Type-c超声波切割刀

前言：

经过多版本测试和修改，目前已经可以做到正常工作，但貌似效率不高，有较高优化空间

本人第一次设计脉冲变压器，经过调试能正常工作但效率不高，希望相关业内大佬能提出建议，或优化设计。新手不建议复刻！

Type-c一体化超声波切割刀

开源协议：CC-BY-NC-SA-4.0 严禁用于任何形式的商业用途

基础参数：

电压：20V （电源需支持PD/QC 20V输出）

电流：0.3~1A

功率：6~20W (MAX:25W)

工作频率：40KHz (实测38.9KHz)

操作：

按键单按开机，双击关机。

红灯：电源异常，电压不足，无法启动（电源不支持快充也会导致红灯）

绿灯：电源正常，工作准备就绪

蓝灯：功率输出，正常工作状态

应用场景：

3D打印件支撑切割，纸张批量裁切

电路部分：

经过实测：R45短接D5 NC

UCC27517 对AON7544 的驱动能力可能还是不够，在>10W情况下，AON7544发热较大

后续设计应考虑着重加强功率桥驱动能力，当然这也可能跟变压器设计不当有关。

电源取电使用CH224与充电器通讯诱骗20V

程序部分：

单片机型号：STC8H1K08 QFN-20 程序下载时钟：30MHz

栅极变压器驱动信号由STC8H硬件PWM输出 源码参考STC8H官方硬件PWM驱动

这里面前两个版本是打算做桥驱输出的，所以实际上程序是输出带死区互补的PWM信号

第三版改为单管，取正PWM信号输出

这里经过测试 30M时钟 ARRH=0X03 输出效果最佳 实测输出PWM频率 38.9KHz

PWMA_DTR=0X00~0XFF 死区时间控制寄存器，可用来调节输出PWM占空比

数值越小 PWM输出占空比越高 数值越大PWM输出占空比越低

该变压器测试最佳值为0xBF

PWMA_ARRH改变PWM输出频率，在30MHz时钟情况下，PWMA_ARRH=0x03 PWM输出频率为38.9KHz

根据数据手册，实际震荡频差+-3KHz既满足工作条件

脉冲变压器：

变压器为无引脚铁氧体磁罐变压器

磁芯型号：GU-18 磁芯截面积 43.8mm2

初级：单股线径0.23mm 四线并绕 28T

次级：单股线径0.05mm 单线 420T

次级在内侧绕制，初级在外侧绕制 （变压器为手工绕制）

调试与测试：

MOS栅极驱动信号

变压器输出谐振信号

超声波换能器用704硅橡胶与外壳粘接固定

内构仿真：

外壳装配：

外壳为JLC3D激光烧结尼龙打印，精度和手感还行，但是材质较软

按键使用透明光固化打印8001半透明树脂

建模文件见附件：

注意：按键同时充当导光柱功能，因受限于实际按键批次型号误差，外壳打印误差等，按键高度需要根据实际情况做调整，这里有对按键上表面进行打磨以便适配PCB按键实际高度

螺丝选用 M2*10MM 沉头螺丝 *8

超声换能器型号： H-CSD-OD15-66.5-40K 超声刀换能器 （技术资料和建模见附件）

https://item.taobao.com/item.htm?_u=i20292vc2rfe37&id=771352524068&spm=a1z09.2.0.0.33392e8dwQNbUU

外壳固定垫圈：1.9*11mm垫圈

操作讲解：

1.电源异常，电压不足，无法启动（电源不支持快充也会导致红灯）

绿灯：电源正常，工作准备就绪

蓝灯：功率输出，正常工作状态

开发过程：

2024.10.26-V1.0 方案采用BOOST升压+2倍压达到400V经过桥式逆变输出

测试结果：升压极限电压268V 桥驱工作不正常 LDO供电发热严重

2024.11.15-V2.0 方案采用BOOST升压+3倍压达到400V 供电更换为DC-DC

测试结果：桥式驱动异常，升压无法带载，发热大，整体体积过大

2024.12.18-V3.0 采用单管驱动脉冲变压器升压

大功率带载效率低，功率管发热较大

后续改进方向，优化脉冲变压器设计，优化栅极驱动方案，降低发热

测试视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1HekKYAEHR/?vd_source=f2ecf6d07c56387a85d94b5338693a63

预估实际换能器有效转换功率可能只有10W出头，切纸张可以做到连续切断，但是切不了粗的塑料或者金属材质，超声头切6061铝材刀片会和铝材摩擦产生高温和火花，但是无法切割。

注意：超声换能器工作状态下会有高频电磁干扰，尽量不要靠近敏感电子产品使用。