【KiCad】Made with KiCad GaN PCB 特斯拉线圈

鸣涧

【KiCad】Made with KiCad GaN PCB 特斯拉线圈

“ 基于 PCB 的双谐振固态特斯拉线圈设计，使用 USB C 供电。 ”

概览
这是一个 PCB 特斯拉线圈，可在空气中产生 5 厘米的电弧，由 5V 3A USB C 笔记本电脑插孔供电。特斯拉线圈作为 USB MIDI 设备，可通过 LMMS 或 Ableton 等任何合成器软件使用。线圈设计的谐振频率通常很高。使用传统的 Si-MOSFET 很难在此频率下构建高效的全桥。这主要是因为栅极电荷和开关损耗较高，而这种应用所需的晶体管尺寸又较大。使用 E 类拓扑结构，即使在此频率下也有可能产生火花。不过，在这种工作模式下，mosfet 处于线性模式，功率损耗非常高（http://www.richieburnett.co.uk/hfsstc.html）。丹尼尔-艾德霍芬通过在发射极跟随器配置中使用传统的双极晶体管解决了这一问题。这使得开关速度快，延迟小。不过，要驱动这些功率晶体管，还需要另一个图腾柱驱动器来输出具有全输出电压摆幅的信号。丹尼尔为此使用了一个 mosfet 驱动器集成电路。他使用的器件桥电压限制在 32V。此外，bjts 的效率并不高......为了克服这些问题，氮化镓和碳化硅开关需要一些特殊的栅极驱动器（例如，输出电压为 -6 至 10V。负电压有助于偏置栅极，防止关断时出现电压尖峰），并尽可能靠近开关。

TI 解决了这一问题，开发出一种具有两个内部 GaN 开关的半桥配置器件，其中包括所有必需的低压和高压栅极驱动器。

硬件设计

从左到右到3个版本，最右侧的为性能较好的稳定版本：

可以将设计分为五个功能模块：

• STM32 微控制器
• 反激式升压转换器
• 反馈信号电路
• 死区电路（deadtime circuit）
• 氮化镓全桥
  
  

STM32控制器

STM32F072 价格便宜，具有合适的 ARM M0 内核，并通过使用 USB 帧的时钟恢复/同步功能支持无晶体 USB 操作。因此，您只需花费不到 1 美元，就能得到一个带 USB 和大量 STM 功能强大的定时器外设的微型器件，而且只需极少的外部元件。我使用的是 QFN 版本，因为我发现它比 QFP 更容易焊接。

此外，STM32F072 还有一个 DFU 引导加载器--这意味着您不需要任何编程器就能闪存固件。初始闪存时，必须在 PCB 背面暂时桥接一个焊接跳线 - 特斯拉线圈现在将枚举为 DFU 引导加载器设备，您可以使用 dfu-util 等软件闪存固件。闪存完成后，按下 PCB 上的按钮即可跳转到引导加载器更新固件。

Flyback boost Converter

反激式转换器可将 5V 输入电压升至 40-50V 供 GaN 全桥使用。由于特斯拉线圈的匝数比已达到最大值（初级绕组不能少于一个），因此要获得更高的输出电压，唯一的办法就是提高输入电压。反激式转换器的工作原理与传统变压器不同，它更类似于升压转换器：变压器就像一个耦合电感器，将磁能储存在气隙中。与匝数比无关，输出电压可以达到（理论上）无限高的输出电压。唯一不同的是，与简单的升压拓扑结构相比，通过精心选择匝数比，可以大大提高效率。

开关晶体管的 PWM 由 STM32 生成。STM32 千兆位处理器可完全控制输出电压，从而实现缓慢升高输出电压以避免 USB 过载、软件配置桥接电压以及潜在的 QCW-DRSSTC 操作等功能。

Deadtime 电路

当半桥设计中的两个开关同时导通时，就会出现所谓的击穿现象。这种情况通常不是故意发生的，而是在开关过程中产生的副作用：如果在打开一个开关的同时关闭另一个开关，由于时间延迟不匹配，可能会在很短的时间内两个开关同时导通，通常会导致两个场效应管损坏。为了应对这种不幸的情况，可以增加一小段时间，让两个场效应管都处于关断状态，即 "先断后连"，用 EE 的俚语来说，就是死区时间（dead-time）。尽管 LMG5200 已经集成了大量令人印象深刻的电路，但仍缺少死区时间逻辑。德州仪器认为，这是一个优势，因为它让设计人员可以随心所欲地控制半桥中的两个独立氮化镓器件。但是，如果同时打开两个 GaN Fets，也会导致它们夭折。我在第一次尝试时并没有意识到这一点，而添加死区时间逻辑是这一设计产生最初火花的里程碑。电路非常简单：两个三输入 AND 逻辑门馈入反馈信号，一个反相，另一个不反相。此外，STM32 的使能信号也被输入两个 AND 门。添加光耦合器是为了将 STM32 与特斯拉线圈的电子元件分开：正如您稍后将了解到的，与驱动 LMG5200 相关的所有设备的接地都在一个独立的接地平面上，仅通过 LMG5200 本体与电源接地相连。这也是因为 LMG5200 的快速开关会产生电压尖峰，从而导致不必要的行为。光耦合器的作用是将这些电压连接到域，而不会将噪声引入这个分离的接地平面。

第三个输入是两个 AND 门的反相输出：由于它们相互阻挡，因此一次只能有一个输出高电平。由于信号必须先通过反相器才能使另一个 AND 逻辑门输出，因此反相门的延迟时间将作为死区时间加到信号中，此时两个 AND 逻辑门的输出都为低电平。

反馈信号电路

特斯拉线圈以自己的谐振频率工作非常重要。然而，这并不是一个固定值，它在运行过程中会发生很大变化：线圈中的金属量以及特斯拉线圈产生的电弧都会形成额外的电容，从而降低共振频率。跟踪这些变化的最简单方法是以自谐振模式操作线圈：线圈的输出被感应、放大，并作为正反馈反馈回驱动电路。这会在谐振频率上产生无阻尼振荡。

目前已知有多种恢复这种反馈信号的尝试。最大的区别在于，要么是从初级谐振电路中恢复，要么是从次级线圈中恢复。最简单的方法是使用一个与地线串联的分流电阻来感应流经次级线圈的电流。这种方法如上图所示，但它会将放电产生的射频噪声隐含地耦合到逻辑电路中，这可能会导致接触放电时出现问题。

另一种尝试是感应初级电流，并利用该信号驱动氮化镓。这种方法通常更为稳健，甚至可以在完全没有辅助线圈的情况下使用和测试。传统的做法是使用绕在小型铁氧体环形磁芯上的 ~1:100 电流互感器。对于我的线圈来说，这个尺寸太大了，而且我也不想在初级谐振电路中增加额外的电感，因为即使是穿过这种铁氧体的短导线也会增加比整个初级线圈更高的电感。相反，我利用高频设计的优势，尝试使用空气耦合电流互感器。我们将在未来几周内对这一设计进行评估。

原理图 & PCB

License

硬件原理图、代码：GPL3

USB MIDI Class Driver: CC_BY 4.0

STM32 CubeF0: BSD-3

仓库 & 下载

可以在Github中获取开源仓库：

https://github.com/lucysrausch/pcbtc