飛思卡爾智能車電源實(shí)現(xiàn)的幾種類型和詳細(xì)說明(非常重要)

1、電源的種類和設(shè)計(jì)如果您是高手,請(qǐng)忽略以下無用的文字。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(jí),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(shí)來實(shí)現(xiàn)的。 在固定 頻率的穩(wěn)壓器中, 通過調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)的高低電平的時(shí)間占空比 來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制, 假設(shè)設(shè)定高電平時(shí)接通, 此時(shí)對(duì)能量 存儲(chǔ)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。

2、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(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生多個(gè)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(shí)際中我們常用的開關(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

3、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(dá)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(duì)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(duì)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(dá)到很好的效果, 如 果加上 LC 濾波后,效果將更加好,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(xiàng)參 數(shù)好,都可以使用,但是在實(shí)際應(yīng)用前一定要多多做實(shí)驗(yàn),否則 由于電源不穩(wěn)定造成的后果是很嚴(yán)重的?！咀ⅰ?上述講解了

4、開關(guān)穩(wěn)壓電源原理和一些問題, 我將再次 強(qiáng)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?yàn)殚_關(guān) 電源如果電路設(shè)計(jì)不好或者 LC 不匹配, 會(huì)造成很多問題, 比如 帶負(fù)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(huì)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(zhǔn)電壓就會(huì)不 正常, 導(dǎo)致模擬采樣的結(jié)果不準(zhǔn)確, 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(zhǔn)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(huì)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(diǎn)是:

5、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)常看的 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(fù)電壓型 (實(shí)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 ; LM317(可調(diào)正電壓型 , LM337(可調(diào)負(fù)電壓型 ; 1117(低壓 差型,有多種型號(hào),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

6、線性穩(wěn)壓器?！咀ⅰ吭谥悄苘囍?我建議都用線性穩(wěn)壓電源,我對(duì)一系 列線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn) LM2940表現(xiàn)最好,低壓差,同 等負(fù)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(qiáng)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(qǐng)使用 LM1117-3.3。(3智能車電源的設(shè)計(jì)和電源分配(重點(diǎn)針對(duì)智能車各種外設(shè)和不同供電電源的供應(yīng),經(jīng)過詳 細(xì)分析和外部電源的使用情況, 我將重點(diǎn)講解智能車電源部 分的設(shè)計(jì),本部分尤為重要,請(qǐng)仔細(xì)閱讀。(A 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì):電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電源設(shè)計(jì)最為重要,電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源輸入就 是直接將電池兩端的

7、電壓直接引入, 然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過單片機(jī)提 供的 PWM 和方向型號(hào),通過邏輯電壓進(jìn)行控制。為什么說電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)工作 的過程和實(shí)際的問題, 首先電機(jī)這部分是整個(gè)智能車耗電量最大 的, 對(duì)于 A 車和 D 車, 正常的工作電流都是在 2A 左右, 對(duì)于 B 車,正常的工作電流在 4A 以上,當(dāng)我們加入閉環(huán) PID 調(diào)節(jié)后, 由于需要頻繁的去控制電機(jī), 這個(gè)時(shí)候電機(jī)的峰值電流能夠達(dá)到 6-10A (對(duì)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(shí)電流能夠達(dá)到 20A 以上,這樣在電池回路中突然出現(xiàn)一個(gè) 大負(fù)載,

8、就會(huì)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(huì)被拉低 1.5-3V , 這個(gè)是 非常可怕的,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(huì)造成為單片機(jī)、 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(jī)復(fù)位, 編碼器和攝像頭或者 模擬傳感器的數(shù)據(jù)跳動(dòng),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(huì)限制這個(gè)電解電容的容量?電容有四大作用

9、:去耦、旁路、濾波和儲(chǔ)能。大家肯定都見過音響的功放,拆開功 放我們會(huì)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(huì)加那么多電容?其實(shí)就是使用了電容的濾波和儲(chǔ) 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(huì)遇到市電 220V 波動(dòng)的情況,或者附近有 大功率的電機(jī)電磁設(shè)備工作, 會(huì)對(duì)市電造成很大的污染, 這個(gè)時(shí) 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(dòng), 由于有舵機(jī)大容量電容的存在,電容本身儲(chǔ)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

10、路的 正常工作。其實(shí)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(jī)這個(gè)大功率且強(qiáng)大的干擾源存在, 會(huì)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(qǐng)查看本店提供的參考原理圖） 。 對(duì)于電機(jī)兩端，電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電 磁場，這樣就會(huì)將高頻噪聲串?dāng)_到電路中，為了減小這個(gè)電磁干 擾，電機(jī)兩端要并聯(lián)一個(gè) 104 電容，同時(shí)電機(jī)的兩個(gè)引腳要分別 于外殼并聯(lián)一個(gè) 104

11、 電容，這樣電機(jī)的外殼和兩級(jí)形成一個(gè)回 路，高頻電磁噪聲會(huì)自身消耗一部分。 （B）傳感器部分電源設(shè)計(jì) 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(zhǔn)，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(zhǔn)確可靠的一個(gè)最重要的基礎(chǔ)就是傳感器電源部 分電路的設(shè)計(jì)。 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(duì)傳感 器進(jìn)行單獨(dú)穩(wěn)壓供電，也就是說，我們要用 LM2940 等這些線性 穩(wěn)壓 IC 單獨(dú)為傳感器進(jìn)行供電，為什么單獨(dú)供電？因?yàn)橹挥袉?獨(dú)供電，才能保證輸出不被其他負(fù)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

12、參考設(shè)計(jì)電路圖，請(qǐng)看原理圖） （C）單片機(jī)、編碼器和外圍邏輯電路的電源設(shè)計(jì) 經(jīng)過測試 XS128 單片機(jī)在 50MHZ 主頻下正常工作電流一 般都是在 100MA 以上，K60 一般會(huì)超頻到 200MHZ 以上，功耗 可能會(huì)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(duì)于單片機(jī)周邊的這些器件 的工作電流一般都是在 200MA 以上，不是很大也不是很小，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(jìn)行單獨(dú)供電。 （D）舵機(jī)部分電路的供電 針對(duì)舵機(jī)部分電路的供電，我們要分成兩種情況進(jìn)行考 慮。 第

13、一， 就是 A 車的國產(chǎn) 3010 舵機(jī)， 3010 舵機(jī)原產(chǎn)為日本， 但是我們比賽中使用的為國產(chǎn)，原裝進(jìn)口的額定電壓為 6V，國 產(chǎn)的也標(biāo)注為 6V，但是根據(jù)實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)：原裝進(jìn)口的 3010 電 壓一旦超過 6.5V 就可能有燒毀的危險(xiǎn)， 而國產(chǎn)的 3010 當(dāng)工作電 壓在 7.5V 的時(shí)候，長時(shí)間工作并不會(huì)被燒毀，還有一個(gè)奇怪的 數(shù)據(jù)就是國產(chǎn)的工作電壓為 7V 時(shí)候的舵機(jī)響應(yīng)速度還不如進(jìn)口 6V 工作時(shí)的速度快。 智能車比賽比的是速度，誰快誰就獲勝，由于舵機(jī)的控制 周期為 20MS，所以當(dāng)車子告訴行駛的過程中，舵機(jī)速度過慢會(huì) 嚴(yán)重拖累智能車彎道的響應(yīng)速度，所以我們對(duì) 3010 供電不經(jīng)過

14、 穩(wěn)壓，直接將電池的電壓通過串聯(lián)一個(gè)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(qǐng)參考電路圖。 ）1N4007 在這里有兩個(gè)作用： （a）降壓的作用，正常情況下二極管會(huì)分擔(dān) 0.6-0.7V 的電壓， 從而保證舵機(jī)兩端工作電壓不會(huì)超過 7.5V。 （b） 隔離作用，由于二極管的單相導(dǎo)通性，當(dāng)電源電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)， 二極管起到隔離作用，可以保證舵機(jī)兩端電壓相對(duì)穩(wěn)定。(在二 極管的輸出端再并聯(lián)一個(gè) 100UF 電容將更加好。 第二，B 車舵機(jī)，B 車的舵機(jī)與 A 車舵機(jī)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(jìn) 行穩(wěn)壓供電，由于舵機(jī)的最大工作電流能都達(dá)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 LM10