C-BISCUIT Мощность: 5V 3A Бак-регулятор для Wandboard
Дизайн и теория в отношении регулятора мощности 5V-3A на основе LM25575, который будет использоваться в проекте робота C-BISCUIT.
Серия C-BISCUIT
- C-BISCUIT: платформа робототехники для хакера и хоббиста
- C-BISCUIT: выбор и обоснование дизайна
- C-BISCUIT Мощность: 5V 3A Бак-регулятор для Wandboard
- Мощность C-BISCUIT: цепь защиты от перегрева для регулятора 5 В
- C-BISCUIT: Мозги операции
- Мощность C-BISCUIT: сборка и тестирование схем регулятора и литника
- C-BISCUIT: мониторинг здоровья вашего робота
- C-BISCUIT: архитектура системы роботов
- C-BISCUIT: схематический дизайн для RCB-микроконтроллера, контроллер двигателя
- C-BISCUIT: Схематический дизайн для RCB-Power, Stepper
- C-BISCUIT: макет и сборка для панели управления роботом
- C-BISCUIT: системная интеграция и тестирование
Силовая диаграмма верхнего уровня
Wandboard, отвечающий за C-BISCUIT, требует регулируемый источник питания 5 В постоянного тока, который обычно считается стеновым бородавком с дросселем. Чтобы сделать мобильный робот, Wandboard будет работать с 3-элементной батареей LiPo с номинальным напряжением около 11, 1 В. Само собой разумеется, что его необходимо регулировать до 5 В перед тем, как отправиться на Wandboard, и поскольку батареи могут подавать огромное количество тока, очень разумно включать некоторые схемы защиты в случае возникновения перенапряжений / сверхтоков (например, это будет рассмотрено в следующем учебнике).
В этой статье будет представлена конструкция источника питания с коммутационным напряжением 5 В-3А (SMPS) с топологией buck, основанной на коммутационном регуляторе Texas Instruments LM25575. LM25575 был выбран, поскольку в дополнение к хорошо документированному описанию (PDF), TI также предоставляет эталонный дизайн (PDF) с примером схемы и схемы платы, а также рабочий лист (PDF) для изменения дизайна для других приложений. См. Вкладку технических документов для получения дополнительных ресурсов.
Источник питания - это, как правило, многозадачный аспект проектов любителей, поэтому мы надеемся пролить свет на то, что нужно, чтобы на самом деле разработать специальное решение для электропитания. Есть, безусловно, другие варианты, и многие из них могут быть дешевле и проще в построении. Adafruit продает конвертер DC-DC 5V 3A за 10 долларов США, и вы даже можете приобрести полную версию Rev. A LM25575 Reference Design Board за 50 долларов США или незагрязненную справочную конструкцию Rev. B LM25575 за 20 долларов США. Цель здесь состоит в том, чтобы проработать некоторые аспекты дизайна SMPS, чтобы вы могли создать свой собственный путь вниз.
Rev A Reference Design
Rev B Reference Design
теория
Как правило, в проекте хоббиста самым простым способом получения регулируемого напряжения является использование линейного регулятора, такого как LM7805 (PDF). Однако они очень неэффективны и рассеивают избыточную мощность в виде тепла. С другой стороны, источники питания с переключением могут работать с очень высокой эффективностью (80% - 95%), но часто являются более сложными схемами и обычно требуют еще нескольких компонентов. Ниже приведена типичная схема выпадающего регулятора.
Общая топология регулятора
SMPS работают по принципу, что в индукторе ток не может мгновенно меняться, а в конденсаторе напряжение не может мгновенно меняться. Из класса схем это можно описать с помощью следующих дифференциальных уравнений:
а также
Когда переключатель, S (как правило, какой-то MOSFET), закрыт в приведенной выше схеме, ток (IL) начинает течь, хотя индуктор, L. Этот ток протекает в конденсатор C и нагрузочный резистор R, который индуцирует на них напряжение (Vo), которое увеличивается от 0 В до Vi. Это также приводит к смещению обратного диода D. Если S открыто до того, как Vo равно Vi, ток в цепи не прекращается мгновенно из-за индуктивности, поэтому он продолжает течь через контур, созданный с помощью диода. По мере того, как энергия схемы рассеивается, Vo будет уменьшаться до 0V. Вы можете видеть, что если этот процесс открытия / закрытия продолжается, выходное напряжение может поддерживаться.
По-видимому, в выходном сигнале присутствует некоторая пульсация напряжения и тока, но для большинства приложений эти значения могут быть приемлемыми. Выходные характеристики зависят от индуктивности, выходной емкости, частоты переключения и даже платы. Большинство интегральных микросхем регулятора также содержат некоторую форму обратной связи с обратной связью для поддержания стабильного выхода. Для получения дополнительной информации, вот интересная статья о влиянии высокой частоты переключения на регуляторы баксов (PDF).
Справочный дизайн TI
LM25576 включает в себя несколько функций «хорошо иметь», которые включены в эталонный дизайн.
- Мягкий старт
- Предел перегрузки по току (4.2A)
- Управление током в замкнутом контуре (PDF)
- Режим останова / ожидания (не заполнен)
Физическое расположение платы предоставляется только как изображения в формате PDF (без файлов Gerber или EDA), поэтому наш макет воссоздается вручную в KiCad (с некоторыми незначительными изменениями). Некоторые важные особенности, которые следует обратить внимание, - это медь для циркуляционного диода и индуктора. Наливается как на верхний, так и на нижний медные слои, а многочисленные связки соединяются между собой. Это путем сшивания делается в виде теплового рельефа и позволяет использовать медные области в качестве радиаторов, когда эти детали нагреваются при тяжелых нагрузках. В качестве части конструкции эти верхние листы также имеют маску для пайки, чтобы исключить рассеяние тепла. Существует также сшивание под самим регулятором, который соединяет открытую панель IC с нижней земной плоскостью.
Внедрение KiCad
В реализации, которую мы внедряем, используются большинство тех же частей (см. Спецификацию в справочном проекте PDF), заменяя более дешевые пассивы и различные входные и выходные терминалы. Прокладки на большинстве частей также немного больше, поскольку этот проект предназначен для пайки вручную, если это необходимо.
схема
Раскладка платы
Довольно 3D-рендеринг в OSHPark фиолетовый
Файлы дизайна
Все файлы дизайна доступны в Github или в виде автономного ZIP-файла. В ZIP-файл включены файлы схемы, макета и библиотеки для KiCad, а также спецификация материалов и файлы Gerber для производства.
Скачать код
Движение вперед
Следующий шаг в силовой серии C-BISCUIT (в дополнение к сборке и тестированию этой платы, когда она возвращается с фабрики) представляет собой небольшую схему защиты от перегрузки по току и перенапряжения, которая может быть добавлена в линию между регулятором и Wandboard. Кроме того, мы будем разрабатывать распределительную плату для батарей с возможностью «горячей» замены / береговой мощности и мониторинга напряжения / тока. Для получения дополнительной информации о других приложениях регулятора buck ознакомьтесь с статьей Дэвида Найта.
До следующего раза, счастливый взлом …
Следующая статья в серии: C-BISCUIT Мощность: цепь защиты от перегрева для регулятора 5 В
Попробуйте этот проект сами! Получить спецификацию.