文章目录

▌01 无线节能信标
- 1.设计背景
- 2.测试电路板
- - （1）电路板
  - （2）原理图
- 3.电路修改建议
- - （1）修改U8的C19电容容量
  - （2）将晶体的频率修改为8MHz
  - （3）修改PCB中功率底线与控制电线接地点
  - （4）确定功率输出LCC中的Lp绕制方案
  - （5）在功率半桥滤波电容C16增加100uF高频电容
  - （6）将电路板上的电解电容更换成表贴高频电容
  - （7）对于发光盘上的霍尔电路进行修改
  - （8）修改光盘霍尔电源线
  - （9）修改U1的连接
  - - a) 修改HALL输入信号
    - b)修改KEY1信号
    - c)修改KEY2信号
- （10）修改TPS2855输出电阻
▌02 电路板初步调试
- 1.调试前准备
- - （1）焊下功率MOS管
  - （2）焊接单片机调试端口
  - （3）制作临时电源（+24V）接口
- 2.调试板级电源
- - （1）初次加电
▌03 调试无线发送电路
- 1.下载U6单片机程序[^66381]
- 2.PWM输出
- - （1）测量PWM输出频率
  - （2）修改PWM频率
▌04 LCC补偿网络
- 1.计算LCC参数
- 2.LCC网络制作
- - （1）Lp:4.56uH
  - （2）Cpp:246.9nF
  - （3）Cps:46.1nF
▌05 安装半桥MOS管
- 1.增加散热片
- 2.焊接半桥MOS管
- 3.连接发射线圈
- 4.修改接收线圈补偿电容
- - （1）计算串联补偿电容
  - （2）制作Cs
▌06 功能测试
- 1.接收与发射功率
- 2.控制功能
▌附件
- 1.测量电源电压与电流程序

▌01 无线节能信标

1.设计背景

在 第十六届全国大学生智能车竞赛 竞速组比赛中，有一组节能信标组。它使用带有无线充电线圈的信号源，能够为比赛的车模提供：

100W无线充电
无线导航
红色、红外灯光导航；
它同时通过上面的霍尔传感器检测车模是否经过信标。

在之前进行过 100kHz无线充电 、 200kHz无线充电 以及 无线感应定位 测试。根据 《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定》公开征求意见 给出的 无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定 对于无线充电设备，特别是移动、便携式无线充电设备所使用的频率和额定功率给出了要求：

^{▲ 移动充电设备技术要求}

在后面调试过程中，对于无线充电规格以及相应的LCC补偿电路将会按照150kHz进行配置，这样可以兼顾标准，同时提高无线传送效率。

^{▲ 灯罩尺寸}

2.测试电路板

下面是有龙邱公司寄送过来的第一版无线节能信标组的测试电路板。包括两套。每套包括主控板以及圆形灯光检测板。

（1）电路板

^{▲ 测试无线充电信标主板和发光盘}

^{▲ 主控板3D原图}

（2）原理图

^{▲ 接口通讯原理图}

^{▲ 无线发送电路原理图}

这个版本中的无线发送回路的电路是根据 节能信标灯设计第一版本：预备实验 设计的。不过在第一版本中，程序还没有完善，比如缺少：

输出功率限制功能；
与主控通信的功能；
检测霍尔信号的功能；

3.电路修改建议

根据后面的调试过程，提示对于电路中的修改意见。

（1）修改U8的C19电容容量

将U8的PIN6管脚对应的补偿电容C19的容量修改为 102（1000pf）。

^{▲ 将C19的容量修改为102（1000pf)}

（2）将晶体的频率修改为8MHz

将U6的晶体的晶振频率修改为8MHz。X

（3）修改PCB中功率底线与控制电线接地点

请参照 节能无线信标Ver0：功率测试 中 2.3.2节关于驱动信号故障原因查找与修改建议，对于PCB图中的PGND与GND之间的连接点进行修改。

（4）确定功率输出LCC中的Lp绕制方案

最终确定使用T94-2国产软磁磁环绕制使用100股Litz先绕制23圈，形成4.7uH左右的电感作为Lp电感。

^{▲ Lp电感绕制情况}

（5）在功率半桥滤波电容C16增加100uF高频电容

根据 无线信标功能调试 中测量电流检测波形，看到对应的波形波动较大。这需要在原来的C16电容（原来是电解电容），改变为表贴的电容。

^{▲ 在半桥滤波电解电容上增加一个高频滤波电容}

^{▲ 实验电路中在C16旁边增加了一个车100uF的表贴电容}

（6）将电路板上的电解电容更换成表贴高频电容

实际测试过程中，电路板上的电解电容发烫严重。这是由于功率电流中存在高频波动电流。对电解电容损耗增加。需要将这两个电容都更换成大容量电容，或者并联大容量的高频电容。

^{▲ 电路板上的电解电容发烫}

（7）对于发光盘上的霍尔电路进行修改

根据HX6384的内部功能说明，它的输出是推挽输出，所以它不适合将它们的输出直接线与在一起。为此，需要：

更换输出为OC电路的霍尔器件；
或者使用二极管来讲所有的输出线与一起。

^{▲ HX6383 霍尔内部功能图}

注：经过测试，发现HX6383是可以进行线与在一起的！！具体原因还不可得而知。

（8）修改光盘霍尔电源线

由于发光盘需要放置在发送线圈之内，为了避免发送线圈对于HALL信号的影响，需要避免霍尔引线形成回路。需要从输出沿着一边绕着相同的方向展开。

通过调试发现原来的布线由于形成了回路，HALL的输出受到发送线圈的影响。需要按照下面进行修改。

^{▲ 将布线进行重新布局}

这实际上需要将HALL的底线与电源线需要平行展开，而不能够形成回路。

^{▲ 修改连接拓扑，左：之前连接；右：修改后连接}

（9）修改U1的连接

为了能够使得原来的程序继续兼容，做如下的引线修改：

a) 修改HALL输入信号

将原来的HALL输出做如下修改：

断开原来与U1：AD0的连接
增加滤波电容；
将其连接到U6:KEY2（GPIOA-3）管脚
去除KEY1，KEY2按键。

^{▲ 将HALL信号引入U6：PA3}

b)修改KEY1信号

将KEY1信号连接U1的AD0信号。

c)修改KEY2信号

连接霍尔输入信号。

（10）修改TPS2855输出电阻

在（2021-06-06）LQ 反馈对于TPS2855容易被烧的情况，建议将TPS2855 的输出电阻增大到33R-51R。

TPS28255烧的问题，发现是两个电阻有点儿小，适当加大到33R–51R就比较理想了.基本上28225不发热，也不会烧了

▌02 电路板初步调试

1.调试前准备

（1）焊下功率MOS管

为了避免发射功率电路损坏，在调试之前，现将高频功率跟AOT256（T2,T3）先取下来。

^{▲ 焊下T3,T2}

^{▲ 拆焊下来的AOT254L高频功率MOS管}

（2）焊接单片机调试端口

U6:STM32F030F4 SWD ：80mil, 6pins
U6:VNTRB端口: 100mil,4pins
U1：RDCVG端口:100mil，4pins

^{▲ 单片机调试端口}

（3）制作临时电源（+24V）接口

使用排针插座制作临时工作电源（+24V）接头，将调试电路板与可调直流电源相连。

^{▲ 临时电源接口}

2.调试板级电源

通过前面的临时电源接口，将可调直流电源接入调试电路板。在开始调试时，电源电压从+9V开始施加。

调试电源设置：

电压：+12V
电流限制：500mA

^{▲ 调试滞留可编程电源}

（1）初次加电

初次加电之后，电源电流大约1.4mA。测了U8的输出（U3：AMS1117-3.3V的输入，PIN3）电压大约为0.987V。电源电压工作不正常！！。

电路板上的+8V电源是由 TPS4360 降压开关芯片提供的。

^{▲ TPS3260及其周围采样电阻}

使用测量万用表触碰C6（20pf）的靠近芯片一侧的节点，电源工作正常。此时输出电压为9V，+12V电源供电电流大约是35mA。但是重新加电启动，电源还是不工作。仍然需要使用万用表触碰C19才行。

将C19焊接下来，使用SmartTweezer测量，容量为20pF。

^{▲ U8 旁边的C9电容}

测量U8:PIN3(EN)管脚的电压：4.3V左右。这个U8芯片的是能管脚内部被上拉电阻置为高电位。

考虑到使用万用表触碰C19一端，从物理作用上相当于在C19增加了万用表的一些杂散电容。根据 TPS4360数据手册 中给定的PIN5控制补充电路的参数，将C19的容值从原来的20pf增加到102（1000pf）。更换后问题解决了。

这种改动通过第二套电路板进行重新验证，证明是有效的！

板级电源电压：

U8输出电压（U3输入）：8.08V
U3的输出电压：3.27V
供电电压：12V

在两套测试电路板上的U1已经有程序了，在电源正常之后，它开始工作。

^{▲ 供电正常之后，原来电路板的U1已经开始工作的}

侧面测试了U8的输出与供电电压之间的关系，可以看出，当输入电压超过5V之后，U8的输出电压就随着输入线性增加，到达8V之后就始终维持8V的电压。

^{▲ U8的输出与供电电压之间的关系}

下图显示了不同电源电压下的工作电流。可以看到随着输入电压的增加，工作电流减小，显示了U8作为开关电源能够保持较高的转换效率。也就是在输出功率不变的情况下，维持输入功率不变。

^{▲ 电源的工作电流是输出电压之间的关系}

▌03 调试无线发送电路

1.下载U6单片机程序¹

^{在节能信标灯设计第一版本：预备实验进行的电路的初步实验。使用STM32BOOTLOADER将程序通过端口VNTRB下载到电路板上的U6.}

^{在下载程序时，出现无法擦除程序的错误！}

^{^{▲ 下载程序错误}}

考虑到是否单片机本身在之前可能会被锁死，将其拆焊下来更新一个新的单片机重新测试。

^{▲ 将U6拆下}

重新更换了U6：STM32F030F4之后，可以正常下载程序了。

^{▲ 使用STM32BOOTLOADER下载程序}

下载之后，对话框内的显示不正常。表明UART的波特率错误。其中的原因是板上的晶体为16MHz。需要将其更新为8MHz。

^{▲ U6的晶体}

将原来的16MHz更换成8MHz晶体。单片机输出正常了。

^{▲ 更换后的晶体} ^{``▲ 更换晶体的频率：8MHz``}

2.PWM输出

（1）测量PWM输出频率

测量U6的PIN12(PA6)输出WPWM。

^{▲ 测量单片机的PWM输出}

原来的版本中，PWM的输出频率为200kHz。

^{▲ 输出PWM信号}

（2）修改PWM频率

将PWM频率修改为150kHz。单片机的OSC频率为48MHz。通过下面公式计算TImer的ARR：

ARR=48×106150×103=320ARR = {{48 \times 10^6 } \over {150 \times 10^3 }} = 320ARR=150×10348×106=320

在control.c的ControlInit()调用SetPWMARR（）：

SetPWMARR(320);                         // Set PWM frequency 150kHz

经过测量，输出的频率为150MHz。

▌04 LCC补偿网络

1.计算LCC参数

根据 无线功率发送器与接收实验：设定为200kHz 中计算LCC参数过程，编制LCC的计算程序。其中关于电路的基本工作参数在程序前面设定。

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# LCCCAL.PY                    -- by Dr. ZhuoQing 2021-03-03
#
# Note:
#============================================================from head import *#------------------------------------------------------------
Rload = 10                          # Receive load: ohm
RLB = Rload*8/pi**2
f0 = 150e3                          # Work frequency:HzM12 = 9.5e-6                        # H
L0 = 29e-6                          # H
P0 = 50                             # Output Power:W#------------------------------------------------------------
Rref = (2*pi*f0*M12)**2/RLB         # Reflect resistionprintf("Reflect Load :%f"%Rref)Ubus = 24                           # V
U1 = Ubus*sqrt(2)/piEffi = 0.8                          # Efficient
Pref = P0/EffiI0 = sqrt(Pref/Rref)printf("I0:%f"%I0)#------------------------------------------------------------
Xp = U1/I0
Lp = Xp/(2*pi*f0)
Cpp = 1/(2*pi*f0*Xp)
Cps = 1/(2*pi*f0*(2*pi*f0*L0-Xp))printf('Xp=%5.3f uH'%(Xp*1e6))
printf('Lp=%5.3f uH'%(Lp*1e6))
printf('Cpp=%5.3f nF'%(Cpp*1e9))
printf('Cps=%5.3f nF'%(Cps*1e9))#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : LCCCAL.PY
#============================================================

在150kHz的工作情况下，LCC的参数为：

参数	数值	单位
T型LCC网络左侧电感：Lp	4.560	uH
T型LCC网络下侧电容：Cpp	246.9	nF
T型LCC网络右侧电容：Cps	46.1	nF

上述计算，可以参照下面由参加智能车竞赛的学生自行开发的 LCC 计算器小程序 :

^{▲ LCC计算小程序}

2.LCC网络制作

（1）Lp:4.56uH

采用 无线功率发送器与接收实验：设定为200kHz 相同的自制电感。

（2）Cpp:246.9nF

配置：47×5+5.6×2=246.2nF。
实测：242.8nF

^{▲ 焊接Cpp,Cps的情况}

（3）Cps:46.1nF

直接使用一个47nF电容。

▌05 安装半桥MOS管

1.增加散热片

^{▲ 给AOT256L增加散热片}

2.焊接半桥MOS管

^{▲ 给AOT254L增加散热片}

^{▲ 焊接之后的电路板}

3.连接发射线圈

将 多股Litz线制作无线耦合线圈 连接到电路板上。加上12V工作电压。

工作基本情况：

工作电压：12V
工作电流：77mA

^{▲ 将发送线圈连接在电路板上}

^{▲ 测量线圈上的电压信号}

4.修改接收线圈补偿电容

（1）计算串联补偿电容

工作参数：

接收线圈的电感：L0=29uH
工作频率：f0=150kHz

串联补偿电容：Css=1(2πf0)2⋅L0=1(2π⋅150×103)2⋅29×10−6=38.82nFC_{ss} = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \cdot 150 \times 10^3 } \right)^2 \cdot 29 \times 10^{ - 6} }} = 38.82\,nFCss=(2πf0)2⋅L01=(2π⋅150×103)2⋅29×10−61=38.82nF

（2）制作Cs

使用5.6nF yu 22nF 制作Css ，具体如下图所示：

^{▲ 接收电路的补偿电容}

实际测量结果： 39.7nF。

▌06 功能测试

1.接收与发射功率

关于无线发送与接收的功率测试详见博文： 节能无线信标Ver0：功率测试 。关于功率限制测试与修改参见： 无线信标功能调试-2021-3-9-输出功率恒定限制

2.控制功能

对于控制功能的测试参见： 无线信标功能调试-2021-3-9-HALL检测与主控接口 。无线信标的功能如下：

当信标在接收中控器命令点亮之后，它同时发送无线充电型号；此时无线充电信号与红外、红色光同时为导航信号；
当车模进入光盘上，触发HALL之后，信标停止发光。同时触发中控器点亮下一个信标。这个功能与传统的信标灯功能相同。
只要霍尔检测到车模磁铁，无线电能发送始终进行。当车模离开信标，无线发送停止。

下图显示了信标开始被命令点亮，同时发送无线电能信号。手持磁铁触发霍尔时，信标停止。只要霍尔被磁铁触发，无线电能发送始终进行。

^{▲ 基本功能测试}

▌附件

■ 相关文献链接:

第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
100W无线电耦合功率测试实验
无线功率发送器与接收实验：设定为200kHz
节能信标无线感应定位测试：200kHz
《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定》公开征求意见
无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定
节能信标灯设计第一版本：预备实验
TPS54360 输入60V，输出3.5A降压开关电压
TPS4360数据手册
多股Litz线制作无线耦合线圈测试
节能无线信标Ver0：功率测试
无线信标功能调试-2021-3-9-输出功率恒定限制
无线信标功能调试-2021-3-9-HALL检测与主控接口

1.测量电源电压与电流程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-03-03
#
# Note:
#============================================================from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *setv = linspace(0, 24, 100)idim = []
v33dim = []for v in setv:dh1766volt(v)time.sleep(1)meter=meterval()v33dim.append(meter[1])idim.append(dh1766curr())printff(v, meter)tspsave('measure', setv=setv, idim=idim, v33dim=v33dim)dh1766volt(12)
plt.plot(setv, v33dim)
plt.xlabel("Input Voltage(V)")
plt.ylabel("3.3V(V)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

节能灯MCU程序:STM32\Application\SmartCar\2021\Beacon\F303AOD254\ ↩︎

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