Преобразователь и фильтрация питания бортового компьютера робота

Постановка задачи.

Иногда при создании мехатронных систем появляется нужда использовать большие вычислительные мощности, нарпимер для . В последнее время в моду вошли компактные решиня на базе nano-ATX или micro-ATX. Существует множество плат, с различными параметрами и характеристиками - одна из которых напряжение питания и мощность.

Здесь иногда возникают проблемы - некоторым платам требуется 12 вольт +- 5%, что можно найти не в каждой системе(в мобильных мехатронных системах вопрос "откуда взять нужное напряжение" очень актуален). Типичная мобильная мехатронная система как правило обладает собственным напряжением в 12в, но частенько это напряжение берется напрямую с батарейки(части батарейки) и может гулять в пределах от 14 до 9, причем это считается нормально. Многие мехатронные системы, на которых ставят материнские платы типа micro-atx обладают более высоким напряжением питания на борту, как раз для такой системы здесь и предложен вариант решания проблемы питания платы.
Рассмотрим худший вариант: пускай мы имеем что-нибуль на подобии SI852A от http://www.lex.com.tw (клевая цацка - оперативки до гигобайта и больше, пентиум мобаил (!!) 1.6ГГц, встроенный грабер на 4 канала реального времени, грузится с флешки и т.п. -всем хороша, но привереда по питанию )

Потребление такой красавицы где-то 10-30-60 ват. (обычный режим, понавтыкали всего в юсб и т.п, то же и еще грузимся(самый пик)) т.е. где-то 1.5, 2-3, 4.5А (номинальным будем считать 2А, хотя у меня конкретно эта ест около 1.2)
Самое веселое, что когда устанавливал такое чудо на своего роботенка не удалось добиться от милых производителей, насколько критичны вот эти самые +-5% по напряжению питания.. производители дали блок питания от 220 вольт в комплекте, сказали что если я буду юзать не его то потеряю гарантию и усе..(диллеры ихние тупят немного - плата с тайвани ехала 3 месяца - боюсь подумать сколько займет туда и обратно :-) - за это время у нормального человека нужда в гарании отпадет,по этому смело выкладываю эту статью и рассказ "что я делал с их платой" в инет :-))
220 вольт на нашем мобильном роботе ественно не было, хотя некоторые преобразуют напряжение через 220 (например купленный 24-220, затем обычный AT 220-12) громоздко, не эффективно и как-то не красиво..
Возвращаясь к любимой плате - некоторые эксперименты показали, что 12 в минус сторону ей критично - особенно при пуске.. 12 в плюс проверять не стал - т.к. она дорогая, да реально это и не нужно.

Делаем преобразователь напряжения

Здесь может возникнуть уместный вопрос - а почему именно делаем, а не покупаем - ответ прост - они дороги - аналог того, что здесь описано стоит около 100$, дальше -больше

Итак - мы хотим сделать понижающий DC-DC преобразователь напряжения, с 60..19 вольт (почему 19 будет понятно позже) на 12..3.3 (все это задается)
Предложенная мною схема DC-DC преобразователся напряжения состоит из двух частей: импульсной и линейной.

В большинстве систем можно обойтись какой-либо одной из этих частей: либо ключевой-импульсной, либо тепловой-линейной. В моей системе применение обоих типов обосновано тем, что по слухам, у ключевого стабилизатора существует некая вероятность не закрытия ключа в какой-то момент времени, после чего на выход будет подано входное напряжение.. Может все это и ерунда, но т.к. платка моя дорогая, а главное ее надо заказывать с тайвани и едет она оттуда очень долго, то решил не рисковать. К тому же качество стабилизации у такой системы будет выше.

Описание схемы DC-DC преобразователя напряжения

В принципе схема создана только на основе фирменных мануалов по обоим микросхемам. Ничего нового я здесь не придумал. Формулы для расчета задающих напряжения резисторов указаны там же.
И все же несколько слов про работу:
В первой части в LM2576 c большой частотой открывается ключик, заряжающий через индуктивность, емкость С2. Напряжение заряда регулируется по обратной связи.
В моем случае напряжение на C2 составляет 15 вольт - что б в последствии линейный стабилизатор мог сделать из них 12.
Далее линейный стабилизатор - рассеивает в тепло все лишнее(количество рассеиваемого зависит от ампер нагрузки), в итоге на выходе получаем требуемое напряжение.

Характеристики DC-DC преобразователя напряжения

(было выпушено два варианта - так что характеристики выверены дважды)

Входное напряжение:	19-50в
Выходное напряжение:	12в+-5%
Максимальный ток:	3а
Выходное напряжение без нагрузки:	12.2в
Выходное напряжение с нагрузкой 1А:	12в
Выходное напряжение с нагрузкой 3А:	11.8в
КПД преобразователя (*)	60-70%
Стоимость создания	10-15уе

(*) по измерениям, рассчетный такой же

Далее пойдет небольшое описание функций, введенных непосредственно для нашей системы, они никаким образом не относятся к преобразователю, но выполненны на той же плате, для последующего удобства экусплуанации.

Коммутация с сетевым питанием

Мобильный робот для которого предназначен описанный преобразователь - работает довольно непродолжниетельное время, затем становится на зарядку и дальнейшее накручивание софта.
В процессе зарядки батареи снимаются, входное напряжение в 24 вольта пропадает, но очень хотелось, что бы система не перезагружалась при этом, а работала дальше без остановок. Проблему комутаций двух питаний решили установкой диодов на выход обоих питаний (источника, делающего 12в из розетки, и описанного DC-DC преобразователя.
Принцип коммутации

Диоды следует выбирать "с малым падением напряжения". Здесь использовались два диода в корпусе ТО220 с общим катодом(можно купить или найти в нерабочем блоге питания ATX). Называется sbl2040ct.

Фильтрация питания

Определение помех усилителей

В моей системе использовались усилители мощьности, работающие на популярной - мостовой схеме. В некоторых режимах усилители могли создавать помехи по питанию амплитудой с само питание - и частотой, зависящей от дискретизации ШИМов. В моев случае - длина помехи была где-то 250 нс. Коректно их наличие можно определить только быстрым компаратором и тригером-ловушкой. С оциллографом тоже можно попробывать, но если их там не будет видно, то это еще не означает, что их нет.
К тому же компаратор и тригер дешевы, и паять не много. Приблизительно такую схему я и набросал для определения наличия помех, их амплитуды и, в последствии, проверки созданного фильтра(т.е добавил еще и переменный делитель на вход компаратора, что бы засекать амплитуду).
Помехи действительно были, как и в "минус", так и в "плюс". Последнее тоже важно, т.к они будут сбивать с толку ключевой преобразователь, работающий на более низкой частоте.

Фильтрация помех по питанию

В качестве фильтра решено было попробывать использовать RC фильтр, состоящий из двух конденсаторов(электролита и керамики), соединненных паралельно, и резистора около 0.6 Ом.
При подключении такого простенького устройства - амплитуда помех в "плюс" стремится к нулю (менее полувольты), а в минус уже подбирается к паденю напряжения, из-за нагрузки двигателей. Иными словами помехи мостовых усилитетей отлично отфильтровываются простейшим RC фильтром.

Обратная связь по выходу питания и ограничение его потребления

Входное напряжение (27-19 вольт) подавалось в моем случае с тех же сдвоенных батареек от UPSа, которые питали движки мобильного робота - пик потребления такго движка в районе 5 ампер - в случае, если попадется разряженная или просто деффективная батарейка, то напряжение на ней может здорово просесть (с 12 до 5, а то и 3х вольт), а общее, которое должно быть не менее 19, падает до 15 а то и ниже. Данный преобразователь не умеет повышать напряжение, так что эта ситуация может привести к перезагрузке платы.
Просадка напряжения

Примерно так, как на графике выше, выглядит процесс просаживания питания на входе преобразователя напряжения(резкий старт или реверс обоих двигателей). Шкала по Х = время, каждые 10 единиц - около милисекунды. Ось У - напряжение - верх около 26 вольт, низ пропорционально.
Итак, на картинке видно, что с момента получения управления двигателями, и начала зажирания тока , проходит совсем мало времени - весь процесс просадки помещается в 5 милисекунд. Вообщем то сомнительно, что за это время можно успеть что-то засечь и что-то предпринять, потом постоянная времени двигателя может не позволить остановить процесс падения, если попросту дать отменить управление: немно он еще затянет.
Попытаемся растянуть во времени процесс падения напряжения - что бы наверняка можно было отследить его, и предотвратить (на будущее или текущий - это уже завистит от алгоритма)
Задачка решается довольно просто - путем наращивания емкости электролита в RC фильтре. Изначально было около 100uF, что было достаточно для фильтрации коротких помех, теперь же увеличим до 15000uF.
После включения такого большого конденсатора, картина меняется к лучшему - процесс более длителен - спад не такой резкий. Нижняя полка тоже немного поднялась:
Включили большой конденсатор

Итак, на новой картинке видно, что процесс падения теперь занял около 30мс - что уже неплохо. Если ввести обратную связь в АЦП через делитель, и смотреть управляющим контроллером - что происходит с питанием, то можно запросто предотвратить опасные падения.

Звуковая индикация просадки питания

Конденсатор в 15000 uF имеет довольно большие габариты, и не влез в уже готовый DC-DC преобразователь, посему решено было ему подкупить отдельный корпус.
Точно под размер корпусов не было, так что коробочка получилась на два пальца длиннее, чем конденсатор в ней. Это навело на мысли, а не впаять ли туда еще что-нить :-)
Итак, помимо резистора, здорового и малого конденсаторов, модуль RC фильта решено было укомплектовать звуковой индикацией просаки питания( что бы потом было легче отлаживать алгоритм, ограничения управления).
Схема RC фильтра

Здесь звук генерирует МК, он же через делитель ловит АЦП состояние питания. Сам же питается от стабилизированных +5.
Динамик - пищалка из матери старой - где-то 44 Ом.
Прошивка контроллера проста до неприличия, выглядит примерно так: прошивка МК(АЦП, пищалка).
Схема RC фильтра

Схема и рисунок платы преобразователя.

Схема выполнена в редакторе sPlan, плата нарисована в Sprint-layout. Редакторы отличаются простой и скоростью рисования простых плат с ручной разводкой

Рисунок платы DC-DC преобразователя напряжения

Внешний вид DC-DC преобразователя напряжения

Советы и дополнения

1. Данная схемка рассчитана под один из корпусов, продаваемых в чипидипе, с незначительными дополнениями (дырками под крепеж) она ложится в него идеально.
2. Все микросхемы надо повесить на радиатор - на самом деле это актуально только для LM350, но тем не менее.. Радиатор можно использовать общий, по типу применяемых в блоках питания ATX.
3. Если собираешься использовать корпус от чипидипа и радиатор, то микросхемы надо впаявать, с небольшим паралельным сдвигом к краю платы(достигается за счет ног), чтоб не пилить весь корпус из-за радиатора.(размеры радиатора чуть больше корпуса)
4. дорожки лучше облудить, или делать их шире на стадии печати.(я лудил)
5. интуетивно понятно, что этой же схемкой можно сделать и 5вольт и 3.3. - надо только пересчитать резисторы.(можно делать и "минус" - см мануал по 2576)
6. данная схема не запускается при подключенной ПОЛНОЙ нагрузке в момент подачи питания - если это надо то прийдется ее модифицировать(указано в мануале)
7. Существуют аналогичные компоненты для 5ти амперного варианта.
8. На схеме индуктивность 200мкГн обозначена как одна, физически же проще использовать две купленные 100мкГн, соединенные последовательно (200мкГн, расчитанные на 3а не продаются, а мотать самим было лень). Если все-таки мотать - то по расчетам нужно 150мкГн.

Надеюсь что данная схемка поможет тебе сделать нужный преобразователь и решить стоит ли вообще питать материнскую плату от тех же батареек, что и двигатели.
Будут вопросы пиши - mega16@mail.ru

Письменный Николай, 2006 г.

Другие мои схемки и решения:
Ультразвуковой дальномер
Система технического зрения мобильного робота