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自带18W开关电源和低成本485通讯接口的控制板
Zengg
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发表于Tue Oct 03 16:46:15 CST 2017   |  只看该作者 1# 电梯直达

前言:别太在意这块控制板应用于什么领域,反正就是某个系列的首款设计,有兴趣的朋友可以联系我。我把案例放这里只是想混个嘉立创第三方(也许能给公司带来新的客户),但又不想透露公司的核心利益。对我来说这种原型设计最为理想,因为我个人认为,威胁并非来自抄袭者,而是来自故步自封的自己。功能部分属特殊应用,就略过不谈啦,只谈两部分,电源和通讯。


1、样品实拍图

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2首先,控制板需要一个供电电源,设计参数见下图蓝色部分:

 


2.1设计说明:

    因为是7年前的设计,客户对SMPS抱有强烈的质疑,无论是故障率还是成本都不能有丝毫的差错,所以采用了当年小家电上常见的集成芯片VIPER22A方案(F6敲定),ST的这款AD-DC芯片的MOS和控制部分是一体设计的(全世界大概就3家公司有此等功力),非仿制品可比。频率定了功率定了在当年三层绝缘线尚未流行的前提下磁芯基本上是选无可选(C25/F25敲定),这种功率等级反激式设计是不二之选,相关行业对5V精度要求颇高,所以使用光耦加431的反馈方案。由于Krp=1时电流超出VIPER22A的规格,所以采用非连续工作模式,为方便调整参数,直接把公式做到EXCEL表里面。上表是最终定案,实际上次级1匝数(C22)选6时磁通密度(C26)、气隙(L26)更为理想,次级2的电压也更接近12V,只是初次级的圈数都不太适合在EF25的骨架上绕制罢了。另外理论上初级电感量(I16)应该选更大的值,2.4mH是实测而来的,反正实际效率比估算值(C12)要高。当然,如何绕制高频变压器也是非常讲究的,原始设计初级绕三层漏感要求低于72uH,结果正常生产了一年后厂家品质人员流失严重,漏感放宽到100uH仍然超标,就改成三文治式结构了,以绝后患,具体参见下图变压器的电气原理图和机械结构图。由于相关电源方案过于经典,后来被陆续使用在多款产品上,年产1000K以上,多年来除了帮变压器厂擦过屁股以外,没遇到其他设计方面的问题(物料不良车间失误什么的就隐而不谈啦)。正常我还需要提供SMPS的一堆测试参数(比如电压调整率)、波形图(动态响应)、温升等等,限于篇幅此处略过,但请放心,没几个行业会比这款设计所在的行业要求更高,也没几个人会像我这样把电源芯片榨取得这么彻底。又比如纹波电压什么,控制在1%内并非难事,选好低阻抗输出电容加电感甚至微调增益电阻皆可,对有经验的工程师来说只是tradeoff的问题。当然7805之类的方案本身对纹波、噪声有抑制,PCB设计差一些也无妨,但与其要求电源输出干净,还不如把外行PCB工程师换掉来得省事。

 


2.2、电源原理图

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注意,此原理图隐藏了我司特有的EMI、静电、浪涌处理电路,下文会公布Layout,有兴趣的可自行探究。另外,我这个设计虽然次级输出电流与原始设计不一样,但使用相关方案也是可以的。高频变压器次级绕组采用叠加式的设计方式原意是为了确保次级23输出电压在量产时的稳定性和一致性,反射电压(F9)定在90V同样有这方面的考虑,刚好这种设计方式有利于不同的应用通过简单的元件调整、连线方案改变以实现不同的输出功率。实际上原理图上的任何一个元件都是有理论依据并经受了量产考验的,但一一细说就太累赘了。至于为什么选择开关电源来细谈,是因为电源是最不怕抄袭的,比如我敲定漏极峰值电流和偏置绕组圈数时,就把过流过压保护也配置好了,而且我是系统级的设计,每块功能电路的功耗大小、取电时序都是有讲究的,当你的应用不一样时,抄袭我的方案,哪怕不出问题,也肯定存在欠考虑的地方。就我所知,很多竞争对手自己不具备开关电源的设计能力,又不得不上SMPS时,往往直接找芯片厂家要方案,而方案商又往往不知道你实际应用的具体情况,所以倾向选用更大的变压器以及采用分立MOS方案,这样设计供电是没问题,但成本、保护、尺寸就别指望上了。


3、再者,控制板需要一个低成本的长距离通讯接口。RS-485在工业应用领域是非常常见的通讯方案,跟串口通讯有点类似,但通讯距离可以上1公里以上,通讯线上可挂上百台分控,不过大多采用电源、信号双隔离方案,成本有点高,占用的PCB空间也有点大。本设计根据实际情况,分控都装在同一个大房间内,不太担心雷电浪涌什么的,故采用低成本设计方案,具体见下图。

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注意,因为所在行业比较变态,控制器本身就可以产生非常强大的干扰,所以485使用三线,比正常多一根GND线,但此线无需双绞。实际上485虽然是差分传输,但AB线实际上都需要有参考电位,有些应用利用上屏蔽层,有些应用干脆不理会共模干扰,而本应用哪怕是低成本方案,也有自己独特的一套抗干扰方案。P10不用理会,因为不知道那个分控才是末端,所以多留了个接口,需把末段连线插上去。所用芯片和保护元件在立创上有卖,可自行查找规格书,分控的485接口不像主控,本身就非常简单,我不觉得有什么好说的地方,这里着重突出成本控制和抗干扰考虑。


4.Layout。绿色为顶层,蓝色为底层(非镜像)。

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Layout规则有很多,其实就两块,信号完整性和可制造性。简答来说,抗干扰要注意回路、突变、寄生这3条,起手必须按电路功能进行区域划分,合理的布局可以减少许多无谓的过孔,确保底层铺铜的连续。可制造性有很多细节需要处理,比如焊盘包边防止焊盘受热脱离。偶尔Layout还可以辅助散热。

该帖子已被Zengg于Tue Oct 03 16:51:42 CST 2017编辑过
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ChessWorld
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发表于Tue Oct 03 20:10:19 CST 2017   |  只看该作者 2#

好作品!

多个细节的地方,值得电源设计人员探索、学习。

SKDY
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发表于Sun Nov 19 09:20:04 CST 2017   |  只看该作者 3#
兄弟,看到你有一个贴只有开方案公司的想法,不知道现在怎么样。我也在顺德容桂大福基这里,我一些案子外发。或者技术入股都可以。我联系方式18688236009杨。
FOCUS电路...
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发表于Fri Dec 01 10:15:17 CST 2017   |  只看该作者 4#
威胁并非来自抄袭者,而是来自故步自封的自己;;;;;;经典
十年硬件
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发表于Fri Dec 01 11:49:47 CST 2017   |  只看该作者 5#
这个电源的设计确实不错。变压器的参数给的也详细。。485部分确实有自己的想法在里面。除了指示灯部分略微繁琐之外。真的不错。一看就是从实践中得来的设。赞!
Zengg
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发表于Wed Dec 20 13:49:07 CST 2017   |  只看该作者 6#
SKDY 发表于 Sun Nov 19 09:20:04 CST 2017  3# 兄弟,看到你有一个贴只有开方案公司的想法,不知道现在怎么样。...
杨先生,您好,我邮箱yinghuazeng@126.com,简单的沟通可以通过邮件进行。坦诚地说,我所在的行业受惠于国家煤改气政策红利的影响,公司自6月开启疯狂生产模式(还有好多单不敢接流失掉了),最近才缓过来,所以极少登陆这个私人账号。另外需要说明的是,因为今年花费了大量的时间精力确保生产线的高效顺畅,所以有好几个研发尚未完成,短时间内无法抽身(我不去研究就没人去研究啦),并且如果是高端燃气具控制器相关的案子,我这边就不接啦,今年已经婉拒了两位老板,帮助目前的公司成为业界第一不难,没必要分心。
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