▌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。
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
▌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：
A R R = 48 × 1 0 6 150 × 1 0 3 = 320 ARR = { {48 \times 10^6 } \over {150 \times 10^3 }} = 320 ARR=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:Hz
M12 = 9.5e-6 # H
L0 = 29e-6 # H
P0 = 50 # Output Power:W
#------------------------------------------------------------
Rref = (2*pi*f0*M12)**2/RLB # Reflect resistion
printf("Reflect Load :%f"%Rref)
Ubus = 24 # V
U1 = Ubus*sqrt(2)/pi
Effi = 0.8 # Efficient
Pref = P0/Effi
I0 = 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 |
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： C s s = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ⋅ L 0 = 1 ( 2 π ⋅ 150 × 1 0 3 ) 2 ⋅ 29 × 1 0 − 6 = 38.82 n F C_{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\,nF Css=(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 。
▌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
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\ ↩︎
