雙向DCDC超級(jí)電容控制器硬件設(shè)計(jì)

2 雙向DCDC超級(jí)電容控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

首先要感謝大連理工大學(xué)凌BUG戰(zhàn)隊(duì)和西交利物浦大學(xué)GMaster戰(zhàn)隊(duì)的開源文件，沒有前輩的慷慨分享就沒有我的設(shè)計(jì)。

超級(jí)電容是一種儲(chǔ)能大，充放電速度快、電流大的電容器，被廣泛應(yīng)用于需要在極短時(shí)間內(nèi)釋放超大功率的工程。機(jī)甲大師賽為步兵和英雄機(jī)器人設(shè)定了功率限制。機(jī)器人在需要快速移動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容即作為電源向機(jī)器人提供較大的功率。

在往屆比賽中，對(duì)于超級(jí)電容和底盤的連接方式，各所高校校隊(duì)給出了不同的方案：

（1）電源-DCDC-電容-DCDC-底盤

此方案可以保證輸出電壓恒定，不會(huì)燒掉電調(diào)或低壓保護(hù)。但是也有以下顯著缺陷：電路損耗不可忽視，總效率為兩級(jí)效率乘積，并且電容電壓越低電流也會(huì)越大效率會(huì)更低；成本較高，需要兩個(gè)DCDC電路。

（2）電源-DCDC-（電容//底盤）

此方案最為常見，淘寶的霧列模塊和大部分的隊(duì)伍以及前輩的方案都與之類似。這樣的電路雖然簡單，但是存在電容死電，無法避免。

（3）（電源//底盤）?DCDC?電容

這是凌BUG最終采納的方案。雙向DCDC電路由四個(gè)NMOS和一個(gè)電感組成。由于電路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，可以由PWM信號(hào)控制電流雙向流動(dòng)。

如下圖所示，底盤系統(tǒng)的總輸入為電源管理。電源管理、超級(jí)電容、底盤電機(jī)三者并聯(lián)。超級(jí)電容的主控板上設(shè)計(jì)了一條從電源管理到底盤的通路。

當(dāng)超級(jí)電容處于充電狀態(tài)時(shí)，電源管理通過電容主控上的通路向超級(jí)電容模組供電，同時(shí)通過電容主控上通向底盤的通路向底盤電調(diào)和電機(jī)供電。此時(shí)電源管理為電源，底盤和超級(jí)電容模組為用電器。

當(dāng)超級(jí)電容處于放電狀態(tài)時(shí)，電源管理和超級(jí)電容同時(shí)作為電源，向底盤放電。為了避免雙電源工作產(chǎn)生電流倒灌，在電容控制板上設(shè)計(jì)了OR-ing防倒灌電路。

控制器中既有大功率回路，也有控制和采樣單元。為了方便設(shè)計(jì)和調(diào)試，控制器普遍被分為兩個(gè)部分——控制部分和信號(hào)部分。以往的比賽中，凌BUG等戰(zhàn)隊(duì)使用過單板分區(qū)的設(shè)計(jì)。近年來各大高校采用的方案基本為控制板和功率板雙板設(shè)計(jì)。我不確定哪種設(shè)計(jì)更好。但是雙板設(shè)計(jì)更便于調(diào)試，可維修性也更佳。

2.2 控制板

凌BUG和GMaster已經(jīng)將他們的設(shè)計(jì)開源在機(jī)甲大師論壇，所以我沒有任何保密設(shè)計(jì)的理由，現(xiàn)將原理圖展示如下。

如圖所示，控制板被分為三部分：數(shù)字、模擬和功率。數(shù)字部分為MCU及其周圍電路，如晶振、開關(guān)、指示燈等，以及CAN通信芯片和各類物理接口。模擬部分主要為采樣電路和整板供電。功率部分即為功率路徑上通過的器件。為盡量減少三部分的干擾，我將地層分為了三部分，其間用0Ω電阻連接在一起，構(gòu)成整板地回路。

2.2.1 控制板數(shù)字部分

MCU選用STM32F334C8T6，其具備的HRTIM模塊用于滿足高精度PWM控制的需求。CAN通信芯片選用MAX3051，與前輩的設(shè)計(jì)相同。板上還預(yù)留了串口通信、OLED接口。

2.2.2 控制板模擬部分

模擬部分由電流采樣、電壓采樣和電源組成。

電流采樣選用INA240A1電流感應(yīng)放大器。在供電、底盤和超級(jí)電容模塊的正極上各串接了一個(gè)10mΩ的檢流電阻。檢流電阻將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值，傳入電流感應(yīng)放大器，再輸出采樣電壓送入MCU引腳。

電壓采樣部分選用OPA2350UA軌到軌精密運(yùn)算放大器，用于采集輸入電壓和超級(jí)電容模塊電壓。運(yùn)放連接方式為比例放大電路，用20K和2K電阻將輸入電壓縮小10.5倍后傳入MCU。此外，單電源運(yùn)放對(duì)于電路設(shè)計(jì)比較友好。雙電源的運(yùn)放需要單獨(dú)設(shè)計(jì)負(fù)電壓電源。雖然也沒復(fù)雜到哪去。

一級(jí)電源選用MP2451開關(guān)電源芯片，將供電電壓降至12V，為功率板的板橋驅(qū)動(dòng)器供電。二級(jí)電源選用AMS1117-3V3線性穩(wěn)壓器將12V電壓進(jìn)一步降至3.3V，為板上其他芯片供電。3.3V電源被分割為A3V3和D3V3，其間用10μH電感連接。A3V3輸出后進(jìn)入REF2933電壓基準(zhǔn)芯片，為檢流芯片和MCU提供穩(wěn)定的3.3V基準(zhǔn)電壓。我對(duì)基準(zhǔn)電壓芯片的實(shí)際作用持保留態(tài)度，在軟件調(diào)試階段進(jìn)一步觀察。

2.2.3 控制板功率部分

功率部分即為功率回路。輸入電壓經(jīng)過采樣電路和理想二極管后直接接通輸出接口，為底盤供電。換言之，控制器在與機(jī)器人連接后，為電源管理到電機(jī)提供一條功率回路，取消在未加裝超級(jí)電容時(shí)電源管理與功率回路之間的導(dǎo)線。這樣才能保證電壓電流采樣時(shí)，得到的是整車功率。但這樣的電路連接方式埋下了一個(gè)隱患，即全部底盤功率都經(jīng)過PCB。功率回路的溫度和耐壓需要特殊的設(shè)計(jì)。

理想二極管選用LM5050MK芯片，防止超級(jí)電容電流倒灌進(jìn)電源。在凌BUG的開源文件中，前輩提到這個(gè)理想二極管會(huì)將電源電壓抬升至28V。但是LM5050MK芯片控制MOS的開閉，導(dǎo)致輸出電壓本質(zhì)上是無法超過輸入電壓的。理論上，若MOS始終保持開啟，即OFF引腳接地，其電壓最大值與輸入電壓相同。此外，在初步硬件測試時(shí)，我發(fā)現(xiàn)供電經(jīng)過理想二極管后，其電壓從23V降為20V，與理論設(shè)計(jì)和凌BUG遇到的情況均不符。因此這部分電路需要進(jìn)一步硬件測試。

2.3 功率板

功率板集成了雙向DCDC電路和驅(qū)動(dòng)。原理圖如圖所示。

控制板和功率板間用四個(gè)焊接端子和兩個(gè)貼片雙排針連接。當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，電流由電源管理輸入，經(jīng)過焊接端子進(jìn)入功率板，經(jīng)DCDC電路穩(wěn)壓后，從焊接端子進(jìn)入控制板，再輸出至超級(jí)電容模塊。當(dāng)超級(jí)電容放電時(shí)，電源和電容并聯(lián)作為電源。電流由超級(jí)電容模塊進(jìn)入控制板，經(jīng)焊接端子進(jìn)入功率板，經(jīng)DCDC電路升壓后，從焊接端子進(jìn)入控制板，再輸出至底盤。貼片雙排針用于從控制板向半橋驅(qū)動(dòng)器提供12V供電和PWM信號(hào)。

日后我會(huì)單獨(dú)出一篇推送，詳細(xì)計(jì)算硬件參數(shù)。

3 雙向DCDC超級(jí)電容控制器電路布局

3.1 控制板

控制板為四層板，方便走線。具體布局如圖所示。

從上到下四層的走線分別為采樣電路、較長的信號(hào)線、電源線、供電線。

功率地回路在四層板上均有分布，形狀大致相同，環(huán)繞PCB分布。模擬地在下層，與功率地?zé)o重合部分。數(shù)字地和模擬地均采用單點(diǎn)接地方式。上述設(shè)計(jì)旨在降低功率回路對(duì)其他部分的干擾。

超級(jí)電容控制器一旦與外界連接，則地回路的長度不可控制，各噪聲會(huì)沿著地回路對(duì)采樣電路造成嚴(yán)重干擾。因此，最為嚴(yán)格的做法是將超級(jí)電容控制器的電源和地與外部功率回路隔離。至于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)是否會(huì)造成過于嚴(yán)重的采樣數(shù)據(jù)誤差，需要在后期軟件調(diào)試時(shí)進(jìn)一步確定。

3.1 控制板

功率板上的DCDC電路在實(shí)際工作中發(fā)熱量非常大，因此凌BUG采用了鋁基板。我沿用了此設(shè)計(jì)。具體布局如圖所示。

PCB布局中心對(duì)稱，功率回路短而粗。通過大電路的位置均有開窗處理。

4 雜項(xiàng)

11月中旬設(shè)計(jì)基本完成。我采用了凌BUG的PCB布局框架，根據(jù)實(shí)際情況換用F334MCU并重新設(shè)計(jì)了一部分電路。

設(shè)計(jì)完成后，我用校隊(duì)的鐵板燒制作了一套完整的超級(jí)電容控制板和五片功率板。

控制板仍存在設(shè)計(jì)問題，需要進(jìn)一步硬件調(diào)試。排除各種問題后才能批量生產(chǎn)。硬件調(diào)試首先需要調(diào)試供電部分。如果供電部分出現(xiàn)問題，輕則無法啟動(dòng)系統(tǒng)，重則燒壞沿路所有芯片。在調(diào)試供電部分時(shí)需要將供電部分和用電芯片斷開，單獨(dú)接負(fù)載測量電壓。另外需要注意的是，開關(guān)電源芯片在空載時(shí)不降壓，原理在此不做說明。

這是劉師傅的第一篇推送。在接下來的日子里，我會(huì)陸續(xù)發(fā)布自己的電子設(shè)計(jì)、項(xiàng)目進(jìn)度和各種硬件電路知識(shí)。如果你也和我一樣對(duì)硬件設(shè)計(jì)感興趣，歡迎關(guān)注電子之心公眾號(hào)。感謝大家的支持！