电源开发日志
介绍
学习电源知识,制作STM32数控电源
# 电源开发日志
# 理论学习部分
# 电源分类
1电压源:家用
2电流源:充电器
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3直流电源:DC
4交流电源:AC
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5线性电源:LDO
6开关电源:BUCK
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7降压电源
8升压电源
9升压降压电源
# LDO:
特点:负载功率越大,效率越低;
自身承担多余的电压,来实现降压;
控制简单,器件少,成本低,适用于负载小的场合(小电流,三极管CE端压降小的时候);
# BUCK:
优点:效率高,体积小,可以实现大功率(损耗小);
# 实现要点:
- 对输出电压进行检测;
- 反馈到输入端;
- 开关调节;
- 对输出电压进行检测...
# 问题:
- 输出的电压有波动(纹波)
- 输入波动对输出电压的影响
- 负载也是波动的
- 调节时间的长短对输出电压的影响(调节时间产生的结果称为:响应)
# 开关:
# MOSFET电子开关
MOSFET的损耗问题:
- 导通损耗:漏极和源极的等效电阻Rdson;
- 开关损耗:工艺原因MOSFET无法完全导通和完全断开;
# IGBT开关器件
# 特点:
- 导通时可以通过更大的流;
- 导通速度较MOSFET慢(开关频率低,体积大);
- 导通压降为一定值(导通损耗比较低);
# 两种开关器件体积与开关频率的关系特点
- 成本不一样;
- 频率不一样;
- 体积(运送包的体积)不一样(体积越小频率越高,成本越低) -> 电感;
- 需要把能量拆分成若干个包,分批次运输(为了降低体积进而降低成本);
*频率越高,分的批次越多,开关损耗增大,温升增高,进而影响器件寿命;
*温升每升高10度,系统的可靠性就会下降10倍;
# 开关电路元器件的作用
# 电容:
特点:电容上的电压不会发生激变,电流会发生激变;
- 使负载电压相对稳定;
- 通过开关频率控制输出电压为所需电压;
- 维持负载的正常工作;
- 以电压的形式储存能量;
# 电感(核心器件):
特点:电感上的电流不会发生激变,电压会发生激变;
- 不会出现浪涌电流损坏电容;
- 不耗能;
- 和电容共同作用使输出电压稳定;
- 以电流的方式储存能量;
*电感电压的电弧作用;
*电容的电压可以等效为电感的电流;
*电源涉及到能量的储存和转移;
*电感饱和时对电流的抑制能力为0;
# 续流二极管:
- 续流,不会出现电弧损坏开关器件;
- 替代电阻减小损耗;
*开关管的耐压 > Vin+二极管正向压降;
*二极管的反向耐压 > Vin;
# BUCK电源的核心器件
# 电感:
- 工作模式:电流的下峰值不为0(连续工作模式CCM),某时刻为0(临界连续模式BCM),某段时间为0(断续模式DCM);
- 电感的感应电压与电感电流的斜率有关;
- 电感电压与开关的动作总是相反;
- 电感的电压由Vin和Vout决定;
- 电感上面的平均电流等于负载电流;
- 在CCM,BCM工作状态下,电感的平均电流位于电感电流的几何中心;
- 电感的额定电流要为基准电流的1.2倍;
# 计算公式
电感选择:
# TPS5430
经典DC-DC降压芯片
- 电压反馈功能
- 电流的反馈功能
- PWM调节
- 供电电源
- 电压保护
*使用电源芯片时,高频回路和采样回路一定要短;
# 电源芯片具备的功能
- 欠压保护
- 使能开关
- 过温度保护
- 高精度的基准电压
- 软起电路
- 自举充电电路
- PWM波生成器
- 电流保护
- 内置mos管
- 驱动电路
# 设计电源驱动要点
- 实现开关作用;
- PWM波形电路;
- 软启定电路;
- 悬浮的电路设计;
- 自举电路;
- 上电启动电路;
- 电流保护电路;
- 电压环控制电路;
*控制弱电而不是强电;
# 电路设计
# 原理图仿真
根据上面的设计电源驱动要点
经过不断仿真设计出如下所示电路
该电路未使用栅极驱动IC,方针成功.但考虑到若干三极管和LM358的成分并不低于一个功放IC的成本.故此电路仅作方针不做实物.
ps:由于存储问题,部分文件都已经打不开了,但是下面的电路都是经过仿真可行后绘制的原理图.
# 原理图设计
选用国产的栅极驱动EG2104设计的BUCK电路
# PCB LAYOUT
# 测试
# 电源纹波
这个波形是有问题的,原因是控制栅极驱动IC的PWM引脚(PA15)在单片机复位时该引脚被JTAG功能占用(高电平),随后才会被PWM功能占用,因此会出现很大的尖峰,发现问题后.将GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);
在main函数开头问题得以解决.由于存储问题解决后的上电波形图丢失(纹波形况可以参考下面负载测试的波形图),大致如上图去掉开始的大尖峰.
# 负载测试
测试说明:将未工作的电机接在数控电源上,在波形图上观察电源抗压能力(PID)
# 总结
- 设计电路时使用集成芯片并非糟糕的选择,反而芯片的性能和稳定性更强,因此手搓电路还是使用芯片需要斟酌斟酌.
- 在MCU的原理图设计时尽量避免使用一些很特殊的引脚,来省去不必要的麻烦.
- 电源的程序是在逻辑状态下编写,在很多函数之间的依赖以及先后问题上会变得复杂,因此要好好学习UCOS,降低开发难度的同时,使产品变得更加稳定.