為步進電機、繼電器和 LED 創(chuàng)建動態(tài)電源解決方案

1.前言

作為工程師，每當我們面臨為步進電機、LED 和其他外圍設(shè)備設(shè)計控制或電源電路的挑戰(zhàn)時，我們都喜歡使系統(tǒng)適應(yīng)特定的規(guī)則和條件。

我們基本上測量了兩次，但僅限于那組特定條件。事后的任何更改只會意味著額外的成本和評估時間，這對任何項目來說都是一個巨大的痛苦。

那么當我們需要針對多個系統(tǒng)或配置的解決方案時會發(fā)生什么？我們如何確保在擁有一個可以為電機供電的系統(tǒng)和讓我們在設(shè)計完成后靈活添加其他高壓設(shè)備之間保持平衡？我建議我們使用系統(tǒng)的一個模塊或子集開始我們的設(shè)計，我們可以稍后對其進行擴展。

2.接口靈活性

我們要做的第一件事是確保我們可以隨意連接電源驅(qū)動器。雖然選擇具有足夠通用輸入/輸出 (GPIO) 來驅(qū)動輸出的主機控制器是個好主意，但實現(xiàn)控制方案或程序變得越來越困難，因為每個 GPIO 引腳都有自己的調(diào)用和要執(zhí)行的操作。這是串行接口變得方便的地方。大多數(shù)處理器都有大量內(nèi)部接口，如圖 1 所示。這些接口模塊可以控制內(nèi)存或外部傳感器，甚至可以與其他處理器進行通信。

圖 1：MSP430? 內(nèi)部框圖

然而，對于我們的系統(tǒng)，選擇很簡單。正如我在介紹中提到的，我們正在制作這個系統(tǒng)來驅(qū)動多個外圍設(shè)備，包括步進電機。對于步進電機，我們需要確保從主機提供順序和同步的輸出。

圖 2：SPI 主從連接

串行外設(shè)接口 (SPI) 和 I 2 C等接口為我們提供了來自主機或主設(shè)備的時鐘信號的優(yōu)勢（如圖 2 所示），并且能夠通過共享串行數(shù)據(jù)和時鐘線進行擴展。然而，為了我們的設(shè)計，我們希望保持低成本，因為具有大量電機和 LED 的解決方案需要多次迭代。

某些電機、LED 和其他設(shè)備可能無法從將內(nèi)部串行接口用作處理器中受益。在這些情況下，我們可以使用串并轉(zhuǎn)換器，例如圖 3 中所示的SN74HC595。該設(shè)備有助于將數(shù)據(jù)按順序傳送到輸出。我為我的設(shè)計選擇了這個部件，因為它易于使用、成本低，并且使設(shè)計人員能夠堆疊或菊花鏈類似的設(shè)備。任何其他串行到并行設(shè)備也可以幫助完成任務(wù)，例如SN74HC164或TCA9539?。

圖3 ：SN74HC595

3.驅(qū)動高壓大電流

不幸的是，我們不能簡單地從主機微控制器驅(qū)動高功率負載。但是，我們可以應(yīng)用 FET 來降低處理器的整體電流需求。這實際上是設(shè)計論壇中比較流行的主題之一，也是“將 3V MSP430 連接到 5V 電路”應(yīng)用筆記非常受歡迎的主要原因。如果我們從本應(yīng)用筆記中翻閱一頁，我們會發(fā)現(xiàn) ULN2003A 是一個簡單的解決方案。

圖 4 展示了 MSP430 微控制器和ULN2003A如何驅(qū)動 12V 邏輯軌以及一些電機和 LED。這非常有效，因為 ULN2003A 可以處理高達 50V 的電壓和高達 500mA/通道的電流，這為我們提供了足夠的電機和 LED 范圍。

圖 4：將 MSP30 連接到高電壓和高電流負載

現(xiàn)在我們已擁有所需的一切，我們可以連接 MSP430 MCU、SN74HC595、ULN2003A 和 CSD17571Q2，以創(chuàng)建一個靈活的電源結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在八個通道的倍數(shù)中進行擴展，如圖 5 所示。

圖 5：我們的動態(tài)驅(qū)動系統(tǒng)

我們可以使用這種架構(gòu)來創(chuàng)建復(fù)雜的系統(tǒng)，例如空調(diào)、LED 顯示矩陣，甚至是具有多個燈和電機的機器人。我們還可以創(chuàng)建具有附加特性或功能的同一設(shè)計的多個版本，例如額外的顯示器或電機，如圖 6 所示。

圖 6：擴展我們的電源驅(qū)動器以容納更多外圍設(shè)備

因為我們將設(shè)計保持在一個舒適的規(guī)模，我們現(xiàn)在可以根據(jù)我們的應(yīng)用要求擴展或減少我們的功能，或者回收相同的結(jié)構(gòu)來提出其他需要高電壓、高電流或兩者兼而有之的應(yīng)用。而且由于我們只選擇了成本較低的替代方案，因此我們可以確保我們的電路板保持成本效益，即使經(jīng)過多次迭代也是如此。