全国电赛电源题准备

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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）

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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）
$\Delta I_{on}=\Delta I_{off}$

$U=L\ast \frac{dI}{dt}$

故伏秒平衡：$\Delta U_{on}\ast t_{on}=-\Delta U_{off}\ast t_{off}$。储能$\to$放能，$dI$反向，$dI$由+变-

$(U_i-U_o)\ast t_{on}=-(0-U_o)\ast t_{off}$

$U_i\ast t_{on}=(t_{on}+t_{off})\ast U_o$

$U_o=U_i\ast \frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}=U_i\ast D$ （$D$为PWM占空比）

计算输出电流$I_o$与电感平均电流$I_L$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
$I_o=I_L$

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 $r=\Delta I/I_L$，取0.4最优

由 $U=L\ast \frac{dI}{dt}$ 知 $\Delta I=\frac{\Delta U_{on}\ast t_{on}}{L}$

故$L=\frac{(U_i-U_o)\ast t_{on}}{r\ast I_L}=\frac{(U_i-U_o)\ast D}{r\ast I_o\ast f}$

详细推导参考链接：https://blog.csdn.net/lafea/article/details/122007882

电容选取：
$C\ge \frac{I_{omax}\ast D}{f\ast \Delta V}$（$\Delta V$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：

$L=\frac{(U_i-U_o)\ast D}{r\ast I_o\ast f}=\frac{(48-24)\ast 0.5}{0.4\ast 2\ast 100\ast 10^3}=150uH$

（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$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$，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$\alpha \beta$两相静止坐标），Park变换（$\alpha \beta$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$V_{DS}$、低$R_{DS(on)}$，低$Q_g$，低$Q_{gs}$
（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：电压互感器

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（相对更真，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

B站“工厂电子培训”
https://space.bilibili.com/215088628/?spm_id_from=333.999.0.0

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

总结

培训讲解视频链接：https://www.bilibili.com/video/BV1wx4y1R7kj/?spm_id_from=333.999.0.0

内容之后会陆续进行补充