2014年05月21日

【回顾】低纹波(1mVrms)恒压恒流电源

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  现带大家回顾一下首届立创商城电子制作节的三等作品之一《低纹波(1mV rms)恒压恒流电源》:

  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。当前线有考虑这个功能,工作量主要在软件。

  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。

  之前老版本做过的电源介绍有点不好的就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。

  后级采用结构的有源差模滤波电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来实现。

  前后两级协调工作,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。

  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,加一个设备就可以成各种用电设备都可以用的电源。

  (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。

  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。

  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;

  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;

  四开关升降压电作为直流伺服电源,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,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。

  四开关升降压电作为直流伺服电源,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,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。

  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、对我们主办方的和意见等等。

  (1)被通讯过一次,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。-----通讯和环都需要有相应抗干扰措施。

  (2)被驱动芯片异常一次,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。

  (4)STM32单片机ADC输入很小,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,做错了,还好软件可以改。

  (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。

  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。

  从学生时代开始断断续续在嘉立创做,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。希望嘉立创以后的越走越远!