为步进电机、继电器和 LED 创建动态电源解决方案

1.前言

作为工程师，每当我们面临为步进电机、LED 和其他外围设备设计控制或电源电路的挑战时，我们都喜欢使系统适应特定的规则和条件。

我们基本上测量了两次，但仅限于那组特定条件。事后的任何更改只会意味着额外的成本和评估时间，这对任何项目来说都是一个巨大的痛苦。

那么当我们需要针对多个系统或配置的解决方案时会发生什么？我们如何确保在拥有一个可以为电机供电的系统和让我们在设计完成后灵活添加其他高压设备之间保持平衡？我建议我们使用系统的一个模块或子集开始我们的设计，我们可以稍后对其进行扩展。

2.接口灵活性

我们要做的第一件事是确保我们可以随意连接电源驱动器。虽然选择具有足够通用输入/输出 (GPIO) 来驱动输出的主机控制器是个好主意，但实现控制方案或程序变得越来越困难，因为每个 GPIO 引脚都有自己的调用和要执行的操作。这是串行接口变得方便的地方。大多数处理器都有大量内部接口，如图 1 所示。这些接口模块可以控制内存或外部传感器，甚至可以与其他处理器进行通信。

图 1：MSP430™ 内部框图

然而，对于我们的系统，选择很简单。正如我在介绍中提到的，我们正在制作这个系统来驱动多个外围设备，包括步进电机。对于步进电机，我们需要确保从主机提供顺序和同步的输出。

图 2：SPI 主从连接

串行外设接口 (SPI) 和 I 2 C等接口为我们提供了来自主机或主设备的时钟信号的优势（如图 2 所示），并且能够通过共享串行数据和时钟线进行扩展。然而，为了我们的设计，我们希望保持低成本，因为具有大量电机和 LED 的解决方案需要多次迭代。

某些电机、LED 和其他设备可能无法从将内部串行接口用作处理器中受益。在这些情况下，我们可以使用串并转换器，例如图 3 中所示的SN74HC595。该设备有助于将数据按顺序传送到输出。我为我的设计选择了这个部件，因为它易于使用、成本低，并且使设计人员能够堆叠或菊花链类似的设备。任何其他串行到并行设备也可以帮助完成任务，例如SN74HC164或TCA9539 。

图3 ：SN74HC595

3.驱动高压大电流

不幸的是，我们不能简单地从主机微控制器驱动高功率负载。但是，我们可以应用 FET 来降低处理器的整体电流需求。这实际上是设计论坛中比较流行的主题之一，也是“将 3V MSP430 连接到 5V 电路”应用笔记非常受欢迎的主要原因。如果我们从本应用笔记中翻阅一页，我们会发现 ULN2003A 是一个简单的解决方案。

图 4 展示了 MSP430 微控制器和ULN2003A如何驱动 12V 逻辑轨以及一些电机和 LED。这非常有效，因为 ULN2003A 可以处理高达 50V 的电压和高达 500mA/通道的电流，这为我们提供了足够的电机和 LED 范围。

图 4：将 MSP30 连接到高电压和高电流负载

现在我们已拥有所需的一切，我们可以连接 MSP430 MCU、SN74HC595、ULN2003A 和 CSD17571Q2，以创建一个灵活的电源结构，该结构可在八个通道的倍数中进行扩展，如图 5 所示。

图 5：我们的动态驱动系统

我们可以使用这种架构来创建复杂的系统，例如空调、LED 显示矩阵，甚至是具有多个灯和电机的机器人。我们还可以创建具有附加特性或功能的同一设计的多个版本，例如额外的显示器或电机，如图 6 所示。

图 6：扩展我们的电源驱动器以容纳更多外围设备

因为我们将设计保持在一个舒适的规模，我们现在可以根据我们的应用要求扩展或减少我们的功能，或者回收相同的结构来提出其他需要高电压、高电流或两者兼而有之的应用。而且由于我们只选择了成本较低的替代方案，因此我们可以确保我们的电路板保持成本效益，即使经过多次迭代也是如此。