飛思卡爾智能車電源實現(xiàn)的幾種類型和詳細說明(非常重要)

1、電源的種類和設(shè)計如果您是高手,請忽略以下無用的文字。首先感謝您購買本店的編碼器,下面我將簡單講解下電源 的種類和實際中智能車的電源設(shè)計, 本人才疏學(xué)淺, 一定會出現(xiàn) 錯誤之處, 如果有錯誤請您指出或者將其忽視, 歡迎提出寶貝意 見。 智能車編碼器專賣店店鋪地址:一、電源的分類:基本上,在我們?nèi)粘?yīng)用的電源主要分為兩類:一類 為 開關(guān)型穩(wěn)壓電源,另一類為 線性穩(wěn)壓電源。(1開關(guān)型穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓器使用輸出級,重復(fù)切換 “ 開 ” 和 “ 關(guān) ” 狀態(tài),與能 量存貯部件(電容器和感應(yīng)器一起產(chǎn)生輸出電壓。它的調(diào)整是 通過根據(jù)輸出電壓的反饋樣本來調(diào)整切換定時來實現(xiàn)的。 在固定 頻率的穩(wěn)壓器中, 通過調(diào)

2、節(jié)一個周期內(nèi)的高低電平的時間占空比 來實現(xiàn)對輸出電壓的控制, 假設(shè)設(shè)定高電平時接通, 此時對能量 存儲元件充電, 使電容的電壓升高, 輸出電壓就是電容的電壓也 就增大了,反之同理。 這就是所謂的 PWM 控制。在門控振蕩 器或脈沖模式穩(wěn)壓器中, 開關(guān)脈沖的寬度和頻率保持恒定, 但是, 輸出開關(guān)的 “ 開 ” 或 “ 關(guān) ” 由反饋控制。根據(jù)開關(guān)和能量存貯部件的排列, 產(chǎn)生的輸出電壓可以大于或小 于輸入電壓, 并且可以用一個穩(wěn)壓器產(chǎn)生多個輸出電壓。 在大多 數(shù)情況下,在同樣的輸入電壓和輸出電壓要求下,脈沖(降壓 開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換電源的效率更高, 但帶載能力要比 線性的要低。在實際中我們

3、常用的開關(guān)穩(wěn)壓電源有 LM2575、 LM2576、 LM2596、 TI 公司的 TPS54xxx 系列等。 LM25XX 系列開關(guān)電源 穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率較低, 是最不適合于智能車系統(tǒng)供電用的, 而 且該系列電源輸出紋波很大,必須在輸出增加 LC 濾波接入大電 感大電容才能達到很好的效果,由于比賽中要求電容使用量在 2000uf 以下,所以該類開關(guān)穩(wěn)壓電源是絕對不能使用的; TPS54XXX 系列開關(guān)穩(wěn)壓器開頻率都是在 500KHZ 以上,效率 較高,輸出紋波相對較低,而且封裝為 SO8貼片封裝,體積小、 外圍電路簡單, 輸出不經(jīng)過特殊處理就可以達到很好的效果, 如 果加上 LC 濾波后,效

4、果將更加好,可以在智能車系統(tǒng)中使用。 當(dāng)然還有其他很多優(yōu)秀的開關(guān)穩(wěn)壓芯片并沒有列出, 如果各項參 數(shù)好,都可以使用,但是在實際應(yīng)用前一定要多多做實驗,否則 由于電源不穩(wěn)定造成的后果是很嚴重的?！咀ⅰ?上述講解了開關(guān)穩(wěn)壓電源原理和一些問題, 我將再次 強調(diào)下, 智能車中能夠不用開關(guān)電源就不用開關(guān)電源, 因為開關(guān) 電源如果電路設(shè)計不好或者 LC 不匹配, 會造成很多問題, 比如 帶負載能力差、 輸出夾雜高頻諧波、 紋波較大等問題, 這些問題將會影響智能車模擬部分電路的工作, 這些問題導(dǎo)致的結(jié)果就是 輸出電壓不穩(wěn)定, 這樣模擬部分比如 AD 采樣的基準電壓就會不 正常, 導(dǎo)致模擬采樣的結(jié)果不準確,

5、這樣帶來的后果將是致命性 的, 傳感器采集回來的值都不準確, 再牛逼的程序也沒用, 所以 電源是智能車系統(tǒng)一切的核心和基礎(chǔ)。 同樣電源不穩(wěn)定也會造成 編碼器工作不正常。(2線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓直流電源的特點是:輸出電壓比輸入電壓低; 反應(yīng)速度快,輸出紋波較小;工作產(chǎn)生的噪聲低;效率較低 (現(xiàn) 在經(jīng)?？吹?LDO 就是為了解決效率問題而出現(xiàn)的 ; 發(fā)熱量大 (尤 其是大功率電源 ,間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。常用的線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源芯片有:78XX 系列(正電壓 型 , 79XX 系列(負電壓型 (實際產(chǎn)品中, XX 用數(shù)字表示, XX 是多少,輸出電壓就是多少。例如 7805,輸出電壓為 5V ;

6、 LM317(可調(diào)正電壓型 , LM337(可調(diào)負電壓型 ; 1117(低壓 差型,有多種型號,用尾數(shù)表示電壓值。如 1117-3.3為 3.3V , 1117-ADJ 為可調(diào)型 。 LM2940也是比較常用的線性穩(wěn)壓器。【注】在智能車中,我建議都用線性穩(wěn)壓電源,我對一系 列線性穩(wěn)壓芯片進行測試,發(fā)現(xiàn) LM2940表現(xiàn)最好,低壓差,同 等負載下發(fā)熱量較小, LM2940的最大電流為 1A 。已經(jīng)完全夠用智能車系統(tǒng)的供電。 所以強烈建議使用 LM2940作為系統(tǒng)的供 電,如果有 3.3V 系統(tǒng)需要供電,請使用 LM1117-3.3。(3智能車電源的設(shè)計和電源分配(重點針對智能車各種外設(shè)和不同供電

7、電源的供應(yīng),經(jīng)過詳 細分析和外部電源的使用情況, 我將重點講解智能車電源部 分的設(shè)計,本部分尤為重要,請仔細閱讀。(A 電機驅(qū)動電源的設(shè)計:電機驅(qū)動部分電源設(shè)計最為重要,電機驅(qū)動的電源輸入就 是直接將電池兩端的電壓直接引入, 然后電機驅(qū)動通過單片機提 供的 PWM 和方向型號,通過邏輯電壓進行控制。為什么說電機驅(qū)動部分的電源最重要?不就是直接將電 池兩端的電壓引入嗎?在這里我們首先要分析下電機驅(qū)動工作 的過程和實際的問題, 首先電機這部分是整個智能車耗電量最大 的, 對于 A 車和 D 車, 正常的工作電流都是在 2A 左右, 對于 B 車,正常的工作電流在 4A 以上,當(dāng)我們加入閉環(huán) PID

8、 調(diào)節(jié)后, 由于需要頻繁的去控制電機, 這個時候電機的峰值電流能夠達到 6-10A (對于 B 車則更大 ,當(dāng)我們加入反轉(zhuǎn)或者阻轉(zhuǎn)剎車后, 瞬時電流能夠達到 20A 以上,這樣在電池回路中突然出現(xiàn)一個 大負載,就會把電池兩端的電壓拉低,經(jīng)過測試,在這部分電源不做任何處理的情況下, 電池兩端電壓會被拉低 1.5-3V , 這個是 非?？膳碌?電池充滿電后電壓在 8V 以上,如果被拉低 3V , 那么電池的電壓只有 5V 左右, 那么就會造成為單片機、 編碼器、 CCD 或者 CMOS 或者電磁傳感器的穩(wěn)壓 LDO 工作不正常,導(dǎo) 致他們工作不穩(wěn)定, 甚至造成單片機復(fù)位, 編碼器和攝像頭或者 模擬

9、傳感器的數(shù)據(jù)跳動,降低智能車的穩(wěn)定性。那出現(xiàn)這樣的問題怎么解決呢?首先我們研究下官方的規(guī) 則,官方規(guī)定電解電容的最大容量限制在 2000UF 以內(nèi),大家有 沒有想過為什么會限制這個電解電容的容量?電容有四大作用:去耦、旁路、濾波和儲能。大家肯定都見過音響的功放,拆開功 放我們會發(fā)現(xiàn), 功放里面大部分空間都被容量很大的電解電容所 占據(jù), 為什么會加那么多電容?其實就是使用了電容的濾波和儲 能的作用, 大家都知道只有電源純凈穩(wěn)定, 才能讓放大電路工作 的更加穩(wěn)定可靠, 這樣就能夠放大產(chǎn)生純凈優(yōu)美的音樂, 在功放 工作的過程中,難免會遇到市電 220V 波動的情況,或者附近有 大功率的電機電磁設(shè)備工

10、作, 會對市電造成很大的污染, 這個時 候通過變壓器耦合到功放直流電源電路中,導(dǎo)致電源污染波動, 由于有舵機大容量電容的存在,電容本身儲能和低通濾波的作 用, 使得提供給功放電路的電源穩(wěn)定純凈, 從而保證功放電路的 正常工作。其實這些電容就相當(dāng)于很多電池并聯(lián)。通過上面的例子,我們知道電解電容的作用很大,在智能 車中, 由于有電機這個大功率且強大的干擾源存在, 會造成電池兩端電壓不穩(wěn)定，從而電解電容的增加是必不可少，由于官方限 定了容量限制，所以電池兩端的電解電容的容量只能取到 1000UF（注意： （a）耐壓不能超過 25V。 （b）該電容必須靠近 電池輸入端。 （c）具體請查看本店提供的參考

11、原理圖） 。 對于電機兩端，電機在高速轉(zhuǎn)動的時候，會產(chǎn)生強大的電 磁場，這樣就會將高頻噪聲串?dāng)_到電路中，為了減小這個電磁干 擾，電機兩端要并聯(lián)一個 104 電容，同時電機的兩個引腳要分別 于外殼并聯(lián)一個 104 電容，這樣電機的外殼和兩級形成一個回 路，高頻電磁噪聲會自身消耗一部分。 （B）傳感器部分電源設(shè)計 在智能車中，最重要的就是智能車的眼睛，如果智能車連 路都看不準，那不管您有多牛的算法或者多牛的硬件，都是沒用 的， 保證傳感器準確可靠的一個最重要的基礎(chǔ)就是傳感器電源部 分電路的設(shè)計。 為了提高傳感器數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，我們要針對傳感 器進行單獨穩(wěn)壓供電，也就是說，我們要用 LM294

12、0 等這些線性 穩(wěn)壓 IC 單獨為傳感器進行供電，為什么單獨供電？因為只有單 獨供電，才能保證輸出不被其他負載影響，保證電壓穩(wěn)定。這些 傳感器一般包括：攝像頭、線性 CCD 或電磁傳感器等。 （注：我 們提供了參考設(shè)計電路圖，請看原理圖） （C）單片機、編碼器和外圍邏輯電路的電源設(shè)計 經(jīng)過測試 XS128 單片機在 50MHZ 主頻下正常工作電流一 般都是在 100MA 以上，K60 一般會超頻到 200MHZ 以上，功耗 可能會更大。本店編碼器工作電流最大 20MA，其它外圍邏輯電 路工作電流一般小于 100MA，從而對于單片機周邊的這些器件 的工作電流一般都是在 200MA 以上，不是很大

13、也不是很小，為 了保證該部分電路工作穩(wěn)定，我們同樣是采用 LM2940 或者 AMS117 等線性穩(wěn)壓 IC 進行單獨供電。 （D）舵機部分電路的供電 針對舵機部分電路的供電，我們要分成兩種情況進行考 慮。 第一， 就是 A 車的國產(chǎn) 3010 舵機， 3010 舵機原產(chǎn)為日本， 但是我們比賽中使用的為國產(chǎn)，原裝進口的額定電壓為 6V，國 產(chǎn)的也標注為 6V，但是根據(jù)實際測試發(fā)現(xiàn)：原裝進口的 3010 電 壓一旦超過 6.5V 就可能有燒毀的危險， 而國產(chǎn)的 3010 當(dāng)工作電 壓在 7.5V 的時候，長時間工作并不會被燒毀，還有一個奇怪的 數(shù)據(jù)就是國產(chǎn)的工作電壓為 7V 時候的舵機響應(yīng)速度還

14、不如進口 6V 工作時的速度快。 智能車比賽比的是速度，誰快誰就獲勝，由于舵機的控制 周期為 20MS，所以當(dāng)車子告訴行駛的過程中，舵機速度過慢會 嚴重拖累智能車彎道的響應(yīng)速度，所以我們對 3010 供電不經(jīng)過 穩(wěn)壓，直接將電池的電壓通過串聯(lián)一個二極管 1N4007 后，直接 給 3010 供電，直接測試 3010 工作穩(wěn)定，并沒有燒毀的情況，在 響應(yīng)速度上也有很大提高。 （注：具體請參考電路圖。 ）1N4007 在這里有兩個作用： （a）降壓的作用，正常情況下二極管會分擔(dān) 0.6-0.7V 的電壓， 從而保證舵機兩端工作電壓不會超過 7.5V。 （b） 隔離作用，由于二極管的單相導(dǎo)通性，當(dāng)電

15、源電壓發(fā)生波動時， 二極管起到隔離作用，可以保證舵機兩端電壓相對穩(wěn)定。(在二 極管的輸出端再并聯(lián)一個 100UF 電容將更加好。 第二，B 車舵機，B 車的舵機與 A 車舵機不同，供電電壓一 旦超過 6.5V，就很容易燒毀，所以我們必須要增加穩(wěn)壓電路進 行穩(wěn)壓供電，由于舵機的最大工作電流能都達到 1A 以上，所以 在這里 LM2941 等這些小電流的 LDO 就不合適了，我建議大家 使用 LM1084 進行穩(wěn)壓供電，LM1084 最大提供的工作電流為 3A。在這里我并不建議客戶用 DCDC 來進行穩(wěn)壓，雖然 DCDC 效率高，但是如果您這方面的經(jīng)驗較少，很可能您做出來的并不 穩(wěn)定，從而導(dǎo)致舵機

16、電壓供電不正常，燒毀舵機或由于電源不純 凈導(dǎo)致舵機抖動嚴重，如果您 DCDC 設(shè)計制作經(jīng)驗很多，我這 里建議客戶選用 TPS54331 等高效率，低紋波的 DCDC。 （注： 具體請參考電路圖。 ） 以上我們就將所有的電源電路進行了簡單的分析歸類，您在 這里肯定要問： “為什么分這么多路的穩(wěn)壓？為什么要每個部分 單獨供電？這樣豈不是浪費？” 這個問題非常好，我們?yōu)槭裁?要分成好多塊穩(wěn)壓？就是因為穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓是不可逆的， 也就 是比如一個 LM2940 的輸出電壓為 5V，這個 5V 輸出的電源是 無法影響 LM2940 的輸入的，也就是說，當(dāng)該路 5V 輸出負載突 然變大，或者短路，這個時候只是說將比較大的功率消耗在了 LM2940 上，并不會對電源