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▌01 无线信标核心板

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针对 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则 中的节能信标组的控制板，在前期做了测试：

• 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21
• 无线信标功能初步测试
• 无线节能信标调试说明-2021-3-3
• 无线信标功能调试-2021-3-9-HALL检测与主控接口
• 无线信标功能调试-2021-3-9-输出功率恒定限制

今天上午收到了龙邱公司发送的第四版的控制器以及相关的定型组件，它们包括有：

• 核心控制板
• 发送线圈
• 接收线圈
• 核心板上的功率T254MOS管（10支）

^{▲ 待测组件物品}

下面对于相关器件进行初步测试。

1.线圈参数

（1）发送线圈

使用手持SmartTweezer测量线圈的基本参数。

线圈的基本参数：

电感（uH）：30.58
电阻（Ω）：0.108
重量（g）：88.2
尺寸：内径：17.5cm；外径：20.8cm
匝数：9匝

注意：这个发送线圈的电感比起 之前第一版本测试所使用的发送线圈 的电感量（29uH）大了一些。

（2）接收线圈

线圈的基本参数：

电感（uH）：13.79
电阻（Ω）：0.068
重量（g）：47
尺寸：内径：7.1cm；外径10.9cm
匝数：10匝

^{▲ 测量线圈的重量}

2.线圈互感

（1）大线圈与小线圈互感

互感测量参数：

同相串联电感：Ls= 52.57 uH
反向串联电感：Lr= 35.94 uH
互感M= 4.16 uH
互感系数：k=0.203

（2）大线圈与大线圈

互感测量参数：

同相串联电感：Ls= 111.7 uH
反向串联电感：Lr= 10.15 uH
互感M= 25.39 uH
互感系数：k=0.83

（3）小线圈与小线圈

互感测量参数：

同相串联电感：Ls= 47.63 uH
反向串联电感：Lr= 4.605uH
互感M= 10.76uH
互感系数：k=0.78

^{▲ 测量两个小线圈之间的互感}

3.板上LCC参数

• 串联电感Ls： 4.236uH， Rs=0.053Ω
• 并联电容Cp： 246.9nF
• 串联电容Cs： 46.87nF

测量的时候，需要将Ls焊开，将发送线圈焊开进行测试，否则测量的参数不准。

^{▲ 电路板上的LCC补偿网络电感、电容}

根据 无线节能信标调试-2021-3-3 中的计算方法，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

对比一下，Ls对应的参数与理论值偏小了。

4.将MOS与电路板压紧

为了改善功率MOS管的散热条件，使用绝缘垫片将功率MOST254与电路板压紧在一起。借助与电路板本身对功率管提供一定的散热能力。

^{▲ 使用绝缘垫片将功率MOST254与电路板压紧在一起}

下图显示了将功率MOS管使用绝缘垫片与电路板压紧固定情况。

^{▲ 将功率MOS管使用绝缘垫片与电路板压紧固定情况}

5. 电路板器件

（1）电路板电解电容

电路板上的电解电容并没有使用固态电解电容。这部分需要通过后面电路板满功率输出时，测试电解电容的温升；

（2）U6芯片

电路中的F030F4芯片被替换成了XM1008F芯片了。这部分与 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21测试时所使用的型号相同。

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▌02 上电初步测试

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1.测试电路板电源

测量条件：

电源电压：12V
限流：1A

测量结果：

工作电流：38mA
+8V电源：7.98V
+3.3V电源：3.301V

上电后，两个MCU指示灯闪烁，说明寄送的测试电路中的MCU已经下载了正确的固件了。

^{▲ 上电后电路板两个MCU指示灯闪烁}

将输入工作电压调整到+24V，电路仍然正常工作，静态工作电流降低到18.9mA。

2.连接发光盘

将发光盘连入电路，测试对于电磁铁的是否能够感应。

（1）初次测试故障

使用磁铁感应发光盘HALL器件，MCU U6并没有进入发送状态，反而是工作LED指示灯停止震荡。此时发送线圈开始震荡。

不过这种情况，不知什么原因消失了，也就是电路可以正常工作了.

（2）测试LED与感应线圈

下面是原来无线节能组（630kHz频率）测试电感与对应的发光LED（三个LED）灯盘。其中的感应线圈与并联谐振电容分别为：

• 接收线圈：L=51.72uH
• 谐振电容：1nF

为了将其改造成对于150kHz频率谐振，需要将并联谐振电容修改为：Cp=21.77nF。

^{▲ 测试发光线圈与LED}

下面是使用改造后的测试接收线圈对于发送线圈发送电能进行检测的情况。

^{▲ 使用改造后的测试接收线圈对于发送线圈发送电能进行检测}

（3）简单测试功耗

在工作电压为+24V下，空载情况下，母线电流为：22mA。使用永磁铁触发光盘，此时母线电流为：75.9mA。

3.与总控制器相连

将控制器与核心板连接起来。控制盒的电源与核心板电源（+24V）分别提供。可以测试，控制盒可以正确检测到总线上的节能灯存在。

^{▲ 将控制器与核心板连接起来}

（1）存在的问题

1. 无法使用磁铁通过光盘将触发后的光盘停止振荡；
2. 虽然现在还没有功率舒适，但是LCC电感Ls有点温升；电解电容C16温升明显。

^{▲ 光盘在主控器控制下处于闪烁状态}

（2）查找问题

将控制器更换成原来的版本，发现出现同样的问题，也就是无法使用磁铁将点亮的光盘熄灭。可是这个软件是最后测试过得，为什么也会在原来的硬件出现的同样的问题？

（3）问题解释

在刚才测试过程中，由于只在控制器上挂载一个信标，因此，使用磁铁触发信标光盘的时候，控制器无法将其切换到另外的信标点亮。因此重新点亮该信标。所以从外部看来似乎无法使用磁铁将光盘熄灭。

在电路板输出端口另外挂载第二个信标灯，上述故障消失。

但是，在测试过程中，仍然出现了几次 在2.2.1中 初次测试故障 的问题：即U6在光盘被磁铁触发的时候工作指示LED停止闪烁。只有重启+24V电源，故障才消失。这说明在新版的电路板中，依然存在着某种不稳定的情况e.

^{▲ U6周围的LED，RK2,RK1}

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▌03 功率测试

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1.满功率输出

测量条件：

• 工作电压：+24V
• 负载电阻：10欧姆/150W

将接受线圈直接放置在发送线圈上面。

^{▲ 将接收线圈放置在发送线圈表面}

测量结果：

电源电流：2.5A
负载电压：20.01V

此时，输入功率:Pin=60W；输出功率：Pout=40.8W；功率传输效率：$\eta =68\%$。

注意，由于是将接收线圈直接放置在接收线圈上，此时发送模块已经进入了限制功率状态。使得输出占空比不再是50%。

如果将线圈抬高，是两个线圈之间的互感降低，此时发送电流下降到2.2A。此时对应的传输效率变为77.3%左右。

因此，传输效率受到两个线圈之间的耦合系数的影响。

2.电路板温度分布

让电路就输出45W状态下，持续工作1分钟。电路板逐步处于热平衡。使用红外相机拍摄电路板温度分布。

^{▲ 使用红外相机拍摄电路板}

可以看到电路板上的最热的器件为：

• LCC串联电感；
• 两个功率MOS管；

这说明，对于功率MOS压紧在电路板上进行辅助散热是必须的。

3.电路板散热条件

根据前面测试，需要考虑到夏天比赛过程中，环境温度更高，对于电路板热平衡的影响。因此建议：

• 如果信标灯在场地边缘，建议对于这部分的控制板不再使用外壳封装，让其自然散热；
• 对于布置在场地中心的信标，选择的外壳需要能够提供一定的散热能力，比如留有通风孔；外壳比较薄，容易散热。

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▌测试结果

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通过对于对于龙邱公司发送过来的整套无线信标套件进行测试，初步验证了：

• 该电路板满足无线电能传输的需要；
• 该电路与主控盒之间功能连接正常；
• 该电路板连接发光盘触发功能正常；

存在的疑问：存在几次，无线发送过程中，U6的工作指示灯不闪烁的情况。并且此时电路空载电流上升到200多mA左右，只有重新上电问题才消失。

具体原因现在尚不可知。

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■ 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
• 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21
• 无线信标功能初步测试
• 无线节能信标调试说明-2021-3-3
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• 无线信标功能调试-2021-3-9-输出功率恒定限制