本次DIY电源分成两期讲解,第一期也就是本期,将会和大家一起完成数控电源的需求分析、方案设计、原理图和PCB的设计;下期视频会继续分享数控电源的制作过程、程序设计和功能演示,对电源感兴趣的小伙伴可以提前关注。
下面是第一期的重点内容整理:
在设计电源之前,我们需要先确定数控电源的设计需求。作为一台电源,它的输出的功率一定要足够大,至少40V/10A起步不过分吧,这样就可以带得动功率相对较大的用电器。第二,体积要尽可能小,最好能装进口袋里,方便外出携带。第三,也需要像实验电源那样,具备可调的自动恒压、恒流的功能。第四,可以采用USB供电,外出时就可以使用充电器或充电宝给电源供电。最后,对于大电流输出的场景,导线电阻带来的电压损耗会导致最终负载上得到的电压偏低,因此,我们需要具备远端电压采样的功能,补偿导线压降,保证大电流工况下负载电压稳定。
确定了需求,接下来就是硬件方案的设计。首先,我们需要选择功率拓扑,线性电源效率低,发热严重,体积大,因此可以排除线性电源的方案,选择开关电源。
常见的开关拓扑有Buck、Boost、Buck-Boost等。Buck拓扑是许多可调DC-DC开关电源采用的方案,但由于Buck电路只能降压,输出电压的最大值就会受限于输入电压的大小,Boost拓扑恰恰相反,输出的电压无法低于输入电压,因此排除了这两种方案。Buck-Boost电路可以输出任意电压,不会受制于输入电压,是一个不错的方案。
常见的升降压拓扑有两种,负电压Buck-Boost电路比较简单,输出电压与输入电压极性相反,但该拓扑储能电感的电流应力会比较大,不适合大电流输出场景,而第二种全桥升降压拓扑虽然电路比较复杂,但可以完美适用我们的需求,因此选择全桥Buck-Boost拓扑。
接下来是电压调节方案的选择,电压调节常见的方案有用数字电位器调节反馈网络的分压比、通过DAC调节参考电压以及用DAC+电阻反馈网络的方法。
我采用最后一种方案方案,不难推导出DAC 输出的电压与系统输出电压的关系是这样的。
接下来是原理图的设计,原理图一共有三页。
第一页是主功率变换电路原理图:
下图是电源输入电路,包含了防反接保护电路和缓启动电路,可以避免上电瞬间的打火。
下面是输出电路,三个电流采样电阻用于实现输出的电流检测和恒流控制的功能。
下面就是全桥自动升降压功率变换电路,输出电压不会受限于输入电压。
电源控制器采用的是LM5175自动升降压电源控制器,集成了振荡器、栅极驱动器、可编程软启动、逐周期电流限制等功能,我们也是通过控制该芯片实现可调稳压和恒流的功能。
第二页原理图包含了系统的电源开关、电流检测放大器,可以将输出电流采样电阻两端的电压放大100倍,输入到单片机和电流环路误差放大器,这个运放就构成了电流环的误差放大器,和LM5175的电压环构成双环竞争,实现自动恒压恒流的控制。
· 9V的辅助电源,为LM5175提供外部的驱动电源输入,可以降低LM5175内部LDO带来的能量损耗。
**· **3.3V的辅助电源,为单片机、DAC和放大器电路供电。
· 硬件的输出过压保护电路,当输出电压超过51V就会触发保护,使LM5175关闭输出。
**· **差分放大电路,用于实现远端电压采样,补偿导线压降损耗。
**· **这里也设计了一个USB type-C接口,采用CH224K快充协议芯片,可以用支持PD快充协议的充电器或充电宝为数控电源供电。
**· **理想二极管控制电路,可以防止电源电压倒灌到USB接口。
**· **简易的-0.6V的线性电源,为放大器提供负电源,可以增加小信号的放大精度。
第三页原理图是系统的测控部分的原理图 ,包含了参考电压基准、RTC电池、按键板的上拉电阻、简易的负电压电荷泵电路、按键板接口、输入电压检测、蜂鸣器、指示灯、DAC、单片机系统和OLED显示屏。
设计好了原理图,接下来就可以开始绘制PCB了!
到这里我们就完成了系统硬件的设计。
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