雙向DCDC超級電容控制器硬件設計

2 雙向DCDC超級電容控制器硬件設計

2.1 整體設計

首先要感謝大連理工大學凌BUG戰隊和西交利物浦大學GMaster戰隊的開源文件，沒有前輩的慷慨分享就沒有我的設計。

超級電容是一種儲能大，充放電速度快、電流大的電容器，被廣泛應用于需要在極短時間內釋放超大功率的工程。機甲大師賽為步兵和英雄機器人設定了功率限制。機器人在需要快速移動時，超級電容即作為電源向機器人提供較大的功率。

在往屆比賽中，對于超級電容和底盤的連接方式，各所高校校隊給出了不同的方案：

（1）電源-DCDC-電容-DCDC-底盤

此方案可以保證輸出電壓恒定，不會燒掉電調或低壓保護。但是也有以下顯著缺陷：電路損耗不可忽視，總效率為兩級效率乘積，并且電容電壓越低電流也會越大效率會更低；成本較高，需要兩個DCDC電路。

（2）電源-DCDC-（電容//底盤）

此方案最為常見，淘寶的霧列模塊和大部分的隊伍以及前輩的方案都與之類似。這樣的電路雖然簡單，但是存在電容死電，無法避免。

（3）（電源//底盤）?DCDC?電容

這是凌BUG最終采納的方案。雙向DCDC電路由四個NMOS和一個電感組成。由于電路結構完全對稱，可以由PWM信號控制電流雙向流動。

如下圖所示，底盤系統的總輸入為電源管理。電源管理、超級電容、底盤電機三者并聯。超級電容的主控板上設計了一條從電源管理到底盤的通路。

當超級電容處于充電狀態時，電源管理通過電容主控上的通路向超級電容模組供電，同時通過電容主控上通向底盤的通路向底盤電調和電機供電。此時電源管理為電源，底盤和超級電容模組為用電器。

當超級電容處于放電狀態時，電源管理和超級電容同時作為電源，向底盤放電。為了避免雙電源工作產生電流倒灌，在電容控制板上設計了OR-ing防倒灌電路。

控制器中既有大功率回路，也有控制和采樣單元。為了方便設計和調試，控制器普遍被分為兩個部分——控制部分和信號部分。以往的比賽中，凌BUG等戰隊使用過單板分區的設計。近年來各大高校采用的方案基本為控制板和功率板雙板設計。我不確定哪種設計更好。但是雙板設計更便于調試，可維修性也更佳。

2.2 控制板

凌BUG和GMaster已經將他們的設計開源在機甲大師論壇，所以我沒有任何保密設計的理由，現將原理圖展示如下。

如圖所示，控制板被分為三部分：數字、模擬和功率。數字部分為MCU及其周圍電路，如晶振、開關、指示燈等，以及CAN通信芯片和各類物理接口。模擬部分主要為采樣電路和整板供電。功率部分即為功率路徑上通過的器件。為盡量減少三部分的干擾，我將地層分為了三部分，其間用0Ω電阻連接在一起，構成整板地回路。

2.2.1 控制板數字部分

MCU選用STM32F334C8T6，其具備的HRTIM模塊用于滿足高精度PWM控制的需求。CAN通信芯片選用MAX3051，與前輩的設計相同。板上還預留了串口通信、OLED接口。

2.2.2 控制板模擬部分

模擬部分由電流采樣、電壓采樣和電源組成。

電流采樣選用INA240A1電流感應放大器。在供電、底盤和超級電容模塊的正極上各串接了一個10mΩ的檢流電阻。檢流電阻將電流值轉化為電壓值，傳入電流感應放大器，再輸出采樣電壓送入MCU引腳。

電壓采樣部分選用OPA2350UA軌到軌精密運算放大器，用于采集輸入電壓和超級電容模塊電壓。運放連接方式為比例放大電路，用20K和2K電阻將輸入電壓縮小10.5倍后傳入MCU。此外，單電源運放對于電路設計比較友好。雙電源的運放需要單獨設計負電壓電源。雖然也沒復雜到哪去。

一級電源選用MP2451開關電源芯片，將供電電壓降至12V，為功率板的板橋驅動器供電。二級電源選用AMS1117-3V3線性穩壓器將12V電壓進一步降至3.3V，為板上其他芯片供電。3.3V電源被分割為A3V3和D3V3，其間用10μH電感連接。A3V3輸出后進入REF2933電壓基準芯片，為檢流芯片和MCU提供穩定的3.3V基準電壓。我對基準電壓芯片的實際作用持保留態度，在軟件調試階段進一步觀察。

2.2.3 控制板功率部分

功率部分即為功率回路。輸入電壓經過采樣電路和理想二極管后直接接通輸出接口，為底盤供電。換言之，控制器在與機器人連接后，為電源管理到電機提供一條功率回路，取消在未加裝超級電容時電源管理與功率回路之間的導線。這樣才能保證電壓電流采樣時，得到的是整車功率。但這樣的電路連接方式埋下了一個隱患，即全部底盤功率都經過PCB。功率回路的溫度和耐壓需要特殊的設計。

理想二極管選用LM5050MK芯片，防止超級電容電流倒灌進電源。在凌BUG的開源文件中，前輩提到這個理想二極管會將電源電壓抬升至28V。但是LM5050MK芯片控制MOS的開閉，導致輸出電壓本質上是無法超過輸入電壓的。理論上，若MOS始終保持開啟，即OFF引腳接地，其電壓最大值與輸入電壓相同。此外，在初步硬件測試時，我發現供電經過理想二極管后，其電壓從23V降為20V，與理論設計和凌BUG遇到的情況均不符。因此這部分電路需要進一步硬件測試。

2.3 功率板

功率板集成了雙向DCDC電路和驅動。原理圖如圖所示。

控制板和功率板間用四個焊接端子和兩個貼片雙排針連接。當超級電容充電時，電流由電源管理輸入，經過焊接端子進入功率板，經DCDC電路穩壓后，從焊接端子進入控制板，再輸出至超級電容模塊。當超級電容放電時，電源和電容并聯作為電源。電流由超級電容模塊進入控制板，經焊接端子進入功率板，經DCDC電路升壓后，從焊接端子進入控制板，再輸出至底盤。貼片雙排針用于從控制板向半橋驅動器提供12V供電和PWM信號。

日后我會單獨出一篇推送，詳細計算硬件參數。

3 雙向DCDC超級電容控制器電路布局

3.1 控制板

控制板為四層板，方便走線。具體布局如圖所示。

從上到下四層的走線分別為采樣電路、較長的信號線、電源線、供電線。

功率地回路在四層板上均有分布，形狀大致相同，環繞PCB分布。模擬地在下層，與功率地無重合部分。數字地和模擬地均采用單點接地方式。上述設計旨在降低功率回路對其他部分的干擾。

超級電容控制器一旦與外界連接，則地回路的長度不可控制，各噪聲會沿著地回路對采樣電路造成嚴重干擾。因此，最為嚴格的做法是將超級電容控制器的電源和地與外部功率回路隔離。至于現有的設計是否會造成過于嚴重的采樣數據誤差，需要在后期軟件調試時進一步確定。

3.1 控制板

功率板上的DCDC電路在實際工作中發熱量非常大，因此凌BUG采用了鋁基板。我沿用了此設計。具體布局如圖所示。

PCB布局中心對稱，功率回路短而粗。通過大電路的位置均有開窗處理。

4 雜項

11月中旬設計基本完成。我采用了凌BUG的PCB布局框架，根據實際情況換用F334MCU并重新設計了一部分電路。

設計完成后，我用校隊的鐵板燒制作了一套完整的超級電容控制板和五片功率板。

控制板仍存在設計問題，需要進一步硬件調試。排除各種問題后才能批量生產。硬件調試首先需要調試供電部分。如果供電部分出現問題，輕則無法啟動系統，重則燒壞沿路所有芯片。在調試供電部分時需要將供電部分和用電芯片斷開，單獨接負載測量電壓。另外需要注意的是，開關電源芯片在空載時不降壓，原理在此不做說明。

這是劉師傅的第一篇推送。在接下來的日子里，我會陸續發布自己的電子設計、項目進度和各種硬件電路知識。如果你也和我一樣對硬件設計感興趣，歡迎關注電子之心公眾號。感謝大家的支持！