#第六届立创电赛#桌面数控电源 - 立创电子设计大赛

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第六届立创电子设计开源大赛

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<div class="document"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <ul> <li>-----------------------------------------------------------------红蘑菇--------------------------------------------------------------</li> <li style="text-align: left;"> 桌面数控电源</li> <li>----------------------------------------------------------------红蘑菇---------------------------------------------------------------</li> <li> </li> <li>基于BUCK-BOOST拓扑结构的同步升降压桌面数控电源项目</li> </ul> <ul> <li> ----------划重点！-------- <ul> <li style="list-style-type: none;"> <ul> <li style="line-height: 1.5;">BUCK-BOOST拓扑结构</li> <li style="line-height: 1.5;">升降压</li> <li style="line-height: 1.5;">同步整流</li> <li style="line-height: 1.5;">恒压、恒流模式</li> <li style="line-height: 1.5;">面板调节</li> <li style="line-height: 1.5;">PC上位机调节</li> <li style="line-height: 1.5;">体积小巧（一个巴掌放得下）</li> <li>智能温控</li> <li>过压、过流、过功率、过温，短路保护</li> <li style="line-height: 1.5;">无操作超时保护</li> <li style="line-height: 1.5;">软开关机电路</li> </ul> </li> </ul> </li> </ul> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 项目首次开源，为自己原创，符合电源学习要求。 双向同步整流BUCK-BOOST电路在同一方向上实现了升降压功能。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/n31nKJOxcEMsizZWjISidbAaGaFwtzuBpoQcSxBX.png"> 它的原理由经典BUCK电路和经典BOOST电路演化而来， 在经典的BUCK电路、BOOST电路中由于整流二极管存在较大压降，在整流二极管上存在较大损耗; 而双向同步整流BUCK-BOOST电路中利用MOS管代替电路中的整流二极管， 由于MOS管开通时MOS管上的压降相对较低，能够显著提高电源的效率。 <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">结构对比分析</li> </ul> 现在几种常见的升降压拓扑结构有BUCK-BOOST电路，Sepic电路，Zeta电路 每种电路各有优缺点。 BUCK-BOOST电路优点效率高，体积小，缺点是控制起来复杂，控制器往往价格昂贵，特别是加入同步整流的控制器，目前市场上，种类少，价格贵，如LM5175/5176,LT8705等，价格在商城卖到了六七十块人民币。 Sepic电路优点是输入和输出是隔离的，在安全方面更好，控制器件简单便宜，BOOST芯片都可以直接改装为Sepic，缺点是有非常复杂的控制环路特性，且效率低，很难达到90/ Zeta电路相比于前两者，并不如其常见，Zeta电路是双Sepic电路，或者是反相Sepic电路，和Sepic电路对比，结构上是Sepic电路相反的。Zeta电路缺点是要求更高的输入电压纹波、大容量的飞跨电容。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 3、开源协议</h3> <h3>MPL (Mozilla Public License 1.1)</h3> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*4、硬件部分</h3> <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">系统方案结构：</li> </ul> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/eYzOsmT5vAshvk5Y8cWbc2Ph8IfY8vcQbJITFHAg.png"> <ul> <li>从左到右依次介绍硬件部分</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">电源输入</li> </ul> 首先，作为电源，肯定是需要输入的，这个项目的想法来源就是想利用日常常使用的电源适配器及充电器作为输入 电源输入采用两组DC头，加TYPE_C供电， DC座分别是5.5-2.5和3.5-1.3（比如B6充电器及一些游戏本电脑是5.5的接口，我笔记本电脑是3.5的接口） 在PCB板子上的重叠安装的，选择其一安装， type_c也可以作为输入，并利用RC上电过程原理，增加了快充诱骗电路 上电后，DP直接给到0.7V，电容10UF通过500K电阻缓慢充电，到达NMOS的开启电压 这个缓慢的过程，大约1.25S，通过计算RC值，来控制这个上电时间， 这符合QC2.0以及3.0的协议，则诱骗充电头输出12V电压 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/nWIvMnj7RCKBTNGQJUvQ1zpgLv9pEovbffy45i3W.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/46a7dsrJhScUUUCJEid9DqB2r0JwtVhemlTcKq4T.png" width="581" height="376"> <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">功率电路</li> </ul> 接下来是主电路 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/f0oLItLUvsCPhnvD79bLTgiJU9kUo7gFrIYUWowD.png" width="640" height="202"> 中间结构像H桥的结构就是BUCK_BOOST的主电路， 其中，Q1和Q2是BUCK降压级，Q3和Q4是BOOST级 基本原理和同步BUCK原理和同步BOOST原理相同， 当输入电压比输出电压高时，即同步的Buck模式。开关管Q4保持常开，开关管Q3保持常关， 当输入电压比输出电压低时，即同步的BOOST模式。开关管Q1保持常开，开关管Q2保持常关， 这是理想情况，在本次项目中，由于使用都是型号相同的NMOS，采用自举方式来驱动MOS的开和关， 由于自举的属性，无法保持某个管子一直常开常闭， 所以当启动一级时，另一级以最大占空比在轮流导通， 最大占空比由振荡器的RT电阻设置 <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">辅助电源和PWM控制器电路</li> </ul> 这一部分电路在驱动板小板上，采样排针方式和功率主板连接， 辅助电源将输入的电压降至12V，供驱动电路及PWM控制器使用 采用驱动板，主要有两个好处 一是功率地，和数字地之间通过排针单点连接， 二是方便后续改版， 若后续版本输入电压范围改变，只需要改动驱动板，就可以实现不同的输入电压范围， 故输入电压范围一定程度上，本次设计输入范围窄是受到辅助电源的限制 若换用TPS54360，输入电压可以达到60V， 由于常见电源适配器基本都在20V以内，本次设计采样TPS54331作为辅助电源，最大输入电压28V，电流3A，具有极低的静态功耗， 满足本次电压输入范围 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/7S5OsG2rAWm5EIdcDLAUrnioYSytmdVGBXoQqxKu.png" width="443" height="271"> PWM发生，采用UC3843作为PWM发生器 在选型时，常用的通用PWM发生器有UC3842//4/5，TL494,SG3525/26等， TL494和SG3525由于最大占空比不能满足本次电路设计要求，未能使用， 综合考虑，使用UC3843，最大占空比可以达到100%. 但是UC3843常规接法，是电流控制型芯片， 所以电路需要改动，在电流采样端，加入三极管，将其改造为单纯受COM端电压控制。 此想法来源于解决3843占空比过大时的斜率补偿方法。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/x1m8yolSiVPPpBQCDpWq6yE7HyMx6X6olj3iJaEb.png" width="432" height="258"> <ul> <li>PWM芯片的控制</li> </ul> 采用单片机PWM转DAC输出，32F103C8没有集成DAC功能 （详细滤波计算见附件） 利用PWM得到的电压信号，与反馈电压形成比较，来控制COM端，从而控制占空比。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/dj9dNiqikJ7x3UdnBP6XHbqeklEcHFR6Y3sPjNjI.png"> <ul> <li>驱动电路</li> </ul> 同步驱动采用EG2104半桥驱动器，自带死区时间的驱动器，性能优于IR2104,价格还便宜，简直就是国货之光 其驱动原理如下图，自举方式，使得上下两管均可打开关闭， <img src="//image.lceda.cn/pullimage/u42KBvgmnPZghGplQsNXY2FgNqaK07BqqXUXsbwg.png"> 在实际使用时，加入三极管在G极，加速关断，大大消除了极间电容对开通关闭的影响 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vGixSFqhAcEaW7AKN4wB7eXM2twy0Apv2IjensEa.png"> <ul> <li>电压电流信号采集电路</li> </ul> 输入，输出均有电压电流采集 电压采集采样简单的电阻分压，将电压信号衰减至单片机ADC采集范围，稳压二极管用于保护， 电流采集采样INA199，进行低端电流采集，消除高端采集共模电压高，带来采集芯片价格高的问题， 低端采样引入误差至地平面的问题，在软件ADC算法中利用程序解决 本质上，电流采集利用运算放大器差分放大，但是由于电阻精度问题，差分两组电阻无法保证阻值相同，精度差 INA199将电阻集成在内部，解决了这个问题， 性能上来说，INA199性能在同类中一般，好在价格便宜，我购入价格在1.7一颗，这个价格，比很多运放都便宜 本次设计中，电流采集用于电流模式，由于电流模式并不是很常用，精度要求并不是很高，故使用此芯片可满足要求 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/lkjIy9B6fBfEWIkWVaJrjcuFvzpNMj9E5yFBOfDL.png"> <ul> <li>温控散热电路</li> </ul> 温度采集采用热敏电阻，占用一路ADC来采集电压，从而判断是否需要开启散热以及过温， 本次设计对温度精度并不做要求，没有必要使用温度集成芯片， 采用热敏电阻，既节约体积，也节省成本。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VurVyew8FcbWZy1DAXXsibEYOveaANisMNrI5vq7.png"> <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt pap-left-indent-1.6em" style="line-height: 1.8;">软开机电路：</li> </ul> 背部插上电，并不会开机，按动开机键，PNP导通，为单片机上电，单片机IO口可控制NPN保持开机， 当长时间未操作，控制IO口断开保持，切断电源， 开机状态按下开机键，检测IO检测到低电平，切断保持IO口，关机 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/UIidPRj49LLm45rGid8TZLucB59rWDRL7LyhgvXl.png"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">上位机采用QT编写，在WIN系统运行，大屏显示电压，电流，功率，进行电压电流跟踪记录，保护设置等</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">现阶段实现功能，显示电压，电流，功率，曲线记录电压电流变化图，上位机输入电压设置，快速设置电压</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"> </li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/awj7NDamyP5TzIqpvcKtoyGJn1ZwjbAAFjRnIIvz.png"></li> </ul> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> BOM表一共三份，分别是功率板，驱动板，控制板 分为3张板，主要是方便安装和替换，以适应不同的实际安装使用条件 更多详细型号封装及购买链接，见附件 功率板： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/qyhRLqKOJCQsrDPICcqs5z2wUepiU3xtdzHF182s.png"> 驱动板： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/db7WvKwKi7cRUzg0qOgOtzqeBT6qASujWoY8y0AO.png"> 控制板： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/3lLrYQstQ20zC8Da3Elp8SjNf8sb5gNVposHy6BL.png"> 注：项目涉及的BOM清单。这个位置请上传BOM的截图。清单详情请以PDF的格式上传到附件中。建议包括型号、品牌、名称、封装、采购渠道、用途等内容。具体内容和形式应以表达清楚项目构成为准。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Z8yVGoUdkERD2LpNJMTYYyLkN7WKH3Rj3q02oVU2.jpeg" alt="" width="803" height="414"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mPBcEnW2MmxIfeh6NjmDER20FaPDHt7MMiG1Vh07.jpeg" alt="" width="433" height="644"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/dLMFwrhINYqsGz69gvYUMFQmyJqSv0PWvqUxH8nx.jpeg" alt="" width="809" height="683"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/E8Zlpwg533Rcmq693XzbpvD4v7xUmS0mPglZVawH.jpeg" alt="" width="829" height="430"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/swFglk5I2MiNre6tJNCxx5nXTirZTS4Fn4y0BHfp.png"> 实物：</div> <div class="document"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/GNbjt8HcMjXMVfiZXrDe55uW8capIsuA79HdRObL.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/zBQnCR4W2hHz5qN5B29zbkR3p7zlvnem2YhaZCmI.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/BxhUxQbHtv95ZDuAK7FdkXQ5eIY1vkeepAqJmAwH.png" width="574" height="299"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cxlVHoo8xyzKxpoma0QYBf7jH1OK8WKCG7NogfWa.png" width="592" height="397"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 时间来不及，未完成 9月11号打板，18号才收到板子，已经来不及焊接调试了 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/kXURA33gt7lCwsLyTA8mN0GrV7g7v9WRIGaBaJy2.png" width="735" height="460"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/GSK7xdTUm8QdcUv5LxmAxxf5v3d6XHrYUmMeCbGw.png" width="740" height="421"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mJ85lytTPZGYHhW7ijFPAE8zgXKLtAu3rym2URGH.png" width="752" height="467"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/muPKjLDcvWfRvM4i7y6BBjh6LyfcSXHGzzSd02gQ.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/OpaRBezScUwQAb2wW3VrPv99c6xCAsyJL3lviFW0.png" width="497" height="466"> 总结： <ul> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">比赛开始后，事情太多了，在实验室准备TI杯一个月，后面由于疫情取消了，回家一个月，没有带设备回家，无法开展</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">9月6号，开学后，一边上课，一边利用课余时间绘制PCB，在十一号完成对电路板设计工作，为了适应壳体，尺寸测量，设计耗费了较多时间，</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">十八号板子到达，无法完成调试工作了，期待下次有机会开源吧</li> </ul> </div>