2019年电赛之路——2015年电子设计竞赛A题任务设计

参加19年电赛，我们奔着电源题来的，所以我们一开始要练习的题目就选定了15年的A题，因为我们找到了几个国一方案，但是只有一个方案，代码和PCB图都没有，这也是我们失误的地方。本来的路线应该是找一个成品方案，模仿着做下来，先做下来一个题目后，我们也能迅速的进入状态，相对来说会节省很多时间。做比赛，经验很重要，有了成熟的经验会少走很多弯路节省很多时间。做电源题其核心就是电力电子的四大变换技术，也就是整流(AC-DC)、逆变(DC-AC)、斩波(DC-DC)和变频(AC-AC)，其中15年的题目是做个双向DC-DC变换器。

我们选择的是江苏省分电赛优秀作品选集，之后我会把PDF文档放到结尾。15年的A题——双向DC-DC变换器，主电路的设计基本上都是双向BUCK-BOOST拓扑电路，仅用一个电路就能实现升压和降压，而有的方案中通过继电器或者模拟开关座位桥梁连接两个单独的BUCK电路和BOOST电路，相对于这种方案，还是第一种电路拓扑比较方便和简洁，但是驱动电路的部分会相对麻烦一点。整个电路主要分为4部分：主电路、驱动电路、测量电路和辅助电源。

1. 主电路部分
   说明：主电路的拓扑结构如下图所示，需要注意的是滤波电容、电感、MOS管的选取，我们用的是耐压值50V容值是4700uF的电解电容，其实50V的耐压值是可以的，保险起见，建议选择63V的耐压值。电感的话我们用的是100uH的，耐流值是3A的。MOS管我们一开始练题的过程中并没有太过注意MOS管的参数，所以我们没有把MOS管内阻考虑进去，MOS管我们选的是IRF640。所以MOS管的损耗会大一点，电路的变换效率会低一点。我们的驱动电路的开关频率设置在23K左右，一开始将占空比调到50%，一开始加的输入是30V，而在电池组两端测得的电压大致就是15V左右。
   工作原理：从右侧将输入电压加进去，经过驱动电路后到达电池组后就会降压，具体怎么达到升压和降压的目的，这个就要好好看看电力电子技术这门课了，最主要的就是通过电感的储能。降压：在上管导通的时候将下管关闭，这样输入进来的电能就会被储存到电感中，而当上管关闭下管导通的时候，电感又通过下管对电容放电，只要调节占空比，就会实现按比例降压。升压：外接上电池组供电后，当上管导通下管关断，这时通过电感储存的能量对后面的电路放电，而当上管关断下管导通的时候，电路对电感充电，经过下个开关周期来到，就对后面电路放电，所以就形成了升压电路。
   
   电路注意事项：一开始我们设计主电路的问题主要出现在封装问题上，这里要注意一下，因为是要用覆铜板来做成单层板，所以在转印之前，将画好的PCB图先打印到一张A4纸上，先比对下元件摆放的位置和大小。最应该注意的是MOS管，因为MOS管要加散热片，所以MOS管之间不要靠的太近。而且电感也尽量不要靠近其他的元件，电感能选大点的就选大点的，一是大电感会降低纹波，二是发热不会太严重。还有点解电容的选取，一定一定要注意耐压值，一般是选择电路中电压有效值的2-3倍耐压值，不然在测量电路的时候真的很吓人。我们刚开始选择的电感是100uH，但是电路上电之后电感会很烫，然后我们又经过计算发现电感的选取有点小了，索性直接换成了470uH的，换过之后电感就没有怎么发烫。电容尽量也要选大点的，一开始我们没有买4700uF的电容，实验室翻箱倒柜也就找出来两个50V 4700uF的电容，我们没敢舍得用，想着第一版的主电路先凑活凑活就过去了，然后我们就用3300uF的代替了，实验证明3300uF的电容也是完全可以的。还有就是这个电路中的Rs1是用的25毫欧的康铜丝，做测量电阻。
   其次主电路中需要注意的地方还有接口问题，一开始我们将两个电压测量和一个电流测量的接口打算用排针和杜邦线连就行了，但是后来在淘宝上发现了直针插座后，我们的所有接口都没用过排针了，说实话直针插座真的很方便，而且很牢固，唯一需要注意的地方就是方向问题，我们从始至终这个方向都有问题，一直在调换方向，所以说在确定好电路之后，在焊接的时候要将留有接口的地方仔细比对，以实物为主。

2. 驱动电路
   说明：驱动电路方案选的是用IR2104所构成的半桥驱动电路，刚开始我们的电路原理图里是将芯片的的供电和对Vb的供电分开的，但是我们又觉得这样太麻烦，而且不一定可行，就把芯片供电和驱动侧电压都换成了12V。IR2104是自带死区保护的，所以程序上应该好实现点，而且2104的低端和高端的输出电压可以达到11V左右，驱动能力是绝对够用的。2104的低端LO输出电压是直接相对于COM端的电位的，因为COM端接地，所以说就算低端输出没有接MOS管，而低端的输出也是正常的。但是高端HO的输出就不一样了，高端HO的输出电压是相对于Vs的，如果Vs没有接入MOS管构成的半桥电路的话，也就是Vs不接地构成回路，是测不出HO端的波形的，但是不接半桥电路的HO和Vs输出也是有的，大概在8V左右。而在接上MOS管构成的半桥电路后我们测得的HO波形和LO波形是完全互补的，并且死区效果也很好。至于电路中的二极管我们用的是肖特基二极管，只要耐压值够就行，基本上不过电流，实验证明换成普通的二极管也完全可以。自举电容C1用的是CBB电容，但是用点解电容也完全可以。
   电路原理：通过输入电压为低压侧和高压侧提供基准电压，对于低端输出，芯片内部通过对COM端的参考，直接对LO输出电压，而HO是要参考Vs，也就是高侧浮动电压，这样才能对HO有个较准确的输出。
   
   电路注意事项：在一开始的电路设计中，我们买的2104是直插的封装，本来想着做成单层板直插的方便，可谁曾想，我们第一版的驱动电路中就出现在2104这个芯片上，具体那个直插的芯片问题出在哪里我们还没找到原因就扔完了。最后我们又买的贴片的，然后用转接板，驱动电路就好了。但是我们在调试的时候，刚开始驱动电路空载的时候，2104的低端输出是有波形的，而且高端的输出是没有波形的，这很正常。但是有天晚上我们在测量输出波形的时候，低端的输出波形出现了电容效应，我们就不知道该怎么办了，一直在考虑问题出在了哪里，刚开始觉得是电路板转印的效果不好，因为坑坑洼洼的，怕是电路板上的走线出现了电容效应，导致输出的波形也不对了。然后我们又把自举电容换了换，从10uF换成了22uF的，结果还是不太行。最终我们没有办法了，我们就没再管了，但是到了第二天我们再测驱动电路的时候，低端输出的电容效应的波形就完全消失了。我们也一脸懵，至今也不知道是为什么就正常了，可能是自举电容需要放电吧。从这之后我们又做了几板驱动电路，都是没有问题的。

3. 测量电路
   说明：我们的测量电路的方案选择的是用ADS1118芯片来作为AD采集的处理芯片，然后用INA282作为电流采集的芯片，通过INA282转换为电压值测量，再通过ADS1118来进行电压处理。
   电路原理：就是普通AD采集电路，只不过处理精度高，程序操作困难而已。
   
   电路注意事项：我们的这个测量电路倒是没有出现什么问题，也可以说我也不知道什么地方会出现问题，因为测量电路我没参与调试，通过后面的检测中，我们的测量电路并没有什么问题。我们把测量电路和我们的最小系统板做到了一块板子上，一是连线方便点，二是节省空间。我们把测量电路的板子做成了双层板，发给厂家打样了，第一版的测量电路因为ADS1118的封装问题，就耽误了一段时间，因为我们当初买的ADS1118还没到，所以就没有个实物比对，又想着赶紧做出来实际电路，所以第一版就直接淘汰了。第二版我们把ADS1118做成了转接板的形式，这里注意一下在把ADS1118焊到转接板上的时候要小心，因为1118的引脚很近，而且转接板上的焊盘裹锡也不多，所以尽量别用热风枪吹，直接拿焊锡往上焊，把焊盘两边都先上多点锡，最后用吸锡枪吸出来多余的锡就好了，一般都不会连焊，连焊的话就放点松香在引脚上，用烙铁一加热就行了。
   这个测量电路中还有一个问题就是ADS1118的程序问题，因为1118是一个可编程器件，而且使用SPI协议，相对来说这个芯片比较麻烦点。

4. 辅助电源
   说明：我们的辅助电路所用的处理芯片是TPS5430，外加上LM1117稳压芯片，总共三个电压输出端，12V、5V、3.3V。
   电路原理：从学生电源引出来的36V电压接到TPS5430的输入引脚，从8引脚输出，经过滤波电容到达分压网络，通过调节电阻大小，就能得到想要的电压，具体从5430的得到的最小电压值是多少，这个我们还没测过。然后通过12V输出到7805进一步降压得到5V，经过1117-3.3得到3.3V电压。
   
   电路注意事项：辅助电源倒也没出什么问题，一开始我们打算用覆铜板将这个辅助电源模块给做出来，但是在第一版覆铜板做出来的时候，我们的元器件不够。当我们买的第一批元器件到了之后我们做的打样板也回来了，所以就直接焊接进行调试了。在第一次调试的时候我们的12V输出就没有值，我们把那个二极管给焊反了，导致输入电压直接导地。第二次调试12V输出还不到1V，原因是从R1和R2之间的分压点反馈回给TPS5430的4引脚的电压不对，一般来说这点的反馈电压应该在1.2V左右，但是我们的反馈就直接没有，因为是打样的板子，我觉得不应该是板子内部的线连接出现问题，但是我们又引出一条飞线到4引脚之后，问题就解决了，我觉得应该是芯片的引脚虚焊了，后面的我们的5V和3.3V的电压是很正常的。实验证明这款辅助电源模块效果很好，带载能力也完全可以，同时给驱动电路、测量电路和单片机供电是没问题的。

上述的就是我们做15年电源题的过程了，我们林林总总准备的时间不到一个半月，尽管我们把13年的、15年的、17年的电源题都做了下，但是就15年的题做的彻底。虽然写的很烂，但是能凑活着看吧。之后会放出19年我们做的D题的经验分享。

如果想要关于这个15年题的PCB和原理图及代码的同学可以留言，不对的地方也请劳烦大家能给小弟指出不足。