飞思卡尔智能车电源模块论文.docx

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1、飞思卡尔智能车电源模块论文1引言全国大学生“飞思卡尔杯智能汽车竞赛起源于韩国，是在飞思卡尔半导体公司赞助下举办的大学生课外科技竞赛，按传感器类别分为摄像头组、光电组、电磁组、创意组。该竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应的控制软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，根据规定道路行进，以完成时间最短者为优胜。该竞赛涵盖自动控制、形式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。我们组所参加的光电组，主要是以光电传感器或者线性CCD现已禁止使用激光传感器作为主要途径传感器

2、，我们组选用的是飞思卡尔半导体公司的16位微处理器RAM内核的XS128系列，基于组委会指定的B车模平台而去制作智能车。智能车硬件电路共包括七大模块：主控模块、电源驱动模块、控制器电路设计、电机驱动电路、速度检测电路、红外对管起跑线检测模块、CCD传感器电路。我这次主要负责的电源驱动模块。由于主电源来自7.2V的供电电池，随着时间的推移导致电池功率下降以及智能车速度的转变导致电压不稳。基于这样的思路在设计电压驱动模块时，大量采用了稳压芯片像：AS1117、LM6932都是高效率线性稳压器，是一款低压差的线性稳压器，当输出0.8A电流时，输入输出电压差仅为1.2v，并且能提供固定的3.3V、5V

3、的电压值。利用NCP3020来构成一个稳定电路，利用其输出输出过压保护，欠压保护，输入欠压锁定的功能构成稳压电路提供稳定的4.5V5V供电给舵机。利用MC34063构成的升压电路，使电源电压为7.2V的电压转化为12V的电压为线性CCD供电。这样做的优点是为了保证电池供电不稳时，通过稳压芯片与反应电路的综合作用，保证智能车高速平稳的行驶。对于本次模块的设计之初没有充分认识芯片集成度高、电流大等因素，因而在实际运用时会发现随着车速的提高芯片温度较高，甚至会出现PCB板走线烧断等情况。所以对于实际运用中对于这方面要加强改良。2设计任务及可行性分析2.1智能车多路电路设计任务硬件电路模块为小车系统的

4、其他各模块提供所需要的电压与电源。设计中，除了需要考虑电压的范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率，降低噪声，防止干扰和电路简洁方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。由于带动整个小车系统工作的能量均来自一块由6颗1.2V镍镉充电电池串联而成的7.2V电池，容量为1800mAh。而系统中各模块所需的工作电压和工作电流各不一样，因而电源模块应该包括多个稳压电路，将电池电压转换为各个模块所需的电压，详细的电路构造如图2.1所示图2.1电路构造2.2设计目的从最初进行硬件电路设计时我们就既定了系统的设计目的：可靠、高效、简洁，在整个系统设计经过中严格根据规范进行。可靠性

5、是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性到达了设计要求。高效是指本系统的性能要足够强劲。简洁是指在知足了可靠、高效的要求后，为了尽量减轻整车重量，降低模型车的重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。我们在对电路进行了具体分析后，对电路进行了简化，合理设计元件排列、电路走线，使本系统硬件电路部分轻量化指标都到达了设计要求。3、理论分析3.13.3V、5V原理及仿真分析3.1.13.3V、5V理论分析由于场效应管可应用于放大

6、.场效应管放大器的输入阻抗很高,因而耦合电容能够容量较小,不必使用电解电容器.且场效应管很高的输入阻抗非常合适作阻抗变换.所以本电路采用BSS306N于多级放大器的输入级作阻抗变换.由于电路要产生稳定的电压，因而电路中接入大量的电容，其中C19的作用是并接在三极管放大器的基极与发射极之间，构成负反应网络，以抑制三极管极间电容造成的自激振荡。在收音机高频和中频放大器，电视机高频放大器中，采用这种中和电容电路，以消除自激。其他的电容的作用主要是在电压传输经过中会产生不同频率的电压，接入电容是为了消除放大器之间有害的频率电压。电路中的电阻主要作用是限流的作用，由于电路中的电路中会产生1A这样的大电流

7、，因而为保护电路，必须接入大电阻，限制电流。电路中参加LED发光二极管是为了讲明此电路正常工作，用于指示。电路中的主要原器件，像AS1117的作用主要是滤除不稳定的电压，使其产生稳定的电压，接到输出端。使用AS1117是考虑到它一款低功耗正电压调节器设计，以知足800mA的输出电流，并遵守与一个固定的输出电压2.85V。为防止电路输出5V电压时，用于编码器、XS128供电等，会产生像800MA这样的大电流，因而接入了一个1A的保险丝。防止电路烧坏，实际操作时会发现，当走线过细时经常会出现电路板烧坏的现象，因而参加保险丝是必要的。3.1.23.3V、5V仿真图图3.13.3V、5V电压模块仿真图

8、电路分析：电源直接从CON1接入，通过一个MOS管保护输入电路，防止反接，烧坏电路。电压由S1接入电路。LM6932为降压芯片输出为3.3V，精度为+1%。LM1171为稳压芯片输出为5V，精度为+2.5%。电路中引入数个电容接地。这样做是为了滤波的作用，保证电压的稳定。输出端参加LED的作用是显示电路正常，用于指示。参加2K与2.2K两个电阻是保证输出端点电压限制在3.3V、5V。3.26V原理及仿真分析3.2.16V理论分析本模块主要是采用NCP3020芯片，使电路产生稳定的6V电压，首先由R11、C17、C8、C15等构成由NCP3020构成的稳压电路，其中由其内部构造可知FB引脚连接到

9、反相输入端的。该引脚与COMP引脚连接用补偿的电压形式控制的反应回路。因而我们在设计外接电路时采用有R7、R12、R14构成的可调电路是为了知足不同赛车舵机对工作电压的要求，将舵机电源设计成可调形式的电源，A车型需要6V舵机电源，B车型需要4.55.5V舵机电源；使用经过中通过调节R7可调电阻来调整电压。其中电路中还参加了Q2、Q3的三极管是利用了三极管的开关特性，当电压过低、过高时，均不能正常工作，此设计是由于舵机对电压要求很是严格，舵机的稳定性，直接影响车子的行驶性能，给比赛带来很大的影响。3.2.26V仿真图图3.26V电压模块仿真图电路分析：本电路主要是提供舵机供电电路。围绕NCP30

10、20的典型稳压电路构成。同时巧妙的参加R7滑动变阻器。通过改变电阻的值使输出端口产生4.5V6V的电压，用于不同车模的电压需要。由于MOS管输入阻抗较高，本电路参加两个MOS管主要是防止反接。引入LED的作用是为了显示电路正常工作。参加5.1K的电阻作用是限制输出点电压值。3.312V原理及仿真分析3.3.112V理论分析1、12V电压主要是给线性CCD供电，由于CCD的工作原理主要是根据曝光时间来采黑色赛道信息，通过对于信息的处理到达合理控制智能车的行驶方向，当输入电压为7.2V作用时，通过升压芯片MC34063,使其输出电压为12V的稳定电压。参加D6是为了保护电路，防止电压不稳造成芯片损

11、坏。参加300MA的保险丝是为了防止电路电流过大烧坏CCD。其他的原件的作用与上述模块一样。2、MC34063的升压电路MC34063组成的降压电路原理如图3.3,当芯片内开关管(T1)导通时，电源经取样电阻Rsc、电感L1、MC34063的1脚和2脚接地，此时电感L1开场存储能量，而由C0对负载提供能量。当T1断开时，电源和电感同时给负载和电容Co提供能量。电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性一样，相当于两个电源串联，因此负载上得到的电压高于电源电压。开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。电阻R1和R2用来

12、设定输出电压，电阻Rsc是电流取样，当Ui=7.2V时在Uo处获得12V的电压精度为+5%。图3.3MC34063升压电路图3.3.212V仿真图图3.412V电源仿真图电路分析：12V的电压供电对象主要是线性CCD，因而12V电压的效率主要与电池消耗时间有关。本电路主要是参照MC34063的升压电路设计而成，在输出端点参加300MA的保险丝是为了保护电路。同时LED与10K的电阻作用分别是指示与限压的作用。4实际测量分析本次测量采用同一电路图不同的焊接板进行比照测量，通过调节电压从5.2V至8.7V测量对应输出电压的8组数据。进而检测电路板的实际运用效果，选择出实际稳压效果较好的电路板作为参

13、赛板。4.13.3V实际测量分析1、首先对两块实验板的3.3V电压的输出与输入电压进行比照测量得出如图4.1。图4.13.3V模块电压输出数据分析：由于3.3V主要是给XS128供电，因而要求电压相对稳定性要高比照两块实验板能够看出在输入电压从5.2V增至8.7V的经过中，两块实验板均在误差许可范围内。4.25V实际测量分析对两块实验板的输出5V电压的输入输出关系进行比拟，测出8组数据得出如图4.2。图4.25V模块电压输出数据分析：比照两组数据，能够看出在5.2V至6.2V范围内，输出电压波动较大。但在6.2V至8.7V时，输出稳定性较好。讲明在电源欠压过大时输出稳定性较差。因而实际应用中要

14、保证电池供电充足。4.36V实际测量分析本次电路设计中保函滑动变阻器，能够根据不同车模选用不同电压值。由于本次采用B型车模，因而选用5V电压作为舵机供电电压。对于舵机的控制主要由单片机程序以及供电电压控制。但本次电路板巧妙才跟随电压的方式，保证舵机正常工作。比照两组实验路板测出8组数据如图4.3图4.3舵机模块电压输出数据分析：从数据中能够发现，无论输入电压如何变化，但输出电压始终很稳定。舵机电压稳定性直接决定智能车在高速运行中的稳定性，比照数据可以以看出在5.2V至8.7之间输入电压变化较大，但输出电压始终维持在4.93V左右。并且实际调试时发现电压越大舵机灵敏度越高，车子越稳定。4.412

15、V实际测量分析分别在输入电压逐步变化时，比照两块实验板测量8组数据得出如图4.4。图4.412V模块电压输出图数据分析：12V的电压供电对象主要是线性CCD。在输入电压从5.2V8.7V变化范围内，由于实际焊接、调制等原因导致两块板子输出电压在11.7V左右，但均保持了稳定特性符合实际需求。5总体分析5.1总体原理分析经过查阅大量资料，最终确定采用底线性压差稳压的LM1171、L6932芯片分别得到5V、3.3V电压。5V主用给5V供电要求的芯片供电和测速编码器供电。3.3V主要给Xs128微处理器供电，固然Xs128超频到100M时，相对普通微处理器功率高，由于采用L6932芯片稳压，输出功

16、率也较高，所以知足微处理器正常工作要求。数字舵机的电源要求也相对较高，我们选用LM1171可调稳压芯片来作为舵机的电源，通过合理选择LM1171稳压电阻的阻值，就能得到5.5V的电压，可调稳压输出也方便后期的调试，由于在竞速的模型上，转向的灵敏和快速，决定了车模的车速和稳定。所以经常为了加快舵机的响应速度，缩小舵机的响应时间，适当的加大舵机的供电电压。升压电路采用MC34063芯片升压，由于MC34063匹配电容的电容值不容易选择，经过几次调试，从7.2V升14V电路总是不太稳定，最终我们采用舵机电源5.5V升14V，经测试，该升压电路能稳定工作并且知足NCP3020供电要求。在实际的调试中，

17、智能车跑一圈大概23S作用。而电池的最佳供电时间段大概是10分钟，因而在实际测量中会发现每隔2分钟检测电路功率，在持续使用10分钟后发现功率有所下降。因而在实际比赛中最好采取备用电池，以确保比赛效果。5.3电源总体制作PCB板图5.2电源总模块PCB板工程图讲明：本电路板采用altiumdesigner画PCB板软件。由于在绘制之初不知道元件尺寸，因而在本人制作元件库时会出现实际尺寸与制作元件有冲突。经太多次测量最终得到相对准确的数据。封装后采用自动布线的方法最终得到工程文件。5.4电源模块制作PCB板的实物图图5.3电源总模块PCB板实物图讲明：经过厂家加工后的PCB板如下图。基本符合实际运用的需求。5.5电源模块焊接原价后的实物图图5.4电源模块实物图讲明：在实际的焊接时，要保证焊接元件的质量。不能虚焊、短路等。由于采用大量采用贴片元件，因而不能长时间焊接以免烧坏元件。由于布线考虑不周导致部分走线过细，因而参加外部导线连接。