20KHz 电源参考设计方案.doc

120KHz 电源参考设计方案（设计、制作由电子设计与创新实验室完成）三峡大学第三届大学生电子设计竞赛要求设计、制作电磁感应智能电动车。 根据比赛技术要求，参赛选手设计的智能车能够检测到道路中心线下电线中 20KHz交表电流产生的磁场来导引小车沿着道路行驶。在平时调试和比赛过程 中需要能够满足比赛技术要求的20KHz 的交流电源驱动赛道中心线下的线圈。 本文给出了电源设计参考方案，参赛选手可以到实验室来使用有交变电流引导 线的赛道进行训练、调试和比赛。一、 电源技术指标要求：20KHz 电源技术要求如下： 1、赛道中心线下铺设0.1-0.3mm 直径的漆包线； 2、 频率范围：20K±2K； 3、 电流范围：50-150mA； 我们按照普通的练习赛道总长度50，使用直径为0.2mm 漆包线。在30 摄 氏 度下，铜线的电阻率大约为 0.0185 欧姆平方毫米/米。计算可以得到中心线的 电 阻大约为29.4 欧姆。 按照导线电感量计算公式：其中l, d 的单位均为cm。可以计算出直径为0.2mm，长度50 米的铜线电感量为 131 微亨。对应20KHz 下，感抗约为16.5 欧姆。 可以看出，线圈的电感量小于其电阻值。由于导线的电感量与铺设的形状 有 关系，上述计算所得到的电感量不是准确数值。另外，我们可以在输出时串接 电 容来抵消电感的感抗。所以估算电源电压输出范围的时候，我们不再特别考虑 线 圈的电感对于电流的影响。 为了方便设计，我们设计电源输出电压波形为对称方波。由于线圈电感的 影 响，线圈中的电流为上升、下降沿缓变的方波波形。如下图1所示2图1 线圈驱动电压与电流示意图 对于电阻为29.4 欧姆的赛道导线，流过100mA 的电流，电压峰值应该大 于 3V。考虑到赛道长度有可能进一步增加、漆包线的直径减少等原因，设计电源 输出电压的峰值为6V。 在输出电流为150mA 的时候，电源输出功率大约为 0.9W。二、 电源组成电源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。 如下图2所示：图2 电源组成框图 如上各部分功能可以采用不同的电路实现。下面分别给出各个电流的参考 设 计方案。 1、 振荡电路： 产生中心频率为20KHz 的对称方波信号。为了满足功率输出电路的需要， 一般输出极性相反的信号。可以使用普通的555 时基电路产生振荡信号，也可 以使用简易的单片机产生振荡信号。为了方便调试，信号频率能够在一定范围 内进行调整。由555时基电路组成的振荡电路如图3所示。由MEGA8 单片机组 成的信号发生电路如图4所示.3图3 由555 时基电路组成的振荡电路图4 由MEGA8 单片机组成的信号发生电路 如图4所示使用单片机MEGA8产生20kHz的信号。可使用单片机中定时器、 PWM 模块或者中断来实现。同时还可以外部连接显示接口显示当前的输出频率、 输出 电流的大小。 2、 功率输出电路： 由于输出驱动信号电压、电流、频率较大，需要一定输出功率驱动跑道 线圈，因此最后需要功率输出电路。可以采用分立大功率晶体管搭建输出电 路，也可以使用的电机驱动桥电路集成模块。选择时需要注意电路的频率响 应应该大于20KHz，输出功率大于2W。在制作时需要注意电路的散热。4图5 基于分立元器件的功率输出电路图6 由L298 组成的功率输出电路5图7 基于VMOS/IR2153 功率输出电路。在上面电路中，IR2153 一方面内部集成了类似于555 的时基振荡电路以及 VMOS 管驱动电路。 3、 恒流控制： 恒流电路控制输出电流在100mA 左右稳定，不随着电源的变化而发生波 动。根据比赛规则的要求，恒流输出控制不需要特别的精确。 一般要求不高的情况下可以使用限流电阻控制电流的稳定。如下图所示：图8 输出限流电阻6图9 利用NPN 晶体管的恒流输出电流 也可以利用晶体管的在放大区集电极的恒流特性进行控制。如下图所示：图10 利用PNP 晶体管的恒流输出电流 晶体管可使用大功率双极性晶体管，也可以使用功率MOS 管。从电流设 定 稳定性和恒流特性来看，使用功率双极性晶体管更好。 4、 电源： 电源部分提供电路中所需要的各种低压稳压电源。保证信号振荡电路和 恒流控制电路的稳定性。可以使用一般串联稳压集成电路实现。三、 参考设计电路：如下给出了两个完整的参考设计电路图。电路设计可以有很多的组合方式，大家可以根据自己的理解和经验自行设计。7图11 基于IR2153 的设计8图12 基于555 的设计四、 调试：电源设计完制作完毕后需要进行如下的调试： 1、输出电流调试： 电源安装完毕后可以外接10-100 欧姆的负载进行调整输出电流。可以直 接使用示波器测量阻性负载的外加电压的峰峰值，再除以电阻的阻值，便可 以得到输出电流的数值。也可以在电路的功率输出桥下外接一个直流毫安表 来显示输出电流的大小。 调节恒流设定电位器，使得输出电流在100mA 左右。外部负载电阻在 10 和100 欧姆的时候，都应该在50-150mA 之内。 2、输出频率调试： 可使用的示波器或者具有频率测量的万用表测量输出电压的频率。外接 10 欧姆的负载进行测量负载上电压的频率。调节频率设定电位器使得电源频率 输出在20±2kHz。9调试完毕后，使得电源在负载10 欧姆之下连续工作1 个小时，电源输出的 电流、频率都不会漂移出要求的范围。注意事项： 1、功率管散热： 在外部负载比较小的时候，电路中功率输出晶体管、恒流控制晶体管上的功 耗比较大。特别是在整个电路的电源电压较高（比如+12V）的时候，需要对 于功耗比较大的晶体管进行合理的散热，以提高电源的工作热稳定性。 2、电源： 根据赛道线圈的阻抗，选择电源电压值。如果外部线圈阻抗较低，可以 选择5-7.2V 的工作电压。如果道路线圈阻抗较大，超过了100 欧姆，使用+12V 的直流电源。可以使用直流稳压电源，也可以使用蓄电池进行供电。 3、串接谐振电容： 当赛道比较长的时候，赛道线圈的电感较大，可以在赛道线圈连接中通过串联电容抵消 赛道线圈的感抗。具体电容的大小可以根据实际测量赛道的电感进行匹配。