Третий день Гиперскутера — самоката, который мы проектируем с нуля: своя рама, своя подвеска, свои контроллеры. В этот день появился модуль, от которого будет питаться всё на борту, кроме моторов: фары, свет, гудок, розетка для телефона и головной модуль на руле. Эта запись — как мы его спроектировали и что про него пока известно только по расчёту.
Сколько нужно
Начали со списка нагрузок. Самая крупная — не фары, а розетка USB-C PD для телефона и ноутбука.
| Нагрузка | Мощность | Ток при 12 В |
|---|---|---|
| Фары, 2 шт. | 35–40 Вт каждая | 5,8–6,7 А |
| Розетка USB-C PD | 100 Вт | ~9 Ачерез свой преобразователь PD, КПД ~92 % — оценка |
| Гудок, автомобильный | — | 3–5 А, кратко |
| Задний свет, стоп, поворотники | 10–20 Втоценка | ~1,5 А |
| Головной модуль | 5–10 Втоценка | ~1 А |
| Всё сразу | ~280 Вт | ~23 А |
Модуль взяли на 25 А при 12 В, то есть 300 Вт: с запасом под помпу и вентиляторы, если они понадобятся.
И одно условие сверху: модуль один на два самоката. На Ninebot G30 батарея 16S, на большом — 24S. Значит, вход — от пустой 16S до полной 24S с рекуперацией.
Почему 150 вольт
Рекуперация на большом самокате может поднять шину до 115 В — это отсечка, которую мы предложили для контроллеров. А узел переключения на каждом такте звенит выше входа, на 10–20 В даже при хорошей разводке (оценка).
Микросхема на 120 В оставляет над рекуперацией 5 В запаса — меньше, чем звон. Нужен класс 150 В: тогда на звон остаётся 35 В.
Взяли ADI LTC7810: вход до 140 В, абсолютный максимум 150 В, два канала, которые можно сложить в две фазы на один выход. В даташите у неё есть типовая схема почти нашей задачи — 12 В / 30 А от 8–140 В, — с неё и начали.
Типовая схема — не готовое решение
Две фазы со сдвигом 180° делят ток пополам: меньше пульсаций на входе и выходе, тепло разнесено на четыре ключа и два дросселя.
Типовую схему ADI мы не перенесли один в один: в четырёх местах она нам не подходит.
| Узел | В типовой схеме | У нас | Почему |
|---|---|---|---|
| Ключи | BSC190N15NS3, по 2 | BSC093N15NS5, по 1 | заряд восстановления диода 385 → 58 нКл |
| Дроссель | XAL1510-103 | SER2918H-103KL | серия XAL1510 — на 60 В |
| Бутстреп | 0,1 мкФ | 0,47 мкФ | правило самого даташита: ≥ 100 × Ciss ключа |
| Полимер выхода | 16 В | 25 В | при 12 В запаса было всего ×1,33 |
На старых ключах восстановление диода при 115 В стоило бы ~8,9 Вт на каждый нижний ключ. BSC093N15NS5 ADI ставит в другой своей схеме, на вход до 140 В.
Потери
Потери считали по уравнениям даташита LTC7810, ключи — горячие. Заряд выходной ёмкости ключа и восстановление диода взяли с запасом сверху.
| Вход | Потери | КПД | Ток с батареи |
|---|---|---|---|
| 48 В16S пустая | 10,8 Вт | 96,5 % | 6,5 А |
| 67,2 В16S полная | 12,5 Вт | 96,0 % | 4,6 А |
| 100,8 В24S полная | 15,8 Вт | 95,0 % | 3,1 А |
| 115 Врекуперация | 17,4 Вт | 94,5 % | 2,8 А |
Чем выше вход, тем больше тепла: растут потери, которые зависят от напряжения, — переключение верхнего ключа, перезаряд его ёмкости, восстановление диода. Самое горячее место — нижние ключи: на каждом около четверти всех потерь модуля.
Защиты
Своего микроконтроллера у модуля нет, поэтому всё, что он делает при аварии, сделано железом.
| Событие | Модуль | Возврат |
|---|---|---|
| Вход ниже 32,4 В | останавливает переключения | сам, выше 35,9 В |
| Вход выше 125,5 В | останавливает переключения | сам, ниже 118,8 В |
| Короткое замыкание выхода | порог тока падает до 40 %, средний ток ~16 А | сам |
| Пробой верхнего ключа | на 13,2 В открывает нижний ключ, ток идёт через предохранитель; нижний ключ при этом, скорее всего, гибнет | замена обоих ключей фазы и вставки |
| Перепутали провода батареи | диод открывается, предохранитель плавится | замена вставки |
| Выброс на 12 В | супрессор SMBJ15A | — |
Плата: переделали по чек-листу
Плата 108 × 80 мм, 4 слоя. Схему и плату генерируют скрипты на Python в KiCad, сигнальные дорожки разводит Freerouting, силовую медь и сложные подходы — свой скрипт.
Первая расстановка была красивой: каждая фаза под своим дросселем, всё симметрично. Внешний рецензент прислал замечания по разводке, мы перечитали чек-лист в конце даташита — и нашли нарушение первого же пункта.
Тепло: расчёт нашёл проблему до заказа
Модуль живёт в герметичном корпусе: IPX9K и IPX7, обдува нет. Тепло уходит через дно на алюминиевую плиту рамы.
Одной цифрой «ватты на градусы» это не посчитать, поэтому мы построили модель по настоящей меди платы: сетка 0,5 мм на четыре слоя, медь проводит только внутри своей цепи, между слоями — стеклотекстолит и стенки переходных.
| Вариант | Над дном |
|---|---|
| Как есть | +127 К |
| Переходные рядом с площадкой | +135 Кхуже: вырезы в слоях |
| 150 кГц вместо 200 | +111 К |
| VIPPO в площадках стоков+ узел на нижнем слое | +70 К |
| VIPPO и 150 кГц | +61 К |
| VIPPO, 150 кГц, медь 70 мкм | +56 К |
Переходные рядом с ключом не помогают: тепло до них по тонкой меди не доходит. Помогают только переходные прямо в площадке стока, заполненные и закрытые медью, — VIPPO. Сколько это стоит у производителя плат, узнаём; решение по Rev A пока открыто.
Перегрев решает док
На каждой фазе у нижнего ключа стоит датчик NTC, оба выведены на разъём. Сам модуль не знает, какая нагрузка важнее, — это знает док головного модуля на руле. Он читает температуру, отдаёт её в диагностику и снижает нагрузку ступенями.
| Медь у ключа | Что гасит док |
|---|---|
| 95 °C | розетку USB-C PD |
| 105 °C | запасные нагрузки; гудок — только коротко |
| 115 °C | всё, кроме светафары, задний свет, стоп и поворотники остаются |
Свет не гасится никогда — решение владельца: на ходу он нужнее, чем целая плата. На одном свете модуль отдаёт ~90 Вт и теряет почти вдвое меньше, чем на полной нагрузке.
Что из этого правда
Мы сами задали себе этот вопрос перед публикацией. Ответ разный для разных цифр.
| Что | Откуда | Насколько верить |
|---|---|---|
| Пороги входа, предел тока, 12 В на выходе | даташиты и арифметика | твёрдо |
| Потери и КПД | модель первого порядка | ±20–30 % |
| Нагрев | модель по меди платы | направление — да, градусы — ±десятки |
| Пульсации, звон, устойчивость, лом против батареи | не считали | только стенд |
Следующая запись про модуль — со стенда: КПД в нескольких точках, термопара на нижнем ключе, осциллограмма узла переключения на 115 В и сравнение с этой статьёй — где попали, а где нет.
Что есть сейчас
- Схема и плата Rev A: проверки KiCad проходят без ошибок, 58 деталей.
- Расчёт потерь и тепловая модель по меди платы — скриптами, пересчитываются при каждой правке платы.
- Эскиз корпуса: фрезерованная ванна из алюминия, дном на плиту рамы.
- Даташит модуля и описание схемы для ревью.