内容介绍

FastBond2阶段2

-基于onsemi，TI，Espressif Systems元器件的实验电源

Ⅰ、项目介绍+设计思路

本次参加的是FastBond第二季是硬禾学堂联合DigiKey为期三个月的“How2Make”设计大赛。选择了新能源及供电电源设计方向，推荐厂商：Infineon，onsemi，TI，Espressif Systems。

设计目的是做一个验证芯片、模块和核心板卡的实验电源。电源用ESP32做控制部分，还会有一些人机交互设备。电源直流12V输入，输出范围应包含常用的芯片供电，并提供电源拉偏的实施性。

Ⅱ、设计方向的市场介绍

市场方向是提供研发和生产所需的实验电源。

Ⅲ、产品的功能描述+规定厂商元器件介绍

功能：输出精确可控的终端电压，可作为芯片供电或电源轨容差测试器材。

规定厂商元器件：TL431(来自Texas Instruments)、TLC5615IDR(来自Texas Instruments)、MC7805ABTG(来自onsemi)、OPA548F(来自Texas Instruments)、ESP32-S3-WROOM-1-N16R8（来自Espressif Systems）。

由于经历了多次改版优化，以下仅仅列出最终版本中的主要物料。

TL431(来自Texas Instruments)

TL431和TL432器件是三端可调分流调节器，在适用的汽车，商业和军用温度范围内具有指定的热稳定性。输出电压可以设置为Vref(约2.5 V)和36v之间的任何值，有两个外部电阻。这些器件的典型输出阻抗为0.2 Ω。有源输出电路提供非常锐利的导通特性，使这些器件在许多应用中成为齐纳二极管的优秀替代品，例如板上调节，可调电源和开关电源。TL432器件具有与TL431器件完全相同的功能和电气规格，但DBV, DBZ和PK封装具有不同的引脚。TL431和TL432器件都有三个等级，B级、A级和标准级的初始公差(25°C)分别为0.5%、1%和2%。此外，低输出随温度的漂移确保了在整个温度范围内的良好稳定性。TL43xxC器件的工作范围为0°C至70°C, tl43xxxi器件的工作范围为-40°C至85°C, TL43xxQ器件的工作范围为-40°C至125°C。

TLC5615IDR(来自Texas Instruments)

TLC5615是一个10位电压输出数模转换器(DAC)，具有缓冲参考输入(高阻抗)。DAC的输出电压范围是参考电压的两倍，并且DAC是单调的。该设备使用简单，从5V的单电源运行。电源上电复位功能，以确保可重复启动条件。TLC5615的数字控制通过三线串行总线，该总线与CMOS兼容，易于与工业标准微处理器和微控制器设备接口。该设备接收一个16位数据字来产生模拟输出。数字输入具有高抗噪性的施密特触发器。数字通信协议包括SPITM、QSPITM和Microwire TM标准。8终端小轮廓D封装允许在空间关键应用中模拟功能的数字控制。TLC5615C的特点是工作温度从0℃到+70℃。TLC56151的特点是工作温度从-40°C到+85°C。

MC7805ABTG(来自onsemi)

MC7800系列单片3端正压稳压器采用Nisshinbo微器件平面外延工艺制造。这些调节器采用内部限流，热关闭和安全区域补偿，使它们基本上坚不可摧。如果提供足够的散热，它们可以提供超过1A的输出电流。它们在广泛的应用中用作固定电压调节器，包括用于消除与单点调节相关的分布问题的本地(卡上)调节。除了用作固定电压调节器外，这些器件还可以与外部元件一起使用，以获得可调的输出电压和电流。

OPA548F(来自Texas Instruments)

OPA548器件是一种低成本、高电压、大电流的运算放大器，设计用于驱动各种负载。激光修整的单片集成电路提供了出色的低电平信号精度和高输出电压和电流。为了设计的灵活性，OPA548可以单电源或双电源工作。在单电源运行中，输入共模范围延伸到地下。OPA548具有内部保护，防止过温和电流过载。此外，OPA548设计用于提供精确的、用户选择的电流限制。与其他使用功率电阻串联输出电流路径的设计不同，OPA548间接感知负载。电流限制可以通过外部电阻和电位器从0 A到5 A进行调节，或者通过电压输出或电流输出DAC进行数字控制。E/S (Enable/Status)引脚提供两种功能。引脚上的输入不仅禁用输出级以有效地断开负载，而且还减少静态电流以节省功率。可以监控E/S引脚输出，以确定OPA548是否处于热关断状态。OPA548器件采用行业标准的7引脚交错和直引脚TO-220封装，以及7引脚DDPAK表面贴装塑料电源封装。铜标签可以很容易地安装到散热器或电路板，具有优异的散热性能。该设备指定在扩展的工业温度范围内操作，-40°C至85°C。SPICE宏模型可用于设计分析。

ESP32-S3-WROOM-1-N16R8（来自Espressif Systems）

ESP32-S3- room -1和ESP32-S3- room - 1u是围绕ESP32-S3系列soc构建的两个功能强大的通用Wi-Fi +蓝牙LE MCU模块。除了丰富的外设之外，SoC提供的神经网络计算和信号处理工作负载的加速使这些模块成为与AI和人工智能(AIoT)相关的各种应用场景的理想选择，例如唤醒词检测，语音命令识别，人脸检测和识别，智能家居，智能家电，智能控制面板，智能扬声器等。esp32 - s3 - room -1带有PCB天线。esp32 - s3 - room - 1u自带外置天线连接器。如表1和表2所示，客户可以选择广泛的模块变体。在模块变体中，嵌入ESP32-S3R8的工作环境温度为-40 ~ 65℃，esp32 - s3 - room -1- h4和esp32 - s3 - room - 1u - h4的工作环境温度为-40 ~ 105℃，其他模块变体的工作环境温度为-40 ~ 85℃。请注意，对于R8系列模块(嵌入8线PSRAM)，如果启用PSRAM ECC功能，最高环境温度可以提高到85°C，而PSRAM的可用尺寸将减少1/16。

Ⅳ、硬件设计简介

第一版——0号试验型

这一版总的来说是成功的，U1的LT3080可以输出限流，U2的LT3080控制输出电压。输出电压稳定，调节精度也不错，只可惜是手动调节的。

电路图如下：

实物照片如下：

第二版——I号原型

按照预想，这一版稍加修改就应该是最终版了，没想到啊，年轻人就是Too young too simple sometimes naive！由于惯性思维，很多事情都被认为理所当然。最终败给了MAX5400电阻值的绝对精度上，看规格书上的典型应用里有电源相关的应用，便没有细看就用了。在给LT3080的应用中调压电阻是单电阻调压，非常依赖可调电阻的绝对精度，而MAX5400应用在电源芯片电路中应该是一个分压电阻的角色，它的相对精度非常高，绝对电阻值非常一般。大坑如下，高度近视眼看不到。

电路图如下：

实物照片如下：

第三版——I号改进型

改进型是在I号上寻找替代MAX5400方案而做出的尝试。企图用一个可调的电阻网络代替数字电位器。有精密电位器+MOS，精密电位器+模拟开关两种思路，最终为了省钱（鲁迅先生曾经说过：钱，不是万能滴，没有钱是万万不能滴！）选择了精密电位器+MOS。但最终失败了，原因是LT3080的SET PIN（调压引脚）：这个引脚是误差放大器的输入和器件的调节设定点。一个10µA的固定电流通过一个外部电阻从该引脚流出，该电阻对设备的输出电压进行编程。输出电压范围为0到绝对最大额定输出电压。通过在SET引脚和地之间增加一个小电容，可以改善暂态性能。它只有10µA，太小了，由于线路漏电和元器件一致性问题，导致MOS管BS170上的压降不统一，估计单体稳定性也不会好（没有专门测试）。而后又搜索其他解决方法，发现可以数控的绝对精高的可调电阻有可特点：expensive。于是决定大改版，大方向由调电阻改为调电压，ADC的价格还是比较亲民的，详见第四版。

电路图如下：

实物照片如下：

第三版——II号正式型

由于没有I号时的naive，II号开始免费打了个样。原理图KICAD版本见附件。这一版采用TL431作为ADC：TLC5615的基准源，然后ESP32通过SPI来控制TLC5615的输出电压。然后两路TLC5615输出的电压来控制OPA548的输出电压和限流。

Ⅱ号有两个OPA548，一个输出固定的Vout_N,另一个输出可调的Vout_P，这样的目的是可以精确输出０V附近的电压值。目前已经校准的可用输出范围是-1.24~6.25V，OPA548非rail to rail放大器，所以这里将接近V+和V-的输出屏蔽掉了。电压调节步进小于10mV（更换高分辨率ADC或减小输出量程可提高此精度），有个固定的零点偏差2~3mV（更换高分辨率ADC或精调Vout_N可减小零点误差），线性度比较好（由于电压调节的精度比较粗糙，线性度没有改善必要）。测试详情见视频。

面板部分包括显示屏、数码管和按键。

电路图如下：

实物照片如下：

Ⅴ、软件设计简介

软件设计思路：

整体运行包括连个模式：Analysis_Mode和Normal_Mode。Analysis_Mode用于可调电源的标定调试。Normal_Mode是正常使用，其中包含两个状态State=1和State=0，State=1是running，State=0是Power off。

按键功能有电压增加、电压X10增加、电压减小、电压X10减小、运行、停止。

显示屏显示有：模式和状态，电压设定值，电压输出值。

关键代码详解：

V_offset=255#voltage zero#determine after analysis
V_ratio=9.78#voltage linearity#determine after analysis

这两个是在Analysis_Mode下采集数据后，计算零点、线性度等，综合的出的最优解。电压输出值示数全量程与万用表对比相差2~3mV

    V0=V_set+V_offset
    I0=0
    V1=((V0&0x03FF)<<2)&0x0FFC
    I1=((I0&0x03FF)<<2)&0x0FFC 
    V1H=(V1>>8)&0xFF
    V1L=V1&0xFF
    I1H=(I1>>8)&0xFF
    I1L=I1&0xFF

V0是电压设定值加上偏移值的结果。

V1是按照ADC输入格式进行的格式调整。

I0是输出限流调节，0为5A。

#         #io15 #io5
#     #io6          #io7
#         #io16 #io4
    if (io6.value()==0):
        time.sleep_ms(100)
        if (io6.value()==0):
            state = 1
            print("state：run")
            if (io6.value()==0):
                time.sleep_ms(200)
                if (io6.value()==0):
                    time.sleep_ms(200)
                    if (io6.value()==0):
                        time.sleep_ms(200)
                        if (io6.value()==0):
                            time.sleep_ms(200)
                            if (io6.value()==0):
                                time.sleep_ms(200)
                                if (io6.value()==0):
                                    time.sleep_ms(200)
                                    if (io6.value()==0):
                                        time.sleep_ms(200)
                                        if (io6.value()==0):
                                            time.sleep_ms(200)
                                            if (io6.value()==0):
                                                time.sleep_ms(200)
                                                if (io6.value()==0):
                                                    Analysis_Mode = 1
                                                    print("Analysis_Mode ON")

Io6对应的按钮短按为run功能，长按进入Analysis_Mode。

    if (io7.value()==0):
        time.sleep_ms(100)
        if (io7.value()==0):
            state = 0
            Analysis_Mode = 0
            print("Analysis_Mode OFF")
            print("state：stop")

Io7对应的按钮短按为power off功能，也可推出Analysis_Mode。

Ⅵ、Scheme-it工具介绍

Scheme-it 是一个非常有用的原理图和制图工具，可供使用 Web 浏览器创建和传送技术图。该工具包括全套绘图符号，可供用于构建电路原理图以及流程图和方框图。集成的物料清单管理器增强了原理图创建功能。通过将 DigiKey 的目录与该工具集成后，即可非常轻松地搜索产品，并将产品零件编号、符号和产品图片直接插入到您的设计中。

Ⅶ、测试

最终版实物图

待机功耗与效率

Vout在3.3V的Rise time和Fall time

Vout在3.3V的Vpp

Ⅷ、对本此活动的心得体会

这个作品虽然历经多次改版但还是有很大改进空间，软件上还有比较多的功能需要完善，比如增加电流调节功能，这部分硬件硬件设计完善，人机交互有待设计一个控制方法。硬件方面还需要增加散热相关装置，还有就是数码管表头不足以显示电源的实际电压，精度和零偏都不行。吸取教训，看规格书要细致，未用过器件要先做芯片验证板测试验证再进行使用。

Ⅸ、致谢

尊敬的eetree团队，我想借这个机会向eetree团队表达我最诚挚的感谢。感谢您提供了这次宝贵的机会，让我能够参加这次活动。这次活动不仅让我有机会与电子设计的专业人士们交流和学习，更让我结识了一群志同道合的朋友。首先，我要感谢您和eetree团队的辛勤努力和精心策划。您们为这次活动的安排提供了一切必要的支持和资源，使我们能够全神贯注地参与。活动的议程安排得非常合理，让我们能够学习到最新的技术知识和行业趋势。同时，我要特别感谢那些和我一起参加活动的朋友们。与你们共同度过的这段时间，给我留下了深刻的印象。我们之间的交流和互动让我受益匪浅。我很荣幸能与你们一起分享我们的想法、经验和知识。通过参加这次活动，我不仅加深了对电子设计领域的理解，还学习到了许多实用的技巧和方法。与专业人士的交流让我得以进一步拓宽我的视野，并为我未来的发展提供了很多有价值的参考。最重要的是，我从这次活动中深刻体会到了团队合作和互助的重要性。大家相互帮助、鼓励和支持，这让我感受到了团队的力量和凝聚力。我将把这份团队精神带回我的日常工作与我一同参加活动的朋友们。我相信这次活动将在我的职业生涯中留下美好的回忆，并对我的个人成长产生积极的影响。衷心感谢！