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      智能家居

      發布時間: 12-16 10:10文章來源:深圳市芯易芯科技有限公司

      三通道程控直流電源

      事情起因于本人桌面上一直使用的一臺3路程控直流電源IT6322壞了,于是就一直缺電源用,本來想再換一臺的,可是剛好看到了立創的電子設計大賽有直流電源類,于是就順理成章的萌生了DIY一臺多路程控電源的想法,也正好趁此機會檢驗一下自己的能力水平。

      初步的打算是按照IT6322來設計,IT6322有3路輸出,兩路30V、3A,一路5V、3A,電壓輸出精度0.01V,電流輸出精度0.001A。操作界面打算使用3.5寸的液晶屏加觸摸屏來控制,當然硅膠按鍵也要帶上,有時候還是更習慣用按鍵(先都設計上吧,以免后面發現觸摸不好用)。實體的數字鍵盤就不需要了,用方向鍵調節位數加旋轉編碼器旋鈕調節數字的操作體驗更舒服一些。GUI使用EMWIN。通信接口使用USB,其他接口暫時先不管,先滿足自己的需要吧。通信協議使用SCPI,這樣可以兼容其他的儀器,節省搭建測試平臺時的工作量。

      因為需要支持遠程SCPI控制,因此需要一個上位機,先自己使用C#寫一個簡單的用著,先把遠程控制電壓、電流、開關、過流、過壓等功能做了,其他功能后續再慢慢添加。

      項目詳情

      1、通道一和通道二輸出0-36V,0-4A;通道三輸出0-8V,0-4A。三個通道的電壓分辨率都為0.01V,電流分辨率都為0.001A。三個通道要完全隔離,且支持通道間串聯、并聯使用。電源要支持恒壓模式和恒流模式,且自動切換。

      2、保護功能要完善,過壓保護、過流保護、過熱保護等。

      3、GUI界面人性化,方便操作。屏幕可以調節亮度,蜂鳴器可以開關控制,風扇根據溫度自動調節。

      4、設置參數有掉電保存功能。

      5、有參數組快速輸出功能,有延時輸出和輸出定時功能。

      6、可以支持波形輸出,比如輸出正弦波、方波等。

      7、有USB通信接口,支持SCPI協議,可以遠程控制電源、遠程升級電源固件。

      方案選擇

      首先是確定電路方案,因為要實現多個通道的串聯、并聯輸出,于是3個通道要完全隔離,每個通道采用獨立的ADC和DAC分別控制輸出電壓與電流和測量輸出電壓與電流 ,然后ADC和DAC再通過隔離芯片與單片機進行通信。

      輸出電壓與電流的控制有兩種方案,一種是實時采集電壓和電流,然后通過軟件PID來調節;還有一種是直接使用硬件比較設置電壓與輸出電壓,然后硬件電路自己調節。第一種調試起來會麻煩很多,因為怕時間耗費過多,所以直接采用第二種方案。

      然后供電方案也有兩種,一種是采用工頻變壓器供電,即直流電源。一種是采用開關電源供電。開關電源供電的效率比較高,散熱壓力小,但是紋波大,電路更復雜。工頻變壓器供電的紋波小,但是效率低,重量比較大。因為我是制作的實驗室電源,對于電源的效率、重量并不太關心,反而對紋波要求比較高,于是選擇第一種方案。

      接下來就是選擇芯片并繪制原理圖了。因為輸出電壓范圍為0-36V,精度0.01V,36/4096=0.0087V,因此ADC和DAC采用12位的就足夠了。每路要進行電壓和電流的分別控制,因此需要兩個通道,最好直接選擇雙通道的ADC和DAC。經過選型,最后確定DAC采用DAC7612,ADC采用MCP3202。

      因為要驅動TFT、觸摸屏、控制3片DAC和ADC、繼電器、按鍵、旋鈕、風扇等,64個IO都不夠,只有選100個引腳的單片機了,然后Flash需要大一點的,可以直接保存GUI用到的字庫、圖片,就不需要再加外掛Flash了。同時單片機RAM也得大一點,給顯示緩存用,這樣就不用再外掛一片SDRAM了,最后選擇Flash有1M,RAM有96KB的GD32F103VGT6作為主控。

      供電電路

      三個輸出通道各自隔離,自成一個系統,因此電源也是3個隔離的系統。每個通道的模擬電路需要正負12V、正5V、正4.1V的電源,單片機的供電也是一個隔離的系統需要正12V、正5V、正3.3V,USB通信接口也需要一個隔離正5V電源,因此一共是5個互相隔離的電源系統。

      電壓通過變壓器得到,輸入交流電壓,經過整流橋、大電容濾波得到直流電。然后采用直流穩壓芯片LM7812來得到正12V、采用LM7912來得到負12V、采用LM7805來得到正5V、采用LM317來得到正4.1V、采用AMS1117來得到正3.3V。電路圖如下:

      上面原理圖的最上面那個光耦電路是過零檢測電路,用于檢測輸入交流的過零點。檢測到了過零點可以用來進行掉電保存數據和控制繼電器在過零點動作,因為過零點時,交流電壓最小,此時電流也最小,以保護繼電器的觸點,達到延長繼電器壽命的作用。

      MCU電路

      單片機的電路部分采用GD32F103VGT6的最小電路,其中要注意引腳分配,比如編碼旋鈕的A、B線要接到定時器的通道1和2。掉電檢測信號線也要接到定時器上。

      單片機周圍有用于保存參數的EEPROM、用于驅動散熱風扇和繼電器的ULN2003、用于檢測散熱器溫度的LM35:

      l DAC、ADC和隔離電路

      通過數字隔離芯片SI8660和高速光耦6N137來隔離通道1的系統和單片機系統的通信信號線。

      模擬電路部分

      采用電壓控制回路和電流控制回路并聯的方式來實現恒壓、恒流的自動切換。具體原理如下:

      1)首先通過繼電器來選擇輸入的交流電壓,輸入的交流電壓有4檔:9V、18V、27V、36V。根據設置的輸出電壓來控制繼電器,進而控制輸入的電壓值。輸入電壓經過整流橋和大電容被濾波成直流電。

      2)功率部分,輸入的直流電流過功率管被調整為設置電壓值的直流電,然后輸出。

      3)電壓反饋部分,功率管是如何來調整電壓的呢?這就要用到電壓反饋電路了。首先輸出電壓值經過U2B組成的同比例放大電路,把0-36V的范圍縮小12.4倍:

      縮小后的電壓再和DAC的輸出電壓做對比,經過積分電路把誤差累積輸出,輸出信號再經過三極管增大驅動能力后直接通往功率管的柵極。

      4)、電流反饋部分,首先是采樣電阻:

      采樣電流信號經過U2C電路放大:

      再和DAC的輸出做對比,經過積分電路累積出驅動信號,經過三極管放大,驅動功率管:

      5)通道輸出開關,使用光耦來控制通道的輸出與否。當光耦打開,驅動信號才有效,才能驅動功率管打開。

      顯示板電路

      顯示板主要包括:液晶電路、觸摸屏驅動電路、HC165構成的按鍵電路、HC595構成的IO驅動電路、編碼旋鈕電路、USB通信隔離電路。

      電源結構設計與配件選擇

      原理圖設計好了,接下來需要確定好元器件和配件,進而確定電源的內部結構和整機大小。

      接下來考慮電源的內部結構,然后根據內部結構來設計PCB。首先把變壓器的設計圖紙給廠家,廠家估算出變壓器的尺寸為高70mm,直徑130mm。再計算散熱器的最大散熱需求,首先功率管上的最大壓降為8*1.414=11.312V,每個通道最大電流為4A,于是3個通道耗散在散熱器上的最大功率為8*1.414*4*3=135.744W,因此散熱器要足夠大,而且風扇要用高風量的。最后借鑒IT6322的方法,使用60的方形散熱器,然后風扇直接固定到散熱器的一頭,達到最好的散熱效果。散熱器直接固定到PCB上,同時靠邊放置,剩下的位置用來擺放元器件。如果一張PCB放不下可以考慮上下兩層。底板是功率板,頂板是控制板,這樣結構要清晰一些,也能節省不少空間。暫時的布局示意圖為:

      功率板部分的結構基本確定了,再來看操作面板部分,操作面板上有6個接線柱、9個硅膠按鍵、3.5寸屏幕、電源開關和USB通訊接口,粗略的估計了一下,寬度不能小于200,有這么寬的話,功率板上就有200-60=140mm寬度的空余了,一張板子完全就可以放得下所有東西了,于是功率板確定使用一張PCB,這樣比起上下兩層板,更方便調試和安裝,也省成本。把功率板的布局和操作面板的布局大致確定后,得到機箱的尺寸為:寬度要大于200mm,長度要大于260mm,高度要大于70mm。

      下面再來設計操作面板的外觀和布局,首先選好接線柱:

      再選好旋鈕、旋鈕帽和電源開關:

      接下來選擇按鍵,按鍵的選擇可是頗費心思,如果用硬質的按鍵+鍵帽,那就直接有現成的,也好購買和設計。比如:

      可是操作體驗比不上儀器上常用的硅膠按鍵,一般硅膠按鍵都是開模定制的,很難找到通用的,好不容易在淘寶里找到了幾個符合我的要求的,可是按鍵高度不統一,而且一個按鍵是配合輕觸開關使用的,另一個是自帶導電黑粒的,不好統一畫板:

      于是又繼續找,后面突然想到遙控器上面的硅膠按鍵可以用,于是買了兩個遙控器回來:

      把遙控器拆開,把硅膠按鍵取下來試了一下,感覺還是不行,又找了一圈,沒辦法只好將就用原來的方向鍵。因為方向鍵和透光按鍵的高度不同,同時還考慮到他們固定的問題,于是首先畫了3塊固定小板:

      有了固定板和單獨的觸控板就可以解決按鍵高度不統一的問題了。

      但是方向鍵是配合輕觸開關使用的,于是再專門給它配導電黑粒:

      把導電黑粒粘到方向按鍵上,都裝配好后,試了一下,效果不錯,這樣一來功率板和操作面板的所有東西都確定好了,也就是整體的結構和物料都確定好了,接下來就可以畫PCB了。

      2020年7月17號,畫好了兩張PCB,同時把3D封裝也加上了:

      7月20號,拿到了兩個PCB,開始焊接元件。

      7月22號,PCB大致焊接完成,功率板只焊了一個通道拿來驗證電路設計,要是一股腦全焊完了測試才發現設計有問題,就傻眼了。

      7月24號,完成ADC和DAC的測試程序和電路調試,初步確定電路設計沒有大問題。只有幾個小問題:一是單片機供電回路的12V輸出和5V使用的LM7812和LM7805,因為這兩個電源電流太大,導致這兩個芯片發熱嚴重,于是改為了使用LM2596和LM2315。二是單片機的電源上的電容太小了,導致掉電后,沒有足夠的電容來給單片機供電,使單片機保存掉電參數。三是顯示板的PCB布置不太合理,導致裝上機殼后,不好看。

      這幾個問題都采用飛板子和飛線的方法解決了。接下來開始測試其他模塊。

      7月30號搞定了液晶顯示,觸摸屏,旋鈕等模塊的底層驅動程序。

      8月15號,搞定了GUI的大體設計,可以開始進行功率板和顯示板的聯調了。

      8月25號,電源功能總體完成。開始優化、資料整理和拍攝視頻。

      電源功能展示和性能測試

      1)電源主頁面

      2)電源設置頁面

      3)電源校準功能頁面

      4)電源快速輸出功能頁面

      5)電源波形輸出功能頁面

      6)電壓電流輸出和回讀精度報告

      7)負載調整率測試報告

      8)SCPI程控功能

      SCPI協議棧移植的Github上的開源協議棧。

      9)波形輸出功能

      成本以及市場環境分析

      項目面臨的挑戰及解決的問題

      挑戰一:這個電源設計之初,就是做一臺完成度很高的三通道程控直流電源來替代自己壞掉的IT6322,而不是自己做來玩的。因此對于電源的外觀和結構設計花費了很多工夫。在這個過程中買了很多樣品來試驗成品效果,整機搭配效果。包括前后面板的顏色、材質之類的設計,都試驗過很多。這對于產品設計能力是一個挑戰。

      挑戰二:GUI的設計,前期只是悶著頭設計,比如一開始的主頁面設計是把屏幕水平三等分來分別給三通道使用,這導致最后的效果上,每個通道的顯示字符都很小,最后才不得不借鑒DP832的方法,把屏幕分為3個三角形來最大化三個通道的顯示字符大小。

      挑戰三:模擬電路部分的調試,需要根據電路的反饋情況和相位裕度來調整運放電路周圍的電容和電阻,這也是比較費工夫的地方。同時,為了減少散熱器的散熱壓力,把輸入電壓四等分了,再根據輸出電壓的大小來控制繼電器調節輸入電壓的大小,繼電器還要在過零點切換以保護其觸點,這也是一個挑戰。

      挑戰四:數據處理。因為DAC的輸出和ADC的輸入最終反映到電壓和電流上并不是線性的,因此需要單片機把DAC和ADC的原始值和與之對應的電壓電流值采集到,再進行曲線擬合處理來做數據的矯正,這樣電壓電流值才會準確。

      項目硬件、軟件部分涉及到的關鍵點

      硬件設計上的關鍵點主要在于:

      1、電路方案的選擇,控制方式選哪種,供電方式哪種。

      2、物料的選擇,根據的設計需求來選擇合適的物料。比如DAC、ADC、MCU、隔離芯片、驅動芯片等。

      3、模擬電路的設計和調試,這里需要耐心和理論知識來慢慢調試電路。

      4、PCB的布局和布線,因為涉及的元件還是不少,而且電路中有模擬部分、有數字部分、也有大功率部分。因此對于PCB的設計還是要求不小的。

      軟件設計上的關鍵點主要在于:

      1、整體多任務控制程序的編寫。

      2、GUI軟件的設計。

      3、SCPI協議棧的移植。

      項目材料清單

      功率板BOM:

      顯示板BOM:

      項目圖片

      功率板PCB正反面

      顯示板PCB正反面

      硅膠按鍵固定板PCB正反面

      項目其它圖片



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