（設計、製作由電子設計與創新實驗室完成）
三峽大學第三屆大學生電子設計競賽要求設計、製作電磁感應智慧型電動車。根據比賽技術要求，參賽選手設計的智慧型車能夠檢測到道路中心線下電線中20khz交表電流產生的磁場來導引小車沿著道路行駛。在平時除錯和比賽過程中需要能夠滿足比賽技術要求的20khz 的交流電源驅動賽道中心線下的線圈。
本文給出了電源設計參考方案，參賽選手可以到實驗室來使用有交變電流引導線的賽道進行訓練、除錯和比賽。
一、 電源技術指標要求：
20khz 電源技術要求如下：
1、賽道中心線下鋪設0.1-0.3mm 直徑的漆包線；
2、 頻率範圍：20k±2k；
3、 電流範圍：50-150ma；
我們按照普通的練習賽道總長度50，使用直徑為0.2mm 漆包線。在30 攝氏
度下，銅線的電阻率大約為 0.0185 歐姆平方公釐/公尺。計算可以得到中心線的電
阻大約為29.4 歐姆。
按照導線電感量計算公式：
其中l, d 的單位均為cm。可以計算出直徑為0.2mm，長度50 公尺的銅線電感量為131 微亨。對應20khz 下，感抗約為16.5 歐姆。
可以看出，線圈的電感量小於其電阻值。由於導線的電感量與鋪設的形狀有
關係，上述計算所得到的電感量不是準確數值。另外，我們可以在輸出時串接電
容來抵消電感的感抗。所以估算電源電壓輸出範圍的時候，我們不再特別考慮線
圈的電感對於電流的影響。
為了方便設計，我們設計電源輸出電壓波形為對稱方波。由於線圈電感的影
響，線圈中的電流為上公升、下降沿緩變的方波波形。如下圖1所示
圖1 線圈驅動電壓與電流示意圖
對於電阻為29.4 歐姆的賽道導線，流過100ma 的電流，電壓峰值應該大於
3v。考慮到賽道長度有可能進一步增加、漆包線的直徑減少等原因，設計電源
輸出電壓的峰值為6v。 在輸出電流為150ma 的時候，電源輸出功率大約為
0.9w。
二、 電源組成
電源電路包括振盪電路、功率輸出電路、恆流控制電路以及電源等組成。
如下圖2所示：
圖2 電源組成框圖
如上各部分功能可以採用不同的電路實現。下面分別給出各個電流的參考設
計方案。
1、 振盪電路：
產生中心頻率為20khz 的對稱方波訊號。為了滿足功率輸出電路的需要，一般輸出極性相反的訊號。可以使用普通的555 時基電路產生振盪訊號，也可以使用簡易的微控制器產生振盪訊號。
為了方便除錯，訊號頻率能夠在一定範圍內進行調整。由555時基電路組成的振盪電路如圖3所示。由mega8 微控制器組成的訊號發生電路如圖4所示.
圖3 由555 時基電路組成的振盪電路
圖4 由mega8 微控制器組成的訊號發生電路
如圖4所示使用微控制器mega8產生20khz的訊號。可使用微控制器中定時器、pwm 模組或者中斷來實現。同時還可以外部連線顯示介面顯示當前的輸出頻率、輸出
電流的大小。
2、 功率輸出電路：
由於輸出驅動訊號電壓、電流、頻率較大，需要一定輸出功率驅動跑道
線圈，因此最後需要功率輸出電路。可以採用分立大功率電晶體搭建輸出電
路，也可以使用的電機驅動橋電路整合模組。選擇時需要注意電路的頻率響
應應該大於20khz，輸出功率大於2w。在製作時需要注意電路的散熱。
圖5 基於分立元器件的功率輸出電路
圖6 由l298 組成的功率輸出電路
圖7 基於vmos/ir2153 功率輸出電路。
在上面電路中，ir2153 一方面內部整合了類似於555 的時基振盪電路以及
vmos 管驅動電路。
3、 恆流控制：
恆流電路控制輸出電流在100ma 左右穩定，不隨著電源的變化而發生波
動。根據比賽規則的要求，恆流輸出控制不需要特別的精確。
一般要求不高的情況下可以使用限流電阻控制電流的穩定。如下圖所示：
圖8 輸出限流電阻
圖9 利用npn 電晶體的恆流輸出電流
也可以利用電晶體的在放大區集電極的恆流特性進行控制。如下圖所示：
圖10 利用pnp 電晶體的恆流輸出電流
電晶體可使用大功率雙極性電晶體，也可以使用功率mos 管。從電流設定
穩定性和恆流特性來看，使用功率雙極性電晶體更好。
4、 電源：
電源部分提供電路中所需要的各種低壓穩壓電源。保證訊號振盪電路和
恆流控制電路的穩定性。可以使用一般串聯穩壓積體電路實現。
三、 參考設計電路：
如下給出了兩個完整的參考設計電路圖。電路設計可以有很多的組合方式，
大家可以根據自己的理解和經驗自行設計。
圖11 基於ir2153 的設計
圖12 基於555 的設計
四、 除錯：
電源設計完製作完畢後需要進行如下的除錯：
1、輸出電流除錯：
電源安裝完畢後可以外接10-100 歐姆的負載進行調整輸出電流。可以直
接使用示波器測量阻性負載的外加電壓的峰峰值，再除以電阻的阻值，便可
以得到輸出電流的數值。也可以在電路的功率輸出橋下外接乙個直流毫安表
來顯示輸出電流的大小。
調節恆流設定電位器，使得輸出電流在100ma 左右。外部負載電阻在
10 和100 歐姆的時候，都應該在50-150ma 之內。
2、輸出頻率除錯：
可使用的示波器或者具有頻率測量的萬用表測量輸出電壓的頻率。外接
10 歐姆的負載進行測量負載上電壓的頻率。調節頻率設定電位器使得電源頻率輸出在20±2khz。
除錯完畢後，使得電源在負載10 歐姆之下連續工作1 個小時，電源輸出的電流、頻率都不會漂移出要求的範圍。
注意事項：
1、功率管散熱：
在外部負載比較小的時候，電路中功率輸出電晶體、恆流控制電晶體上的功
耗比較大。特別是在整個電路的電源電壓較高（比如+12v）的時候，需要對
於功耗比較大的電晶體進行合理的散熱，以提高電源的工作熱穩定性。
2、電源：
根據賽道線圈的阻抗，選擇電源電壓值。如果外部線圈阻抗較低，可以
選擇5-7.2v 的工作電壓。如果道路線圈阻抗較大，超過了100 歐姆，使用+12v
的直流電源。可以使用直流穩壓電源，也可以使用蓄電池進行供電。
3、串接諧振電容：
當賽道比較長的時候，賽道線圈的電感較大，可以在賽道線圈連線中通過串聯電容抵消
賽道線圈的感抗。具體電容的大小可以根據實際測量賽道的電感進行匹配。
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