rdop5Qxc0w00HXzuI95M3Vb0PHln9WfG.png" alt="234.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/j5lxIwQ6qRrSqmiSNJDuas1wqYfUg8xmAxYGm5bg.png" alt="QQ截图20200818173834.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/UdLm1lRzJxPTUJd7GDS7N1est14N4lSfLIuzIKCa.png" alt="QQ截图20200818173927.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/PoTGrKQrpyOifVjAvdtkqXcNyP6ypwpFjgE6w661.png" alt="QQ截图20200818174003.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/n7YXeCKRQoG4wGCF2yvXGDG7KbhrWU0nsZ0X8fPh.png" alt="QQ截图20200818174147.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/kLZMKORv3tTXZMejwPH7qgKPK1dG4TYpBI0uuFBr.png" alt="QQ截图20200818174240.png" /></p> <p>4、项目材料清单展示:见附件。</p> <p>5、项目图片上传 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/HwkoGBL1ZiNaOtyUq5MTsgdaqJ0lPvKnCeq2EStQ.png" alt="QQ图片20200818143554.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/36o8EnGY3nVxABVDgWux9k4nrhWpyQ9xmBqT8B98.png" alt="QQ截图20200818143651.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ddjcvMIRftk8BCBFAzwQ4UkiiEXfjx8YCoHoaYmi.png" alt="QQ图片20200818142924.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/2JGCw9P2H7jmOzh2Ifcbash6HpA2C7db04qKuAyT.png" alt="QQ截图20200818143129.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/As7dhhRqPvG98o5xbZZZ9pBF4ETyJEXmSIffUL3p.png" alt="_MG_6940.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/Qe2XyGhnvI4NtYffN3s0zf5r8BOwm6bByzOvorH2.png" alt="_MG_6933.png" /></p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/zWGGv9WN6yWGkTcH68CN1Z3CdOPK7YHkJ3mZpy7r.jpeg" alt="_MG_6888.jpg" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/409q6aIJug8MLLaO7JgccD3EDIp1MAJi2C6FHmCl.png" alt="_MG_6944.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/36znGx6wocxBLJOVp7LxNKMaZHBBN6Kv7DmFiHhT.png" alt="_MG_6945.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/75zrrwBJsAywD2AVYRjaL1PkzfteLcF5xaUU2GAe.png" alt="_MG_6946.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/UlUqUlTHqvaDLrGvhfstXALJHMCzVwBlR8tuuqGe.png" alt="_MG_6947.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ooViYWqs2kAyOqp5S7dcBJylQUGIgzBpe0j39D44.png" alt="_MG_6948.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/NwKMlC1Hnfw8hIcoKqUobrvSyMcuFGqBvTPQ2zfc.png" alt="_MG_6949.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/7EGBahWgqVLJMaznXiyj7CCMO4WDhuAAtSXPwFkY.png" alt="_MG_6964.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/P1hQXIzGpce2EphC5IRnhN7cwkhq67m82JO8u9pg.png" alt="_MG_6965.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/2I6WlgACKFhyRlFy7cLmqjM4ue2bclYkpBUPhceJ.png" alt="_MG_6950.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/FiYcJHkxUMtyHIDwbQCL8BjlimyaAU1YZUc90DS6.png" alt="_MG_6953.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/cCpnuCpUda8k5oBqIaNp122Y2e66kB66j7bE4DvU.png" alt="QQ截图20200901161836.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/qmsW14qcKmFQAPEQrX4abHH6ipoZg2MtyiUjAA06.png" alt="QQ截图20200901165857.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/NSYhXaMhu17imW4dyMut12qXt9mFCR3diPrCBwHF.png" alt="QQ截图20200901165914.png" /> 效率测试图片:     <img src="//image.lceda.cn/pullimage/S2uEJK9loLglDeclKhRjOmxV1tG4GYodqFZzgnrw.png" alt="QQ截图20200815124606.png" /></p> <p>6、演示您的项目并录制成视频上传:<strong>已经上传。</strong></p> <p>6.1、视频上传大赛官网:<strong>已经上传。</strong></p> <p>6.2、B站视频标题</p> <p>1,第五届立创电子设计大赛:《全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器》项目 - 自我介绍   B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV18V411U793?from=search&seid=13746222370725116876" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV18V411U793?from=search&seid=13746222370725116876</a>< br> < br></p> <p>2,第五届立创电子设计大赛:《全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器》项目 - 项目介绍   B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1Lh411o7r2?from=search&seid=13642084700404719828" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV1Lh411o7r2?from=search&seid=13642084700404719828</a>< br> < br></p> <p>3,第五届立创电子设计大赛:《全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器》项目 - 项目测试   B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1y54y1e7rE?from=search&seid=13642084700404719828" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV1y54y1e7rE?from=search&seid=13642084700404719828</a>< br> < br></p> <p>4,第五届立创电子设计大赛《全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器》项目 - 项目新想法和总结   B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1Hh411R7NP?from=search&seid=3247798636556668723" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV1Hh411R7NP?from=search&seid=3247798636556668723</a>< br> < br></p> <p>5,第五届立创电子设计大赛:《全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器》项目 -花絮1 B站链接:<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1T54y1m7Hy?from=search&seid=13998484549694844732" target="_blank" rel="noreferrer noopener">https://www.bilibili.com/video/BV1T54y1m7Hy?from=search&seid=13998484549694844732</a>< br> < br></p> <p>7、是否首次公开发布        :<strong>是首次公开。</strong></p> <p>7.1、项目之前是否发表过或获奖,请说明 :<strong>原创,没有发表过。</strong></p> <p>7.2、若项目是在原有基础上优化,请说明优化部分 :     <strong>没有。</strong></p> <p>8、开源文档 *  <strong>见附件。</strong></p> <p>9、参考文献 :<strong>UC3842内部框图。</strong></p>

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LCDS 回复

距提交截止仅剩58天,立即完善项目有机会赢3万元现金大奖、知名创投机构投资意向、名企名校资深评委指导、优秀项目全方位包装宣传机会;更多大赛详情见:https://diy.szlcsc.com/posts/34f1707c52034835810b0b5719b583bb

shiyidezhanchang 回复

原理图和PCB元件编号对不上啊

aisuiyuan 回复

@shiyidezhanchang 原理图是后画的,可能有几个编号位置不对,具体元器件数值参考BOM或者PCB打开数值选项即可看到

aisuiyuan 回复

@shiyidezhanchang 因改版几次,PCB有所调整,所以个别跟原理图位号有一点冲突,所以大家参考PCB打开数值,以PCB为主,BOM为辅,原理图为参考。

aisuiyuan 回复

任何问题,请跟帖留言哈,谢谢大家支持

shiyidezhanchang 回复

@aisuiyuan 谢谢,UP辛苦,表示持续关注~~~~

LCDS 回复

“GD32杯”第五届立创电子设计大赛【网络人气TOP榜单】更新中,入榜TOP10将获得1000-5000元奖励,详见:https://diy.szlcsc.com/posts/77584d2f66a34eed97ebf5ae488004fb

LCDS 回复

恭喜您的项目在第五届立创电子设计大赛中获得人气奖!

Lyon_123 回复

想请问楼主芯片包在哪里找,用哪款软件编译的

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