#第五届立创电子设计大赛#30A 240W 数控升降压可调电源

10个月前

简介:基于通用PWM控制器的耦合电感SEPIC数控升降压DC-DC变换器

开源协议: GPL 3.0

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描述

EEI TECHNOLOGY RT300Series MK.IV-DIG

EEI TECHNOLOGY RT300-MK.IV 项目 耦合电感SEPIC数控升降压直流可调电源模块 具有恒压,恒流功能,自定义过压(OVP),过流(OCP),过功率(OPP)保护, 软件自校准算法使输出电压电流与设定值小于0.01, 程序内未使用任何阻塞延时,再加上使用了Σ-Δ型ADC,快速刷新的同时,数据也基本上不会抖动。

  • 数据存储功能:内置11组数据存储空间,每组可以存储设定电压,电流(预留一组用来存储掉电前设定的数据),在设置界面可以选择开机记忆的数组(USER或者M0-M9),USER即掉电前保存的数据。 步进设置:通过“<<" ">>"这两个按键可以切换X1 X0.1 X0.01步进,转动编码器来调节。
  • 输入范围:11-30V
  • 输出范围:0-30V,0.01步进 0-10A0.01步进(输出20V以上自动限额8A)
  • 输出功率(最大值)240W,全输入范围 最大输入电流应力: 28A
  • 变换器效率: 升压:85-90% 降压 82-85%
  • 设定-采集误差: ±0.005 电压采集误差:±0.02(最大值) 电流采集误差:±0.02(最大值)
  • 输出纹波:视输出电压电流而定(12V输入,输出30V 5A时,测得纹波约为70mvpp)
  • 项目初出现了输出二极管过冲,以及上电开启输出,出现了超调量过大而引发的输出电压过冲的问题 以及电流环的一些问题,目前均已解决。另外因耦合电容使用了MLCC,在PWM不连续的时候(比如短路触发恒流),会产生一点啸叫

版本迭代预告 !!!!!!!!!! [RT300-MKV-EXTREME]

  • 具有更宽的输出范围(0-50V)。
  • 30A的最大输入电流应力可以保证在全输入范围内能跑满250W。
  • 0-10A恒流范围,并且具有智能限制输出电流上限功能。
  • 采用同步整流预升压方案,更低发热,更小的体积,且最高效率达97%。
  • 开关频率提升至250K,更低的电压纹波。
  • 电荷泵负压方案,启动电流更低,完美解决XL1583负压不起振的问题。
  • 前馈电压模式控制,更快的动态响应速度。
  • 改进的反馈环路使得直流增益接近无穷大,因此可以保证良好的负载调整率(< 0.001%)
  • 零漂高边取样采集输出电流,使输出负载可以与输入电源共地而不影响电流采集,并且输出端不会有任何压降。
  • 自带二极管仿真模式,有效防止输出端发生电流倒灌。
  • 自校准算法V3,加快DA校准速度,并且具有记忆功能,即完成一次全范围自校准后,会自动记忆每个点的校准数据。
  • 智能风扇控制,跟随输出功率动态调节风扇转速。
  • 更容易制作,全部使用通用件,免去钻孔等步骤。
  • 重大更新!!! RT300-MKV-EXTREME将会采用2.8寸彩屏以及传统黑白屏两个版本,并且彩屏通信协议完全开放,有能力的可以自己制作串口屏部分。

注意事项

  • 耦合电感SEPIC的电感使用松散耦合方法绕制(磁环一边绕一组),千万不可紧密耦合,否则耦合回路会出现较大的纹波电流,电感会严重发热, 误差放大器和电流取样放大器不能使用低摆率的,不然超调量会过大,突然短路触发恒流时有可能烧毁开关管
  • 屏幕使用的是绘晶的1.7寸12864正显LCD屏,主控是UC1701X,也可以使用金逸晨的1.7寸黑白负显(程序兼容ST7565 ST7567主控的LCD显示屏),不过不建议换屏,有些来路不明的屏可能装上去就旋转了90度,也有可能镜像。
  • 程序刷入方法:使用STLINK量产工具刷入,先烧录"RT300-MK.IV_DEBUG.bin",再根据说明调整好系统设置,保护设置,调整完以后再刷入“RT300-MK.IV_LCD.bin” bin文件和使用说明书放在了附件里,请自行下载。
  • 不要用小功率电源进行测试,不然电源可能无法提供足够大的电流让负压部分起振,电源模块将不会工作,很容易造成故障误判,建议使用12V 5A以上电源进行测试。
  • 注意一点(非常重要):输入和输出电容必须用高品质的(1000uF ESR < 0.04Ω),否则在重载的时候可能会因为内阻太大导致电容严重发热而发生爆炸(亲身体验过)
  • 电解电容购买链接 :  https://item.taobao.com/item.htm?id=522589612404
  • 散热片购买链接:https://item.taobao.com/item.htm?id=588885433279 (选择长60MM),请自行打孔。
  • 液晶屏购买链接 :https://item.taobao.com/item.htm?id=523956578037

  • 其中功率MOS型号推荐:
  • 1X IPP034N08( RdsON :3.4mΩ Qg :69nC Vdsmax :80V)
  • 1X IPP037N08( RdsON :3.7mΩ Qg :88nC Vdsmax :80V)
  • 1X FDP045N10( RdsON :3.9mΩ Qg : 54nC Vdsmax :100V)
  • 2X IRFB3607  ( RdsON :7.3mΩ Qg :56nC Vdsmax :75V)
  • 不建议使用那种上古管子(例如75NF75),这种管子的门极电荷非常大(117nC),在高开关频率下难以驱动,并且其内阻也是非常的大(约10mΩ)

  • 关于耦合电感的绕制方法:必须采用松散耦合方式绕制(即磁环一边一个绕组),千万不要图省事用那种多股线电感拆分出两个绕组来用,不然会产生较大的回路电流而引起电感和开关管剧烈发热,严重时会烧毁开关管
  • 绕组参数:输入侧0.7mm x 6股 绕7圈,输出侧0.7mm x 4 股绕7圈,不要多绕或者少绕
  • 磁环型号:CS130125 外径33mm,内径20mm,磁导率125

如图所示

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  • 关于触发恒流,CC CV光标不跳转问题:
  • 近期有不少朋友反馈这个问题,故障的现象就是,短路输出时,CC CV 光标不跳转,光标卡在CV,使得CC模式下无法完成自校准,并且在松开输出时,电压高了好多,并且自校准失效。
  • 出现问题的原因就是U15即LMV331这颗料选择不对,这颗料的引脚定义分为好几种,所以就造成了大家选择了错误的料,我使用的是LM331IDBVR(SOT-23-5),出现这种问题的大多用的是另一种LMV331,后缀未知,但封装是那种SC-70-5(外形与SOT-23-5极为相似,但比前者小一圈)。
  • 如果实在找不着这颗料,没关系,我们可以使用SOT-23-5的通用运放(比如说LMV321),照样可以的。

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  • 最近STM32涨价厉害,大家都开始选用国产替代型号了,在此先说明一下:目前仅验证过程序可以在APM32F103C8T6/CBT6和CKS32F103C8T6/CBT6上完美运行, GD32 HK32因为硬件改动较大,暂不支持。

特别说明

  • 因本人编程水平很差,为避免引起争议,故不公开源码,敬请谅解。

更新日志

  • 10.3更新:C4 C5不要焊接,若是焊接了则会引起较大的开关损耗,影响其效率。
  • 10.14更新:R60 R61请改为5.1K 20K,以解决XL1583负压部分上电有几率不工作的问题
  • 10.16更新 : 请在输出电容上加泄放电阻,阻值470R-1K,功率3w。
  • 10.31更新 : R113 R47改为18K 2K。
  • 11.24更新 :PWM控制器改为EG3525,误差放大器U3改为TL082,其余三个运放改为OPA2277(用原本的LT1366也并无大碍)。
  • 12.8更新 :U15替换为LMV321IDBVR,或者其他SOT-23-5的通用运放,以解决CC CV不跳转的问题。

物料清单:(只是其中一部分,完整物料清单请下载附件查看)

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PCB预览图

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PCB背面预览图

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系统结构图

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输入12V 输出30V 5A 时测得的纹波

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电源模块实物

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电源模块+PCB面板

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主界面

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230W压力测试中

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降压效率曲线

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升压效率曲线

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数据存储

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过压,过流,过功率保护设置界面

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RT300-MK.IV PACK#2 PCB面板

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功能演示

演示视频地址 https://www.bilibili.com/video/BV1v54y1C7Vm/

文档

RT300-MK.IV-MAIN_1.SchDoc

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RT300-MK.IV_PCB

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BOM

ID Designator Footprint Quantity
1 VIN+,VIN-,VOUT+,VOUT- PCB-7 M4 4
2 L1 CS130125_COL 1
3 PC1,PC3,PC4,PC6,PC7,PC8,PC9 RB3 7
4 RS1,RS2 2512 2
5 F1 FUSE_40A 1
6 C1,C2,C3,C12,C13,C14,C89,C90 1206 8
7 Q1,Q2 TO220H 2
8 R1,R2,R75 0805 3
9 C4,C5,C17 0805 3
10 R3,R4,R10 0805 3
11 U1 SO-8-TC4420 1
12 PC5,PC12,PC13,PC14,C59,C61 RB2 6
13 C7,C11 1206 2
14 R5,R6 1206 2
15 PD1 TO220H 1
16 C8,C9,C10 1210 3
17 L2 1040 1
18 C6,C15,C20,C21,C22,C30,C31,C34,C35,C36,C60,C64,C65,C73,C74,C86,C87,C88,C91,C98,C99,C105,C170,C171,C108,C115 0805 26
19 U2 SO16 1
20 D1,D2,D3,D4,D6,D5 D1206-RD 6
21 R9,R25,R27,R52,R57,R56,R89,R90 0805 8
22 Q3 SOT-23 1
23 R11,R20,R29,R59,R76,R91,R92,R93,R94 0805 9
24 R12 0805 1
25 R13,R16,R17,R97,R98,R99,R100,R103,R105,R111 0805 10
26 R14 1206 1
27 C16,C19,C23 0805 3
28 C18,EC1,EC2,C29,C66,C85,C92,C93,C100,C110,C112,C113 0805 12
29 R15,R18,R34,R85,R86,R87,R88 0805 7
30 R19,R28,R61,R104,R106 0805 5
31 C24 0805 1
32 RS3,RS4 2512 2
33 C27,C28,C32,C67,C76,C75,C81,C82,C83,C84,C101,C102,C103,C104,C107,C109,C111 0805 17
34 R21,R23,R24,R101 0805 4
35 R22,R102 0805 2
36 U5 TO263-5 1
37 PC10 RB3 1
38 PC11,C62 0805 2
39 L3 0650 1
40 PD2 SMA 1
41 PWRLED,LOCKED,SYS 0805LED 3
42 R47 0805 1
43 R55,R109,R110,R114 0603 4
44 U8 SO-8 1
45 U10 SOT223 1
46 L4 INDP5652X20N 1
47 D14 SMA 1
48 C63 RB2 1
49 R60 0805 1
50 U13 SOT-89 1
51 R70 1206 1
52 C39,C40 1206 2
53 Y1 CRY_3225 1
54 C78,C79 0805 2
55 R77 0603 1
56 C80 0603 1
57 BOOT SIP3 1
58 SWD SIP4 1
59 U7 LQFP48 1
60 Q7,Q8 SOT-23 2
61 R80,R112 0603 2
62 R81,R82,R83,R84 0805 4
63 RP2 RESPACK_4X0603 1
64 U11 TSSO3X5-G10 1
65 U14 SO-8 1
66 U16 SOT223 1
67 KEYS&ENCODER WZH1.5MM-10P 1
68 DISPLAYSPI/4WIRE8080 WZH1.5MM-10P 1
69 R113 0805 1
70 U15 SOT23-5 1
71 FAN SIP-2 1
72 R117 1206 1
73 D10 SOT-23 - DUPLICATE 1
74 C120 0805 1
75 R116,R115 0603 2
76 U3 SO-8 1
77 U4 SO-8 1
78 U9,U12 SO-8 2

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