序
任何一个家电,必须得有一个低压供电电源。
要获得一个低压供电,通常的做法是接一个开关电源。
但是,外置的电源徒增成本。而且显得很不专业。最好的办法就是在 PCB 上集成一个供电电源。
想起来前年我刚刚入门硬件设计。做了一个 低压变频器。 到去年年初的时候,开始尝试制作 220V 市电版的变频器。事情见 这片文章。
那时候,我是不懂 ACDC 变换的。因此电路板上低压供电,是由电源模块实现的。
比如当时的照片
可以看到 画面中有2个 电源模块的位置。
没错,还得用俩电源模块。分别供应高压侧的栅极驱动,和低压侧的单片机。
而且还分别是 220V转 12V 和 220V 转5V 。虽然两个模块并不贵。三块多一个。但是,加起来也有七块钱了。
而且还让我的设计不紧凑,使用了外挂电源模块。显得很不高级。
后来,我改进了设计。因为我绘制低压的时候,经常就使用 32V转5V的 DCDC 电路。
因此,我使用了 DK501 这款能直接从 DC310V 经过 Buck变换降压到 12V 的芯片。
还是熟悉的 Buck 电路。
但是, Buck 降压是非隔离的。为了给单片机供一个隔离的电,我还是使用了一个 12V转5V的隔离电源模块。
这样让板子的外挂电源从2个变成了1个。。。。
FlyBuck 方案
我发现,要设计好电路,一定要先学会电源。没有电源任何事情都办不成。 于是我开始在看 B站上长江大学的唐老师的视频。唐老师是长江大学的老师,专门教电源电路的。他出了几百期视频,大部分就是在讲解 Buck/Boost/SEPIC 这类 DCDC 电路。
看了几百期视频,我才了解到,有一种廉价的隔离电源的方案,叫 FlyBuck 。 就是把 buck 电路的电感换成2个绕组的共模电感。
这样在共模电感的另一个线圈,就能直接获得一个同样电压的隔离供电。
于是,这就是我后来改进的方案了。后来这个方案被用在了 ACBuck 电路里。
ACBuck 使用 DK501 从 整流后的 310V 直流电直接 BUCK 降压到 12V, 但是,使用的 flybuck, 偷偷的把电感换成了共模电感。于是在主回路获得非隔离的 12V, 在另一个绕组获得隔离的 12V。 然后 12V 经过降压获得 3.3v 给单片机使用。
进入反激的世界
正当我觉得 高压 Buck直降 + FlyBuck 能同时获得一个隔离电源的方案满足了我的需求后。我固步自封了。因为其他的方案难度都太大了。既然简单的方案能满足,我就懒得学习复杂的电源拓扑了。
直到数月前。一个华强北人士找到了我。说要我帮他设计一个变频器。
我以为他是看到我的 10元变频器 方案动心了呢。结果他要我做一个 三相380V输入,三相380V输出的变频器。
不过都答应给他做一个了,于是我花了几天功夫给他设计了一份。核心电路(单片机+逆变桥)几个小时就绘制完毕了。
但是,供电部分我犯愁了。
因为我熟悉的 高压 buck 直降,并不能用在 380V 输入的场合。
类似 DK501 这样的 高压输入 Buck 降压芯片,也不过是耐压到 400V 直流电。 而 380V 交流,整流后的电压是 540V, 还得考虑电源的电压波动,需要留有余量,最低也得支持到 700V 输入的 buck 芯片。
然而,市面上并不存在如此高压的 buck 降压芯片。
因此,我只能使用反激电源。
好在,几百期唐老师的视频不是白看的。我马上到德州仪器的网站找设计案例。唐老师特别推崇德州仪器的网站,说这个网站是大宝库。
果不其然,我抄到了反激电源的设计。
于是,我抄了一份 德州仪器的设计,然后给华强北老板交差了。
这也是我第一次使用反激电源,结果很奇迹的,一次成功。只有个别需要飞线修正的,更新到原理图后,就可以直接量产了。不需要来回修正打样。。。。
老板手下员工惊呼,居然只需打样一次!
呵呵,没办法,我以前设计的时候是各种花冤枉钱,打样一堆失败品才能最终获得一个能用的。 最后痛定思痛,改掉了程序员的陋习。尽量让设计可以一次打样,下次就可量产。
为什么说是程序员的陋习呢?因为程序员打样一个新版本,只要 Ctrl+S, 然后按 F7 编译。
失败了也不要紧,改了可以马上重新编译。于是程序员养成了随时编译(换到硬件领域就是随时随地打样一个错误的不能工作的电路)的陋习。
这次使用反激电源的经历,使得我对“开关电源”的理解更透彻了。
反思了以前的设计,突然发现,其实 FlyBuck 并不比反激便宜。
史上最低价的 ACDC 芯片
为啥呢?因为反激的控制器芯片非常的便宜。 得益于开关电源的大量使用。反激控制器芯片大概也许是这个星球上,产量最大,型号最多,价钱最低的芯片类型了。
DCDC 降压和升压芯片,分别只能降压或者升压,还都比反激芯片贵。而反激即能降压,也能升压。
Buck 降压只是从原理上来说简单,但是实际产品因为竞争没那么充分,没那么卷。所以 buck 芯片的价格还不够低。
反激芯片,则卷出天际了。于是内部逻辑更复杂,需要更多晶体管实现的反激芯片,卖到了比 buck 更低的地步。
GP8891CAS 就是这个卷出天际的市场里被我发现的一个胜利者。
哪怕是以高价著称的立创商场,他的售价也不足2毛钱。
于是,我将原先为宁波老板设计的一个廉价变频器,改进为使用反激电源供电。 原始的设计,是使用非隔离供电来降低成本。单片机直接使用 DK501 降压出来的5V非隔离电源。
而使用了反激电源的设计,在只略微增加一元钱成本的情况下,就用上了隔离的设计。其实增加的一元成本,主要是因为需要使用一个2元的隔离器。没错,电源本身,还降低了1元的成本!
是的,使用了最低价的 ACDC 反激芯片后,反激变换器隔离供电的成本,低于高压Buck降压的非隔离方案。
为啥呢?因为高压 Buck 降压,使用的 DK501 芯片要6毛钱。芯片贵4毛。同时,高压 Buck 降压方案,需要使用 2mH/1A 的电感。这样的电感就要一元多了。
而反激方案,芯片只要1毛6,同时,EE10 变压器也只要5毛钱。
踩坑
我满心欢喜的完成了设计,然后打样。结果上电就炸芯片。炸的就是 GP8891CAS 。
还好我测试的时候,那个板子只焊接了供电部分的元件。不会顺带报销掉单片机 集成功率模块 等其他高价值元件。
如果我从淘宝买的 GP8891CAS,我大概 会怀疑自己买到假芯片了 (这其实也是淘宝假芯片多的谣言由来)。
但是因为 GP8891CAS 恰恰淘宝上无货,我从立创商城买的。所以肯定是自己用错了,而不是假货的缘故。
但是,仔细翻阅手册,发现就是照着手册的 “典型应用电路” 做的。
到底哪出问题了呢?
寻找 GP8891CAS 的抄袭对象
所以,问题就在于,抄袭芯片的手册通常是不能看的。 得看 原版被抄袭对象的手册。
结果不搜不知,好家伙, GP8891CAS 已经不知道是几手抄袭了。 原来 GP8891CAS 是替代品的替代品的替代品。难怪价格卷出天际了。
于是找到了他的替代对象,MT2513B。研读了它的手册。其实 MT2513B 的直接替代品是 3667B 。GP8891CAS 应该是替代3667B 的。
然而 MT2513B 本身也是另一个芯片的替代品。。。。
最后在各种 “相似芯片” 的海洋里,扒到了真正的源头,CR52177SC。
为啥能确认这个是真正的源头呢? 因为芯片原厂给了 “设计案例”。。而不单单是一个数据手册。
正如 UC3842 在 德州仪器的官网能找到 设计案例 一样。
然而,这个 CR52177SC 的设计案例,却不免费提供。免费提供的,只有这个设计案例的 “照片展示”。 原理图得联系经理,不能官网直接看。
照片如下:
这就不大方了,不如 德州仪器啊。你不给,1毛6的替代品照样造出来抢你市场。
不过,综合了好几款同功能的相互替代的芯片的数据手册后,我终于找到了炸芯片的根源。
然后飞线修正之。
最后跑起来了。
演示视频看 这里
成品效果图:
总结
使用 反激控制器后,只要增加一个绕组,就能多获得一个隔离电源。因此,如果需要多路不同的电压供电,反激就特别适合。以几乎免费的方式获得隔离电源。
相比去年我用2个独立的 220v转5v 的电源模块,板子上直接集成一个反激电源的方案,不仅仅大幅缩小了体积,也大幅降低了成本。
经此次成功的反激电源设计经历,以后我可以是认为自己总算入门了硬件电路设计。
然后,要多相信芯片的 原理框图,然后根据这个理解来设计外围电路,而不是抄 “典型应用电路图”。
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