【嵌入式实践】【芝麻】【硬件篇-1】从0到1给电动车添加指纹锁：电源电路调研及原理讲解-编程知识

【嵌入式实践】【芝麻】【硬件篇-1】从0到1给电动车添加指纹锁：电源电路调研及原理讲解

0. 前言

该项目是基于stm32F103和指纹模块做了一个通过指纹锁控制电动车的小工具。支持添加指纹、删除指纹，电动车进入P档等待时计时，计时超过5min则自动锁车，计时过程中按刹车可中断P档状态，同时中断锁车计时。改项目我称之为“芝麻”，取自芝麻开门（明明是车，哪里来的“门”，因为插钥匙的地方被修车师傅称之为“电门锁”）。

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1. 目标

这篇文章的目标就是讲明白电源电路相关的原理：50+V转5V和5V转3.3V

2. 降压电路调研

2.1 50+V转5V

关于直流电压50V的降压电路，我主要参考了这篇文章（链接）。这篇文章提供了降压电路的模板，也指出了几款常用的降压芯片：LM2596、LM2575、LM2576、LM2591HV、LM2592HV。通过对这些型号的对比，我们选择了LM2596HV-5.0（这里是数据手册：连接）。从数据手册中我们能看到，LM2596HV不同型号能够提供固定的3.3V，5V，12V或可调节电压，支持的最大输入是60V，这完全满足我们的需求。

2.2 5V转3.3V

5V转3.3V的电源电路大家应该都比较熟悉，电路设计也比较简单，此文就不再赘述了。在电源电路里我们添加了一个LED灯，这样我们就能够更直观的判断降压电路是否符合预期。这里选用1K欧的电阻是因为，我们选用的LED小灯工作电流在3-10mA之间，串联电阻的作用就是为了限流。

为什么我们没有直接使用LM2596HV降压到3.3V，而是通过两级降压得到3.3V呢？因为控制电门锁线路的继电器的规格大多数是5V控制或者12V控制，而5V又可以作为USB供电电源，方便后面拓展充电接口。

3. 降压电路原理

3.1 封装及引脚介绍

为了能够方便快速散热，我们选用的是TO-220的封装，如下图最右侧。下图是LM2596的引脚定义。

各个引脚的详细描述如下图。1、2脚分别为输入和输出引脚。Pin-3为接地引脚，Pin-4为反馈引脚，感测调整后的输出电压以完成反馈回路。Pin-5为开关引脚，允许使用逻辑信号关闭开关稳压器电路。将此引脚拉到约1.3 V的阈值电压以下会打开调整器，而将此引脚拉到1.3 V以上将关闭调整器。如果不需要此关机功能，则开/关引脚可以接线到接地引脚。

3.2 基于LM2596HV的DCDC降压电路原理介绍

数据手册中提供了固定输出电压和可调节电压的典型应用，如下图所示。芝麻使用的降压电路就是参考这个原理图。下文的讲解均以如下的原理图为依据展开。

1）D1：二极管叫做续流二极管，续流二极管的作用是在开关管的非导通期间为电感提供一个电流通路，以防止电感中储存的能量瞬间释放产生高压，损坏开关管。当开关管关闭时，电感中的电流不会立即消失，而是会通过续流二极管继续流动，逐渐减小。这有助于减小开关过程中的电压尖峰和电磁干扰。此外D1选型时需注意你使用电路的电压值，比如芝麻需需要选择的反向电压要求超过50V。

2）L1：68uH电感：电感在开关电源的输出端扮演着滤波和储能的角色。滤波，电感能够阻止高频噪声通过，从而起到滤波作用。它有助于减小输出电压中的纹波，使输出更为平滑。储能，电感能够存储电能。在开关管导通期间，电感会储存能量；在开关管关闭期间，电感会释放能量，以维持电流的连续性。这种储能和释能的过程有助于稳定输出电压，提高电源的效率和响应速度。

由于LM2596内部开关频率较低，对于12V输入，电感最好选择33uH或者47uH，若输入为20V以上，电感量最好用100uH以上的（具体的电感值可以通过公式计算，感兴趣的话可以自行查找相关资料）。

3）C1和C2：0.1uF电容：这个较小容量的电容在电源输入端通常用于去耦或旁路高频噪声。它能够提供一个低阻抗路径，使高频噪声能够直接旁路到地线，从而防止这些噪声进入开关电源的输入端，影响电路的正常工作。在输出端的小电容也是相同的作用，用于去耦和旁路高频噪声。由于开关电源的开关动作，输出端也可能产生高频噪声。这个电容能够将这些噪声旁路到地线，确保输出电压的稳定性和纯净性。

4）Cin：100uF电容：这个电容在电源输入端主要起滤波作用。它能够吸收和存储来自电源的高频噪声和纹波，从而减小这些干扰对LM2596HV元器件的影响。通过平滑输入电压，这个电容有助于确保开关电源的稳定工作。

5）Cout：1000uF电容：这个较大容量的电容在输出端主要起滤波和储能作用。它能够平滑输出电压，减小纹波，使输出电压更为稳定。同时，它还能够存储能量，以应对负载电流的瞬时变化，提高电源的瞬态响应能力。