双向DCDC超级电容控制器硬件设计

来源：半岛在线登录官网    发布时间：2024-04-28 13:39:23

  首先要感谢大连理工大学凌BUG战队和西交利物浦大学GMaster战队的开源文件，没有前辈的慷慨分享就没有我的设计。

  超级电容是一种储能大，充放电速度快、电流大的电容器，被大范围的应用于需要在极短时间内释放超大功率的工程。机甲大师赛为步兵和英雄机器人设定了功率限制。机器人在需要快速移动时，超级电容即作为电源向机器人提供较大的功率。

  在往届比赛中，对于超级电容和底盘的连接方式，各所高校校队给出了不同的方案：

  此方案能够保证输出电压恒定，不会烧掉电调或低压保护。但是也有以下显著缺陷：电路损耗不可忽视，总效率为两级效率乘积，并且电容电压越低电流也会越大效率会更低；成本比较高，需要两个DCDC电路。

  此方案最常见，淘宝的雾列模块和大部分的队伍以及前辈的方案都与之类似。这样的电路虽然简单，但是存在电容死电，无法避免。

  这是凌BUG最终采纳的方案。双向DCDC电路由四个NMOS和一个电感组成。由于电路结构完全对称，可以由PWM信号控制电流双向流动。

  如下图所示，底盘系统的总输入为电源管理。电源管理、超级电容、底盘电机三者并联。超级电容的主控板上设计了一条从电源管理到底盘的通路。

  当超级电容处于充电状态时，电源管理通过电容主控上的通路向超级电容模组供电，同时通过电容主控上通向底盘的通路向底盘电调和电机供电。此时电源管理为电源，底盘和超级电容模组为用电器。

  当超级电容处于放电状态时，电源管理和超级电容同时作为电源，向底盘放电。为了尽最大可能避免双电源工作产生电流倒灌，在电容控制板上设计了OR-ing防倒灌电路。

  控制器中既有大功率回路，也有控制和采样单元。为了方便设计和调试，控制器普遍被分为两个部分——控制部分和信号部分。以往的比赛中，凌BUG等战队使用过单板分区的设计。近年来各大高校采用的方案基本为控制板和功率板双板设计。我不确定哪种设计更好。但是双板设计更便于调试，可维修性也更佳。

  凌BUG和GMaster已经将他们的设计开源在机甲大师论坛，所以我没有一点保密设计的理由，现将原理图展示如下。

  如图所示，控制板被分为三部分：数字、模拟和功率。数字部分为MCU及其周围电路，如晶振、开关、指示灯等，以及和各类物理接口。模拟部分主要为采样电路和整板供电。功率部分即为功率路径上通过的器件。为最好能够降低三部分的干扰，我将地层分为了三部分，其间用0Ω电阻连接在一起，构成整板地回路。

  MCU选用STM32F334C8T6，其具备的HRTIM模块用于满足高精度PWM控制的需求。CAN通信芯片选用MAX3051，与前辈的设计相同。板上还预留了串口通信、OLED接口。

  电流采样选用INA240A1电流感应放大器。在供电、底盘和超级电容模块的正极上各串接了一个10mΩ的检流电阻。检流电阻将电流值转化为电压值，传入电流感应放大器，再输出采样电压送入MCU引脚。

  电压采样部分选用OPA2350UA轨到轨精密运算放大器，用于采集输入电压和超级电容模块电压。运放连接方式为比例放大电路，用20K和2K电阻将输入电压缩小10.5倍后传入MCU。此外，单电源运放对于电路设计比较友好。双电源的运放需要单独设计负电压电源。虽然也没复杂到哪去。

  一级电源选用MP2451开关电源芯片，将供电电压降至12V，为功率板的板桥驱动器供电。二级电源选用AMS1117-3V3线V，为板上其他芯片供电。3.3V电源被分割为A3V3和D3V3，其间用10μH电感连接。A3V3输出后进入REF2933电压基准芯片，为检流芯片和MCU提供稳定的3.3V基准电压。我对基准电压芯片的实际作用持保留态度，在软件调试阶段进一步观察。

  二极管后直接接通输出接口，为底盘供电。换言之，控制器在与机器人连接后，为电源管理到电机提供一条功率回路，取消在未加装超级电容时电源管理与功率回路之间的导线。这样才可以保证电压电流采样时，得到的是整车功率。但这样的电路连接方式埋下了一个隐患，即全部底盘功率都经过PCB。功率回路的温度和耐压需要特殊的设计。

  理想二极管选用LM5050MK芯片，防止超级电容电流倒灌进电源。在凌BUG的开源文件中，前辈提到这个理想二极管会将电源电压抬升至28V。但是LM5050MK芯片控制MOS的开闭，导致输出电压本质上是无法超过输入电压的。理论上，若MOS从始至终保持开启，即OFF引脚接地，其电压最大值与输入电压相同。此外，在初步硬件测试时，我发现供电经过理想二极管后，其电压从23V降为20V，与理论设计和凌BUG遇到的情况均不符。因此这部分电路要进一步硬件测试。

  排针连接。当超级电容充电时，电流由电源管理输入，经过焊接端子进入功率板，经DCDC电路稳压后，从焊接端子进入控制板，再输出至超级电容模块。当超级电容放电时，电源和电容并联作为电源。电流由超级电容模块进入控制板，经焊接端子进入功率板，经DCDC电路升压后，从焊接端子进入控制板，再输出至底盘。贴片双排针用于从控制板向半桥驱动器提供12V供电和PWM信号。

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