全国电赛电源题准备
前言
供南昌大学电赛基地20级21级学弟学妹学习
2021年C题(三端口DC-DC变换器)
线性电源:效率低,只能降压,不能升压负压。纹波小,干扰噪声小
开关电源:效率高。纹波较大,高频噪声干扰。
提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考
一、拓扑
书籍:
1、2、3、4、5、9章
图书馆,某鱼,某宝。
1.DC-DC
1.1 BUCK
电源、MOSFET、二极管、电感、电容、负载。
工作过程:
电感电流不会发生突变
计算输出电压Uo与Ui以及占空比D的关系:
连续模式CCM情况下:
伏秒积平衡(电感两端)
Δ
I
o
n
=
Δ
I
o
f
f
\Delta I_{on} = \Delta I_{off}
ΔIon=ΔIoff
U = L ∗ d I d t U = L * \dfrac{dI}{dt} U=L∗dtdI
故伏秒平衡: Δ U o n ∗ t o n = − Δ U o f f ∗ t o f f \Delta U_{on} * t_{on} =- \Delta U_{off} * t_{off} ΔUon∗ton=−ΔUoff∗toff。储能 → \to →放能, d I dI dI反向, d I dI dI由+变-
( U i − U o ) ∗ t o n = − ( 0 − U o ) ∗ t o f f (U_i-U_o)*t_{on} = - (0-U_o)*t_{off} (Ui−Uo)∗ton=−(0−Uo)∗toff
U i ∗ t o n = ( t o n + t o f f ) ∗ U o U_i*t_{on} = (t_{on}+t_{off})*U_o Ui∗ton=(ton+toff)∗Uo
U o = U i ∗ t o n t o n + t o f f = U i ∗ D U_o=U_i*\dfrac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}=U_i*D Uo=Ui∗ton+toffton=Ui∗D ( D D D为PWM占空比)
计算输出电流
I
o
I_o
Io与电感平均电流
I
L
I_L
IL的关系:
Uo基本不变,输出滤波电容两端电压没有变化,那么电容的平均电流为0
I
o
=
I
L
I_o = I_L
Io=IL
电感选取:
磁芯:最常用铁硅铝
铁镍钼最优
(厂家:美磁https://www.mag-inc.com/)
漆包线:利兹线最优(贵)
电感值计算:纹波率 r = Δ I / I L r = \Delta I / I_L r=ΔI/IL,取0.4最优
由 U = L ∗ d I d t U = L * \dfrac{dI}{dt} U=L∗dtdI 知 Δ I = Δ U o n ∗ t o n L \Delta I = \dfrac{\Delta U_{on} * t_{on} }{L} ΔI=LΔUon∗ton
故 L = ( U i − U o ) ∗ t o n r ∗ I L = ( U i − U o ) ∗ D r ∗ I o ∗ f L = \dfrac{(U_i - U_o) * t_{on}}{r * I_L} = \dfrac{(U_i - U_o) * D}{r * I_o * f} L=r∗IL(Ui−Uo)∗ton=r∗Io∗f(Ui−Uo)∗D
详细推导参考链接:https://blog.csdn.net/lafea/article/details/122007882
电容选取:
C
≥
I
o
m
a
x
∗
D
f
∗
Δ
V
C\ge \dfrac{I_{omax} * D}{f *\Delta V}
C≥f∗ΔVIomax∗D(
Δ
V
\Delta V
ΔV表示输入电压纹波)
普通的电解电容即可,值越大纹波可以压得越小
同步整流技术:
将MOSFET替代二极管,MOSFET旁并联二极管(肖特基或超快恢复)
提高效率,两个MOSFET采用互补PWM驱动(需留有一定死区时间)
Saber仿真结果:
L = ( U i − U o ) ∗ D r ∗ I o ∗ f = ( 48 − 24 ) ∗ 0.5 0.4 ∗ 2 ∗ 100 ∗ 1 0 3 = 150 u H L = \dfrac{(U_i - U_o) * D}{r * I_o * f} = \dfrac{(48 - 24) * 0.5}{0.4 * 2 * 100*10^3} = 150uH L=r∗Io∗f(Ui−Uo)∗D=0.4∗2∗100∗103(48−24)∗0.5=150uH
(小错误,图片中单位标错,A,不是V)
1.2 BOOST
看电感位置
1.3 BUCK-BOOST
1.4 双向DC-DC
左输入右输出:升压BOOST
右输入左输出:降压BUCK
1.5 四开关BUCK-BOOST
与BUCK-BOOST不同,输出的是正压。
特殊应用:
右上角MOSFET常导通,右下角MOSFET常断开:构成BUCK斩波电路
左上角MOSFET常导通,左下角MOSFET常断开:构成BOOST斩波电路
详细叙述参考链接: https://blog.csdn.net/qq_40662854/article/details/102616266
1.6 SEPIC
1.7 CUK
1.8 ZETA
2.DC-AC
2.1 逆变
此为两个LC滤波,亦可一个LCL滤波(不接地)
截止频率
f
=
1
2
π
L
C
f = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}
f=2πLC1,50HZ
电容选取
MKP电容(电磁炉电容)或CBB电容,一般10uf即可
SPWM驱动(PWM占空比以正弦波的形式变化)
参考链接:https://blog.csdn.net/best_xiaolong/article/details/106934961
2.2 三相逆变
此图LC滤波接地,也可接中性点
3.AC-DC
3.1 整流滤波
整流桥
理想整流桥:LT4320(MOSFET代替二极管)
二极管:耐压值,压降
理想二极管:LTC4357(MOSFET代替二极管)
3.2 功率因素校正
硬件芯片:UCC28019、UC3854
软件:1、BOOST型PFC,原理同UCC28019
2、图腾柱无桥PFC:
参考逆变,反过来控制MOSFET满足电压电流同相
3.3 三相功率因素校正
无硬件芯片
软件:图腾柱无桥PFC
采样,Clark变换(abc三相静止坐标转换为 α β \alpha\beta αβ两相静止坐标),Park变换( α β \alpha\beta αβ两相静止坐标转换为dq两相旋转坐标),PLL锁相(dq变换得出初始相位),功率因数 = 有功功率 / 无功功率 = d/q,PID,SPWM(或SVPWM)
三相AC → \to →DC → \to →DC(2021_B)
参考链接:立创开源:https://oshwhub.com/search?wd=B%E9%A2%98&page=1
达尔闻1:https://mp.weixin.qq.com
达尔闻2:https://mp.weixin.qq.com
基于dq轴解耦的逆变器双闭环控制器:
https://zhuanlan.zhihu.com/c_1136694961704611840
关于三相变压器:
变压器有3输入3输出1零线(即是输入也是输出也可不接)
4输入为三火线一零线,我们日常用的三相电4个插座为三火线1地线(零线没接到插座)。
插座的地线千万不能接变压器的输入零线,否则跳闸(使用只需引出插座的三火线即可)
平常的三角插座为1火1零1地
4.AC-AC
变压器
AC-DC-AC
二、PWM驱动
1.驱动原理
半桥驱动芯片:IR2110,IR2104(EG2104),UCC27212(UCC27211)等
IR2110内部结构:
典型应用:
滤波电容、自举电容、自举二极管、缓冲电阻、MOSFET
驱动原理:(自举技术)
C1:自举电容,使S1的GS端形成压差
VD1:自举二极管,防止S1导通时VB高压灌入VCC(C1两端压差不会突变,S1导通时VS高压,VB瞬间高压)
- HIN为低电平(LIN为高电平)时,状态2:VM1关断,VM2导通;VM3导通,VM4关断。
C1充电;S1的GS端电容放电;VCC给S2的GS端电容充电。 - HIN为高电平(LIN为低电平)时,状态1:VM1导通,VM2关断;VM3关断,VM4导通。
C1放电(C1两端压差会降低,反向二极管和MOS管均存在微弱的漏电),同时给S1的GS端电容充电;S2的GS端电容放电。
2.驱动设计
器件准备:
①半桥驱动IC:关注死区时间DT,开、关延时ton、toff,上升、下降时间tr、tf
(厂家:国产屹晶EG系列、英飞凌IR系列,TI的UCC系列等)
②MOSFET:高
V
D
S
V_{DS}
VDS、低
R
D
S
(
o
n
)
R_{DS(on)}
RDS(on),低
Q
g
Q_{g}
Qg,低
Q
g
s
Q_{gs}
Qgs
(厂家:Infineon、TI、ADI)
③电容:1类陶瓷电容(NP0、C0G)、薄膜电容(CBB、涤纶)
④二极管:肖特基、快/超快恢复
查询链接:http://www.szyxwkj.com/product/
UCC27212(UCC27211)驱动设计:
EG2104(IR2104)驱动设计:
驱动电路设计:
文章 “MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基本原理zhca770”:https://www.ti.com/cn/lit/ml/zhca770/zhca770.pdf?ts=1622643614001
保护电路设计:
FUJI富士IGBT模块应用手册中文版 第五章 保护电路的设计方法:
https://www.docin.com/p-868875247.html
三、辅助电源
器件准备:
①IC:低功耗
(厂家:ADI,TI,MPS,国产芯龙XL系列,屹晶EG系列等)
②电感:一体成型化(考虑Rdc、Idc)
③二极管:肖特基
1.BUCK
常见LM2596:
LT3995:
C11、C12为前馈电容
布局时Power地与小信号地单点连接
Power地也就是走大电流的地,包括输入地,滤波电容地,拓扑地(二极管端),其余均为小信号地。
来自BiliBili“唐老师讲电赛”
外行看热闹,内行看门道
LT8210
2.BOOST
LT8364:
3.BUCK-BOOST
LT3863:
四、采样
1.直流电压采样
输入到单片机IO口的电压小于3.3V,否则烧
(有必要的话在IO口处加低压降二极管钳位保护或稳压二极管保护)
1.1 方法1:电阻分压
仅适用于Uo变化范围大,20 - 60V → \to → 1 - 3V
1.2 方法2:电阻分压+运放
器件准备:
①基准电压:常见TL431
TL4051
REF系列:REF5030,REF5025等
(厂家:ADI,TI)
②低功耗运放:TLV8802(输入输出轨对轨)
(厂家:ADI,TI)
电阻分压 + 电压跟随器 + 运放构成的运算电路(同相、反相、加减运算等)
Uo变化范围小时,28 - 32V → \to → 2.8 - 3.2V → \to → 0.3 - 3V(或3 - 0.3V)
1.3 方法3:霍尔电压传感器
国产厂家很多
温州致同:http://www.cnztcg.cn/index.asp
HVS-AS3.3:
5mA型:50V,外接限流电阻10KΩ,5mA输入,2500匝:1000匝,输出5mA * 2.5=12.5mA(电流比为匝数比倒数),50Ω输出取样电阻,输出电压=12.5mA * 50Ω = 0.625V。
后面可接一级运放
2.直流电流采样
电流采样:电流 → \to → 电压
2.1 方法1:采样电阻+差放
器件准备:
①采样电阻:常见:康铜丝
锰合金采样电阻
②差放:INA28X系列
INA28X系列为例:
1mΩ采样电阻,1A电流,采样电阻两端压差1mV,经过INA285放大1000倍,INA285输出1V(电流走向IN+
→
\to
→ IN-,且REF均接GND)
2.2 方法2:霍尔电流传感器IC
内部集成采样电阻,不必外加
1、ACS7XX系列
美国Allegro公司:https://www.allegromicro.com/en/
https://www.allegromicro.com/en/products/sense/current-sensor-ics/current-sensors-innovations
2、国产CC690X系列
成都芯进电子:http://web.crosschipmicro.com/main.html
国产CC690X系列可直接替代ACS7XX系列
后面可加一级运放
2.3 方法3:霍尔电流传感器
HCS-ES3.3
10A型:10A输入,1匝:800匝,输出10/800A,50Ω输出取样电阻,输出电压=10/800*50 = 0.625V。
后面可再加一级运放
3.交流电压采样
3.1 方法1:电阻分压+运放
未隔离,杂波多,后面最好再加滤波电路
3.1 方法2:电流互感器
互感器:隔离器件
南京向上:https://www.up-et.com/
择明琅熙:http://www.zmlxdz.com/
若需提偏置,将运放的+输入端接Vref(基准电压供)即可(虚断虚短)
3.3 方法3:霍尔电压传感器
霍尔传感器直流、交流均可测量。
4.交流电流采样
4.1 方法1:采样电阻+INA28X系列
INA28X系列采用第三种或第四种接法(两VREF引脚一接GND一接VCC或外接基准电压)
4.2 方法2:电流互感器
4.3 方法3:霍尔电压传感器IC
直流交流均可
4.4 方法4:霍尔电压传感器
直流交流均可
5.交流有效值IC
将交流电压通过IC直接转换为有效值输入单片机
AD637
LTC1966
AD637和LTC1966的缺点均为采样交流50HZ时
- 如果输出电容小的话得到的有效值波形不为直流,会略带交流成分,电容越小,交流成分越大
- 输出电容如果大的话又会造成采样延时,不能够及时调节
五、各种杂模块
1 ADC
1、AD8331 / AD8332:16位,采样率:最高500KSPS
AD8331:4通道
AD8332:8通道
2、AD7124-8:24位,采样率:最高19.2kSPS,8对差分输入通道
2 DDS
1、AD9833
2、AD9834
3、AD9854
3 数字电位器
1、MCP41XXX / MCP42XXX:256位分辨率(10 kΩ、50 kΩ和100 kΩ)
MCP41010代表10kΩ
2、AD5293:1024位分辨率(20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ)
4.继电器开关
六、元器件获取
1 寻找
①TI(德州仪器)
链接:https://www.ti.com.cn/
②ADI(亚德诺半导体)
链接:https://www.analog.com/cn/index.html
③Infineon(英飞凌)
链接:https://www.infineon.com/
④MPS(芯原)
链接:https://www.monolithicpower.cn/cn/
⑤国产:EG屹晶微电子
链接:http://www.egmicro.com/
⑥国产:XL芯龙半导体
链接:http://www.xlsemi.com/index.html
2 购买
①某宝
②阿里巴巴1688
③立创商城(绝对真,但贵)
链接:https://www.szlcsc.com/
七、附
B站唐老师讲电赛(长江大学的知名教师,水平非常高)
https://space.bilibili.com/28143041?from=search&seid=3599681237930848911&spm_id_from=333.337.0.0
立创EDA开源平台:
https://oshwhub.com/
“果果小师弟”电赛专栏:
https://blog.csdn.net/qq_39400113/category_9940106.html?spm=1001.2014.3001.5482
“张巧龙”
https://blog.csdn.net/best_xiaolong?type=blog
常用的两种PID算法:
https://blog.csdn.net/best_xiaolong/article/details/106953286
位置式与增量式PID:
https://blog.csdn.net/u014453443/article/details/100573722
手撕Buck!Buck公式推导过程:
https://blog.csdn.net/weixin_42005993/article/details/120144144
开关电源中的全部缓冲吸收电路解析:
https://blog.csdn.net/zhjmyx/article/details/103511135
关于伏秒平衡原理的解释:
https://blog.csdn.net/lg2lh/article/details/24369903
ADC检测电压 端口二极管钳位保护电路之总结:
https://blog.csdn.net/a371132/article/details/84543389?
如何理解逆变:
https://www.zhihu.com/question/31630587/answer/757550191
技术
总结
培训讲解视频链接:https://www.bilibili.com/video/BV17T4y1e7nf/
内容之后会陆续进行补充
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