超级电容储能点焊机全解--- 一文看懂超级电容点焊机

rocket_man_8 · 发表于 2023-7-27 10:44:35

事实上，一直有玩点焊机的计划，超级电容早在3年前就已经备下了，耐何为生活所困，天天东奔西走忙于为人做嫁衣中。。。。做代工开发的都懂呀，甲方金主是大爷，拿下项目前他是大爷，拿下项目后收款，他还是大爷。。。

最近群里朋友又在讨论超级电容点焊机，我也刚好得空，抽时间想把我的6只电容玩起来。
简单的来讲，点焊机就是一个电源，一个开关，让焊笔与镍片在接触点处因非常大的瞬时电流发热熔化到一起。
实施起来，常见的有变压器式：

通常使用微波炉拆机变压器来制作，成功率高，皮实耐用，受限于铁芯的功率及绕线的损耗。通常做不到较大的电流，焊电池的应用上，使用变压器式的并不是最好的选择，在需要持续大电流的地方，比如铜材厂的铜材对焊，它倒是更合适。

还有这种便携式的：

体积小巧，随身携带方便，不过，这玩意儿为啥要随身携带我还没想明白。它使用高倍率动力电池，适合较薄镀镍片的点焊，理想很丰满，现实很骨感说的就是这玩意儿，由于电池工作在直接短路状态下，寿命基本上没有保障，当玩具到手玩一玩可以，不能指望当工具。

另一种是咱们今天的主角：

通常长这样，当然也有大神把它做到非常标准漂亮的。它利用超级电容的储能经MOS管开关瞬时放电来完成焊接。超级电容本身适合超大电流放电，自然也就没有锂电池供电的点焊机的寿命问题。
还过通常在实施中，容易出现MOS管炸管的问题。

我玩的重点在保证足够的性能时如何避免炸管，谁让咱不是土豪，炸一排MOS管会心疼的。。。

接下来，开始我的超级电容点焊机的组装。

理想中的超级点焊机是可以插上电就玩，不过，事实上，由于超级电容容量较大，对它充电到工作电压是需要一个时间的，如何缩短这个时间，大伙有的用40A电流 5.4V的电源直接上。
我对于快速充电没有执念，但也希望它能尽完充好，手头正好有退役下来的24V 4A的开关电源，就用它来供电了。
所以使用以下的方案。

廉价的XL4016是一个很老的片子了， 胜在便宜，用在这样对体积要求并不敏感的地方也算合适。
用XL4016配合运放来做成恒流恒充电源。使用时由单片机生成的来给定充电电流大小（是不是感觉有点多余，直接最大电流充就是呗

），再使用单片机给定充电截止电压（事实上也是多余的

，只是打样来就是5片，只用掉一片，其它几片可以弄几个恒压恒流可调电源来玩。所以这么预留了它）
本质上，单片机只会给定XL4016能允许的最大电流组超级电容充电，比如充10ms 停一下，检测一下电容电压，没有到再开。这样相比恒流恒压充电，它在整个充电过程中均是最大电流在充，会快那么一点点。

***** 所有电路图参数均未标定仅随手一画，用于说明思路，可别直接拿电路参数用。

上面电路XL4016 和整流的肖特基做好散热，电感使用铁硅铝电感，这里事实上建议使用47uH/10A以上，毕竟电感在电流大的情况下，感量会有较大的减小。大伙买零件也应该是淘宝，商家对商品参数虚标也是常有的事。

这个没啥说的了，使用便宜的单片机，没有DAC，也用不上，使用pwm，经两级RC后平滑给上面的恒流源提供比较电压用。

超级电容新的一致性是很不错的，基本不需要均衡（玩的状态，不是说产品上不用哈。

抬杠的人总是有的，为你省点口水，先申明一下），但手头这玩意本来就是垃圾堆里来的，也不知道如何，所以我还是给它加上均衡先。

单片机的ADC内阻相对来说太小，在直接分压测量时，ADC的内阻对测量误差的影响会很大。加上我希望超级电容的采样电阻对电容的自放电不要那么快，所以这里使用大电阻分压然后运放跟随来采样每只电容的电压。这个电路并不完美，胜在简单，后面也可以在程序里去校准各只的采样电压。实际电路上的下臂电阻大小根据自己用的运放来修改。用的运放好，电阻加大；垃圾的便宜运放，比如在这个部分里我用的324，就用100K了。同样的，上面的分压电阻实际再调，先只是画出个意思。

光有对电容的电压采样还不够，咱们还需要对它进行均衡。

单片机程序在需要的时候输出低电平，控制MOS管打开，对电容放电，也就实现了简单的均衡。如果电容一致性太差，这玩意也不够用，我有实际对手头的电容充电测量了一下，从0V开始4A电流充电，一只2.73，一只2.62，一只2.68（对了，我用的是３串２并）。差别不算太多，上面这个电路对我来说够用了。板上预留的第４串电容的采样与均衡先空着。

接下来是MOS管的驱动，咱们一般希望电容点焊机能输出尽可能大的电流，所以通常会有很多只MOS管并联。有朋友认为MOS管是电压器件，驱动不重要。。。事实上，MOS管的GS是有结电容的（还没计算进去在导通时的米勒电容），在控制MOS管打开时，驱动电路是需要对这个电容进行充电，对电容充电就需要电流，通常我们简单的想法是希望这个电流尽可能大，也就是缩短MOS管G极的上升沿，事实上，还需要考虑振荡的因素在里边，所以，实际的驱动电路上，会在G极串上阻尼电阻，以达到尽可能快速对GS结电容充电的同时减少在G极上的震荡。
手头有做项目没用完的UCC37322。就上它了，当然，使用大电流图腾柱也是不错的选择，但接着向下看，你会明白为什么我还是用了这玩意。

标称9A的峰值输出电流对于我的24管点焊机来说讲，够用了。图中的MOS_DIV接到单片机的驱动，MOS_EN接到过流保护。（后面的与详细的介绍与说明）

然后还少一了个给整个电路提供不同供电的电源部分，

24V过来的12V用于给MOS管驱动使用，5V给运放使用，3。3V给单片机使用。

丢两外接开关接口，一个用于接在手柄上完成自动点焊，另一个用于接脚踏开关。

这个是MOS管端的示意，我的驱动没有使用一线到底，而是从驱动芯片出来每只MOS管一组双纹线接到MOS管阵列的G级阻尼电阻和S极。每只MOS管的DS级上，焊上简单的吸收回路。
大伙可能有留意到在大电流点焊时，点焊笔的线会跳动，这说明有极大的磁场作用，磁也会生电，连接在焊笔上的电线的分布电感也会有储能，在MOS管判断的瞬间这个储能会形成一个较大的尖峰电压加在MOS上。通常大伙自己玩的时间，由于线损，电流被物理限流了，这个尖峰不一定会击空MOS管，不过，咱正经玩，这个因素还是得考虑在里边。
本质上，咱们点焊机的焊笔引线的分布电感相当于BOOST电路中的升压电感。电感量虽然小，但由于电流很大，产生的尖峰也不能不考虑。

除了上面提到的这些，我们在组装MOS管阵列时，还有一些不可忽略的细节。
1，MOS管的电流，很多朋友只看参数表里的最大电流，甚至有朋友把瞬时脉冲电流当最大电流，这样的认识不完全正确，

看这里， IDM 并不能用作设计时的值，我们通常需要取100度时的值，来作用MOS管的额定电流。要知道，蓝色圈里的320A仅只在25度时可以保持，但实际上，MOS管的导通是有电阻的，极大的电流会让它快速升温，而温度的升高会让导通电阻快速上升，MOS管的工作环境会进一步恶化。
所以，我们在选型时，需要按100度时的电流来选择。而不是25度时的，更不是IDM值。
2，散热，我见过很多直接把MOS管焊在PCB上的，通常使用也可以，但群友在讨论中提到，连续多次点焊后会炸管，这里的问题就来源来散热。所以，最好是直接把MOS管装大大的铜导流板上。利用铜板来散热。朋友们喜欢使用小管子的220或是贴片封装，我这里使用247封装的MOS管，它的铜导热板较大，也就有较大的热容量，温升方面会比２２０封装的好一些。
3，MOS管的布局，习惯上，大伙会把MOS管布局在一长条。这在小电流应用中并不是什么问题，但在点焊机这样的大电流应用中，长流的布局也会有微小的电阻存在，这个微小的电阻在巨大的电流面前，并不能忽略，它会造成MOS管S极电压相对G极升高，MOS管导热条件变差，甚至会震荡，也就有了很多朋友炸管炸两头的情况了。另外，在MOS管的驱动信号上，很多朋友会直接把G级并联在一起，然而，分布参数会造成MOS管的导通一致性变差，简单的来说，距离驱动线更近的MOS管会先那么一点点导通，后面的依次导通，而且直接并联容易造成振荡也是炸管的原因之一，所以，我的做法是从驱动出来分24组双绞线分别接到MOS管阵列的GS端。
4，不同的焊笔接触电阻差别造成MOS管阵列可能的过流问题需要考虑进行保护。

前面在MOS管驱动部分，有个MOS＿ＥＮ，它是连接在这里的，我在汇流铜板上，切了个小长条当采样来用，把P１出来的两根线直接连接到采样两端，U１D对采样电流进行放大，U１C与外围电流组成峰值保持电路，它在检测到过流时，会在一段时间里保持住输出电压，这个电压与过流设定比较，超过时，Ｕ１Ｂ输出低电平，直接关断驱动，响应速度较快。避免过流造成炸管。峰值保持经跟随器Ｕ１Ａ输出给单片机采样。当单片机采样完成后并有效的关闭了MOS阵列驱动后，再打开上面的小MOS管对峰值值保持电容放电，准备下一次的采样。

到这里，一个完整的超级电容储能点焊机设计思路展现了出来。

接下来，开搞，手头还有玩 WY820三合一高频焊台的 1602屏，正好用上它。反正这里不计较体积。显示参数也并不多。足够用了。

基本上的布局就这样了，当然，除了上面的的电路，我还在左下脚加了只MOS管测温的插座预留，说不定有连续使用的机会呢，这样当MOS管温度上升时，也能及时止损，避免炸管，２４只管子可不便宜呀。

把大电容，电感，插座都放到背后，这样如果后面要装壳的时候，能方便一点。

线随便弄了下，还没布完。后面再贴。

哦，忘了我的电容组来个图片了。

喂，老姚，你为啥用铝板。。。