2019年電賽之路——2015年電子設計競賽A題任務設計

參加19年電賽，我們奔着電源題來的，所以我們一開始要練習的題目就選定了15年的A題，因爲我們找到了幾個國一方案，但是隻有一個方案，代碼和PCB圖都沒有，這也是我們失誤的地方。本來的路線應該是找一個成品方案，模仿着做下來，先做下來一個題目後，我們也能迅速的進入狀態，相對來說會節省很多時間。做比賽，經驗很重要，有了成熟的經驗會少走很多彎路節省很多時間。做電源題其核心就是電力電子的四大變換技術，也就是整流(AC-DC)、逆變(DC-AC)、斬波(DC-DC)和變頻(AC-AC)，其中15年的題目是做個雙向DC-DC變換器。

我們選擇的是江蘇省分電賽優秀作品選集，之後我會把PDF文檔放到結尾。15年的A題——雙向DC-DC變換器，主電路的設計基本上都是雙向BUCK-BOOST拓撲電路，僅用一個電路就能實現升壓和降壓，而有的方案中通過繼電器或者模擬開關座位橋樑連接兩個單獨的BUCK電路和BOOST電路，相對於這種方案，還是第一種電路拓撲比較方便和簡潔，但是驅動電路的部分會相對麻煩一點。整個電路主要分爲4部分：主電路、驅動電路、測量電路和輔助電源。

主電路部分
說明：主電路的拓撲結構如下圖所示，需要注意的是濾波電容、電感、MOS管的選取，我們用的是耐壓值50V容值是4700uF的電解電容，其實50V的耐壓值是可以的，保險起見，建議選擇63V的耐壓值。電感的話我們用的是100uH的，耐流值是3A的。MOS管我們一開始練題的過程中並沒有太過注意MOS管的參數，所以我們沒有把MOS管內阻考慮進去，MOS管我們選的是IRF640。所以MOS管的損耗會大一點，電路的變換效率會低一點。我們的驅動電路的開關頻率設置在23K左右，一開始將佔空比調到50%，一開始加的輸入是30V，而在電池組兩端測得的電壓大致就是15V左右。
工作原理：從右側將輸入電壓加進去，經過驅動電路後到達電池組後就會降壓，具體怎麼達到升壓和降壓的目的，這個就要好好看看電力電子技術這門課了，最主要的就是通過電感的儲能。降壓：在上管導通的時候將下管關閉，這樣輸入進來的電能就會被儲存到電感中，而當上管關閉下管導通的時候，電感又通過下管對電容放電，只要調節佔空比，就會實現按比例降壓。升壓：外接上電池組供電後，當上管導通下管關斷，這時通過電感儲存的能量對後面的電路放電，而當上管關斷下管導通的時候，電路對電感充電，經過下個開關週期來到，就對後面電路放電，所以就形成了升壓電路。

電路注意事項：一開始我們設計主電路的問題主要出現在封裝問題上，這裏要注意一下，因爲是要用覆銅板來做成單層板，所以在轉印之前，將畫好的PCB圖先打印到一張A4紙上，先比對下元件擺放的位置和大小。最應該注意的是MOS管，因爲MOS管要加散熱片，所以MOS管之間不要靠的太近。而且電感也儘量不要靠近其他的元件，電感能選大點的就選大點的，一是大電感會降低紋波，二是發熱不會太嚴重。還有點解電容的選取，一定一定要注意耐壓值，一般是選擇電路中電壓有效值的2-3倍耐壓值，不然在測量電路的時候真的很嚇人。我們剛開始選擇的電感是100uH，但是電路上電之後電感會很燙，然後我們又經過計算髮現電感的選取有點小了，索性直接換成了470uH的，換過之後電感就沒有怎麼發燙。電容儘量也要選大點的，一開始我們沒有買4700uF的電容，實驗室翻箱倒櫃也就找出來兩個50V 4700uF的電容，我們沒敢捨得用，想着第一版的主電路先湊活湊活就過去了，然後我們就用3300uF的代替了，實驗證明3300uF的電容也是完全可以的。還有就是這個電路中的Rs1是用的25毫歐的康銅絲，做測量電阻。
其次主電路中需要注意的地方還有接口問題，一開始我們將兩個電壓測量和一個電流測量的接口打算用排針和杜邦線連就行了，但是後來在淘寶上發現了直針插座後，我們的所有接口都沒用過排針了，說實話直針插座真的很方便，而且很牢固，唯一需要注意的地方就是方向問題，我們從始至終這個方向都有問題，一直在調換方向，所以說在確定好電路之後，在焊接的時候要將留有接口的地方仔細比對，以實物爲主。
驅動電路
說明：驅動電路方案選的是用IR2104所構成的半橋驅動電路，剛開始我們的電路原理圖裏是將芯片的的供電和對Vb的供電分開的，但是我們又覺得這樣太麻煩，而且不一定可行，就把芯片供電和驅動側電壓都換成了12V。IR2104是自帶死區保護的，所以程序上應該好實現點，而且2104的低端和高端的輸出電壓可以達到11V左右，驅動能力是絕對夠用的。2104的低端LO輸出電壓是直接相對於COM端的電位的，因爲COM端接地，所以說就算低端輸出沒有接MOS管，而低端的輸出也是正常的。但是高端HO的輸出就不一樣了，高端HO的輸出電壓是相對於Vs的，如果Vs沒有接入MOS管構成的半橋電路的話，也就是Vs不接地構成迴路，是測不出HO端的波形的，但是不接半橋電路的HO和Vs輸出也是有的，大概在8V左右。而在接上MOS管構成的半橋電路後我們測得的HO波形和LO波形是完全互補的，並且死區效果也很好。至於電路中的二極管我們用的是肖特基二極管，只要耐壓值夠就行，基本上不過電流，實驗證明換成普通的二極管也完全可以。自舉電容C1用的是CBB電容，但是用點解電容也完全可以。
電路原理：通過輸入電壓爲低壓側和高壓側提供基準電壓，對於低端輸出，芯片內部通過對COM端的參考，直接對LO輸出電壓，而HO是要參考Vs，也就是高側浮動電壓，這樣才能對HO有個較準確的輸出。

電路注意事項：在一開始的電路設計中，我們買的2104是直插的封裝，本來想着做成單層板直插的方便，可誰曾想，我們第一版的驅動電路中就出現在2104這個芯片上，具體那個直插的芯片問題出在哪裏我們還沒找到原因就扔完了。最後我們又買的貼片的，然後用轉接板，驅動電路就好了。但是我們在調試的時候，剛開始驅動電路空載的時候，2104的低端輸出是有波形的，而且高端的輸出是沒有波形的，這很正常。但是有天晚上我們在測量輸出波形的時候，低端的輸出波形出現了電容效應，我們就不知道該怎麼辦了，一直在考慮問題出在了哪裏，剛開始覺得是電路板轉印的效果不好，因爲坑坑窪窪的，怕是電路板上的走線出現了電容效應，導致輸出的波形也不對了。然後我們又把自舉電容換了換，從10uF換成了22uF的，結果還是不太行。最終我們沒有辦法了，我們就沒再管了，但是到了第二天我們再測驅動電路的時候，低端輸出的電容效應的波形就完全消失了。我們也一臉懵，至今也不知道是爲什麼就正常了，可能是自舉電容需要放電吧。從這之後我們又做了幾板驅動電路，都是沒有問題的。
測量電路
說明：我們的測量電路的方案選擇的是用ADS1118芯片來作爲AD採集的處理芯片，然後用INA282作爲電流採集的芯片，通過INA282轉換爲電壓值測量，再通過ADS1118來進行電壓處理。
電路原理：就是普通AD採集電路，只不過處理精度高，程序操作困難而已。

電路注意事項：我們的這個測量電路倒是沒有出現什麼問題，也可以說我也不知道什麼地方會出現問題，因爲測量電路我沒參與調試，通過後面的檢測中，我們的測量電路並沒有什麼問題。我們把測量電路和我們的最小系統板做到了一塊板子上，一是連線方便點，二是節省空間。我們把測量電路的板子做成了雙層板，發給廠家打樣了，第一版的測量電路因爲ADS1118的封裝問題，就耽誤了一段時間，因爲我們當初買的ADS1118還沒到，所以就沒有個實物比對，又想着趕緊做出來實際電路，所以第一版就直接淘汰了。第二版我們把ADS1118做成了轉接板的形式，這裏注意一下在把ADS1118焊到轉接板上的時候要小心，因爲1118的引腳很近，而且轉接板上的焊盤裹錫也不多，所以儘量別用熱風槍吹，直接拿焊錫往上焊，把焊盤兩邊都先上多點錫，最後用吸錫槍吸出來多餘的錫就好了，一般都不會連焊，連焊的話就放點松香在引腳上，用烙鐵一加熱就行了。
這個測量電路中還有一個問題就是ADS1118的程序問題，因爲1118是一個可編程器件，而且使用SPI協議，相對來說這個芯片比較麻煩點。
輔助電源
說明：我們的輔助電路所用的處理芯片是TPS5430，外加上LM1117穩壓芯片，總共三個電壓輸出端，12V、5V、3.3V。
電路原理：從學生電源引出來的36V電壓接到TPS5430的輸入引腳，從8引腳輸出，經過濾波電容到達分壓網絡，通過調節電阻大小，就能得到想要的電壓，具體從5430的得到的最小電壓值是多少，這個我們還沒測過。然後通過12V輸出到7805進一步降壓得到5V，經過1117-3.3得到3.3V電壓。

電路注意事項：輔助電源倒也沒出什麼問題，一開始我們打算用覆銅板將這個輔助電源模塊給做出來，但是在第一版覆銅板做出來的時候，我們的元器件不夠。當我們買的第一批元器件到了之後我們做的打樣板也回來了，所以就直接焊接進行調試了。在第一次調試的時候我們的12V輸出就沒有值，我們把那個二極管給焊反了，導致輸入電壓直接導地。第二次調試12V輸出還不到1V，原因是從R1和R2之間的分壓點反饋回給TPS5430的4引腳的電壓不對，一般來說這點的反饋電壓應該在1.2V左右，但是我們的反饋就直接沒有，因爲是打樣的板子，我覺得不應該是板子內部的線連接出現問題，但是我們又引出一條飛線到4引腳之後，問題就解決了，我覺得應該是芯片的引腳虛焊了，後面的我們的5V和3.3V的電壓是很正常的。實驗證明這款輔助電源模塊效果很好，帶載能力也完全可以，同時給驅動電路、測量電路和單片機供電是沒問題的。