飞思卡尔智能车电源实现的几种类型和详细说明(非常重要)

1、电源的种类和设计如果您是高手,请忽略以下无用的文字。一、电源的分类:基本上,在我们日常应用的电源主要分为两类:一类 为 开关型稳压电源,另一类为 线性稳压电源。(1开关型稳压电源开关稳压器使用输出级,重复切换 “ 开 ” 和 “ 关 ” 状态,与能 量存贮部件(电容器和感应器一起产生输出电压。它的调整是 通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。 在固定 频率的稳压器中, 通过调节一个周期内的高低电平的时间占空比 来实现对输出电压的控制, 假设设定高电平时接通, 此时对能量 存储元件充电, 使电容的电压升高, 输出电压就是电容的电压也 就增大了,反之同理。 这就是所谓的 PWM 控制。

2、在门控振荡 器或脉冲模式稳压器中, 开关脉冲的宽度和频率保持恒定, 但是, 输出开关的 “ 开 ” 或 “ 关 ” 由反馈控制。根据开关和能量存贮部件的排列, 产生的输出电压可以大于或小 于输入电压, 并且可以用一个稳压器产生多个输出电压。 在大多 数情况下,在同样的输入电压和输出电压要求下,脉冲(降压 开关稳压器比线性稳压器转换电源的效率更高, 但带载能力要比 线性的要低。在实际中我们常用的开关稳压电源有 LM2575、 LM2576、 LM2596、 TI 公司的 TPS54xxx 系列等。 LM25XX 系列开关电源 稳压器的开关频率较低, 是最不适合于智能车系统供电用的, 而 且该系列

3、电源输出纹波很大,必须在输出增加 LC 滤波接入大电 感大电容才能达到很好的效果,由于比赛中要求电容使用量在 2000uf 以下,所以该类开关稳压电源是绝对不能使用的; TPS54XXX 系列开关稳压器开频率都是在 500KHZ 以上,效率 较高,输出纹波相对较低,而且封装为 SO8贴片封装,体积小、 外围电路简单, 输出不经过特殊处理就可以达到很好的效果, 如 果加上 LC 滤波后,效果将更加好,可以在智能车系统中使用。 当然还有其他很多优秀的开关稳压芯片并没有列出, 如果各项参 数好,都可以使用,但是在实际应用前一定要多多做实验,否则 由于电源不稳定造成的后果是很严重的。【注】 上述讲解了

4、开关稳压电源原理和一些问题, 我将再次 强调下, 智能车中能够不用开关电源就不用开关电源, 因为开关 电源如果电路设计不好或者 LC 不匹配, 会造成很多问题, 比如 带负载能力差、 输出夹杂高频谐波、 纹波较大等问题, 这些问题将会影响智能车模拟部分电路的工作, 这些问题导致的结果就是 输出电压不稳定, 这样模拟部分比如 AD 采样的基准电压就会不 正常, 导致模拟采样的结果不准确, 这样带来的后果将是致命性 的, 传感器采集回来的值都不准确, 再牛逼的程序也没用, 所以 电源是智能车系统一切的核心和基础。 同样电源不稳定也会造成 编码器工作不正常。(2线性稳压电源线性稳压直流电源的特点是:

5、输出电压比输入电压低; 反应速度快,输出纹波较小;工作产生的噪声低;效率较低 (现 在经常看的 LDO 就是为了解决效率问题而出现的 ; 发热量大 (尤 其是大功率电源 ,间接地给系统增加热噪声。常用的线性串联型稳压电源芯片有:78XX 系列(正电压 型 , 79XX 系列(负电压型 (实际产品中, XX 用数字表示, XX 是多少,输出电压就是多少。例如 7805,输出电压为 5V ; LM317(可调正电压型 , LM337(可调负电压型 ; 1117(低压 差型,有多种型号,用尾数表示电压值。如 1117-3.3为 3.3V , 1117-ADJ 为可调型 。 LM2940也是比较常用的

6、线性稳压器。【注】在智能车中,我建议都用线性稳压电源,我对一系 列线性稳压芯片进行测试,发现 LM2940表现最好,低压差,同 等负载下发热量较小, LM2940的最大电流为 1A 。已经完全够用智能车系统的供电。 所以强烈建议使用 LM2940作为系统的供 电,如果有 3.3V 系统需要供电,请使用 LM1117-3.3。(3智能车电源的设计和电源分配(重点针对智能车各种外设和不同供电电源的供应,经过详 细分析和外部电源的使用情况, 我将重点讲解智能车电源部 分的设计,本部分尤为重要,请仔细阅读。(A 电机驱动电源的设计:电机驱动部分电源设计最为重要,电机驱动的电源输入就 是直接将电池两端的

7、电压直接引入, 然后电机驱动通过单片机提 供的 PWM 和方向型号,通过逻辑电压进行控制。为什么说电机驱动部分的电源最重要?不就是直接将电 池两端的电压引入吗?在这里我们首先要分析下电机驱动工作 的过程和实际的问题, 首先电机这部分是整个智能车耗电量最大 的, 对于 A 车和 D 车, 正常的工作电流都是在 2A 左右, 对于 B 车,正常的工作电流在 4A 以上,当我们加入闭环 PID 调节后, 由于需要频繁的去控制电机, 这个时候电机的峰值电流能够达到 6-10A (对于 B 车则更大 ,当我们加入反转或者阻转刹车后, 瞬时电流能够达到 20A 以上,这样在电池回路中突然出现一个 大负载,

8、就会把电池两端的电压拉低,经过测试,在这部分电源不做任何处理的情况下, 电池两端电压会被拉低 1.5-3V , 这个是 非常可怕的,电池充满电后电压在 8V 以上,如果被拉低 3V , 那么电池的电压只有 5V 左右, 那么就会造成为单片机、 编码器、 CCD 或者 CMOS 或者电磁传感器的稳压 LDO 工作不正常,导 致他们工作不稳定, 甚至造成单片机复位, 编码器和摄像头或者 模拟传感器的数据跳动,降低智能车的稳定性。那出现这样的问题怎么解决呢?首先我们研究下官方的规 则,官方规定电解电容的最大容量限制在 2000UF 以内,大家有 没有想过为什么会限制这个电解电容的容量?电容有四大作用

9、:去耦、旁路、滤波和储能。大家肯定都见过音响的功放,拆开功 放我们会发现, 功放里面大部分空间都被容量很大的电解电容所 占据, 为什么会加那么多电容?其实就是使用了电容的滤波和储 能的作用, 大家都知道只有电源纯净稳定, 才能让放大电路工作 的更加稳定可靠, 这样就能够放大产生纯净优美的音乐, 在功放 工作的过程中,难免会遇到市电 220V 波动的情况,或者附近有 大功率的电机电磁设备工作, 会对市电造成很大的污染, 这个时 候通过变压器耦合到功放直流电源电路中,导致电源污染波动, 由于有舵机大容量电容的存在,电容本身储能和低通滤波的作 用, 使得提供给功放电路的电源稳定纯净, 从而保证功放电

10、路的 正常工作。其实这些电容就相当于很多电池并联。通过上面的例子,我们知道电解电容的作用很大,在智能 车中, 由于有电机这个大功率且强大的干扰源存在, 会造成电池两端电压不稳定，从而电解电容的增加是必不可少，由于官方限 定了容量限制，所以电池两端的电解电容的容量只能取到 1000UF（注意： （a）耐压不能超过 25V。 （b）该电容必须靠近 电池输入端。 （c）具体请查看本店提供的参考原理图） 。 对于电机两端，电机在高速转动的时候，会产生强大的电 磁场，这样就会将高频噪声串扰到电路中，为了减小这个电磁干 扰，电机两端要并联一个 104 电容，同时电机的两个引脚要分别 于外壳并联一个 104

11、 电容，这样电机的外壳和两级形成一个回 路，高频电磁噪声会自身消耗一部分。 （B）传感器部分电源设计 在智能车中，最重要的就是智能车的眼睛，如果智能车连 路都看不准，那不管您有多牛的算法或者多牛的硬件，都是没用 的， 保证传感器准确可靠的一个最重要的基础就是传感器电源部 分电路的设计。 为了提高传感器数据的可靠性和稳定性，我们要针对传感 器进行单独稳压供电，也就是说，我们要用 LM2940 等这些线性 稳压 IC 单独为传感器进行供电，为什么单独供电？因为只有单 独供电，才能保证输出不被其他负载影响，保证电压稳定。这些 传感器一般包括：摄像头、线性 CCD 或电磁传感器等。 （注：我 们提供了

12、参考设计电路图，请看原理图） （C）单片机、编码器和外围逻辑电路的电源设计 经过测试 XS128 单片机在 50MHZ 主频下正常工作电流一 般都是在 100MA 以上，K60 一般会超频到 200MHZ 以上，功耗 可能会更大。本店编码器工作电流最大 20MA，其它外围逻辑电 路工作电流一般小于 100MA，从而对于单片机周边的这些器件 的工作电流一般都是在 200MA 以上，不是很大也不是很小，为 了保证该部分电路工作稳定，我们同样是采用 LM2940 或者 AMS117 等线性稳压 IC 进行单独供电。 （D）舵机部分电路的供电 针对舵机部分电路的供电，我们要分成两种情况进行考 虑。 第

13、一， 就是 A 车的国产 3010 舵机， 3010 舵机原产为日本， 但是我们比赛中使用的为国产，原装进口的额定电压为 6V，国 产的也标注为 6V，但是根据实际测试发现：原装进口的 3010 电 压一旦超过 6.5V 就可能有烧毁的危险， 而国产的 3010 当工作电 压在 7.5V 的时候，长时间工作并不会被烧毁，还有一个奇怪的 数据就是国产的工作电压为 7V 时候的舵机响应速度还不如进口 6V 工作时的速度快。 智能车比赛比的是速度，谁快谁就获胜，由于舵机的控制 周期为 20MS，所以当车子告诉行驶的过程中，舵机速度过慢会 严重拖累智能车弯道的响应速度，所以我们对 3010 供电不经过

14、 稳压，直接将电池的电压通过串联一个二极管 1N4007 后，直接 给 3010 供电，直接测试 3010 工作稳定，并没有烧毁的情况，在 响应速度上也有很大提高。 （注：具体请参考电路图。 ）1N4007 在这里有两个作用： （a）降压的作用，正常情况下二极管会分担 0.6-0.7V 的电压， 从而保证舵机两端工作电压不会超过 7.5V。 （b） 隔离作用，由于二极管的单相导通性，当电源电压发生波动时， 二极管起到隔离作用，可以保证舵机两端电压相对稳定。(在二 极管的输出端再并联一个 100UF 电容将更加好。 第二，B 车舵机，B 车的舵机与 A 车舵机不同，供电电压一 旦超过 6.5V，就很容易烧毁，所以我们必须要增加稳压电路进 行稳压供电，由于舵机的最大工作电流能都达到 1A 以上，所以 在这里 LM2941 等这些小电流的 LDO 就不合适了，我建议大家 使用 LM10