分享我瞎折腾的高频烙铁控制板给大家

scu319hy

最近一直在折腾我的高频烙铁控制板，现在已经基本完工了。效果可以参考我之前发的帖子。
现在把控制板的工程和设计分享给大家，欢迎大家拍砖或复刻。

除了基本的加热，还实现了如下功能：
1. 三个不同温度档，可以一键切换
2. 支持震动传感器休眠检测
3. 支持输出功率休眠检测，无震动传感器的手柄也可以休眠和唤醒
4. 过载保护，电流达到最大量程时，自动切断输出。保护启动延迟是大概是几十微秒
5. 电热偶断线检测，电热偶断线时，自动切断输出。
6. 功率异常检测，如果输出功率不正常(比如高频线圈断线)，自动切断输出，1秒后重试(手柄可以热插拔)
7. 过温检测，当前温度超过目标温度5度后关闭输出
8. 温度校准，可以把烙铁尖温度误差校准到0.5度以内
在参数调整适当时，小焊点温度波动小于5度，大焊点温度波动小于10度。
如果当锡炉用可能会引起比较严重的失温和过冲。
升温速度完全取决于手柄在板子上的最大输出功率。
我有只手柄配合最大输出功率的板子，启动功率超过200W，5秒左右化锡
同一只手柄在其它板子上输出功率只有150W左右，化锡需要8秒左右


这是完整电路图，后面分块说明。


这是热电偶放大部分：

R1下拉，用于热电偶断线检测
R3 C1组成低通滤波，过滤高频/工频干扰
Q1是零点校准开关，用于自动回零。每过一定周期会自动做回零的动作。
这样可以完全不考虑运放的输入/输出偏移，也完全不用考虑参考电压的准确度/稳定度问题。
运放需要5V的轨到轨输入输出运放，最低端的LMV358即可胜任。
R13和R16组成101倍放大，在24度室温下，ADC 0~3.3V范围内可以测量温度范围约为-50~+700度

这是冷端温度测量部分

由1%精度的100K NTC和51K电阻组成，经运放缓冲后送至ADC端口2
由于STM32F030内部有电源电压测量功能，不用担心供电电压的精度问题
经我测试，MCU校准过的测量电压精度很高，由此计算得出的室温偏差小于0.5度。

这是功率开关及电流检测部分

由2只2n7002和一只LMBTA14(MMBTA14)NPN达林顿组成了MOS管驱动电路。R11可省略
经实际测试，此电路驱动MOS的开关延迟小于10ns，上升下降时间约为80ns。比一些普通的MOS驱动芯片性能还好些。
在实际使用过程中，功率开关Q5基本不会发热
电路工作电流经R14采样过后，由运放放大34.3倍。可测量电流范围是0.1A~19.2A(0.1A左右底数受运放影响)

这是高频功率振荡部分

此部分由网上常见的ZVS加热电路改造而来，经实验和仿真，添加Q6/Q7可以加速MOS管导通/关闭减少负载下的功率管发热
L1/L2使用106125E14铁硅铝磁环绕制，电感系数200nH/N^2左右
L1使用1.0mm以上的漆包线绕35到40圈，以绕下的情况下，线越粗越好。
L2先绕次级0.8mm漆包线绕19圈，初级用1.0mm以上的漆包线双线并绕5圈，连接非同名端做抽头，形成5+5的初级。初级电感约为22uH
需要注意的是，输出电感的初级/次级要间绕或叠绕。间绕即3~4圈次级间隔一圈初级，叠绕即次级和初级均匀绕两层。
千万不要磁环左半边是初级，右半边是次级这样分组绕。这样输出功率是上不去的。
功率MOS需要60V30A以上的N-MOS，导通电阻越小越好，Vgson越小越好。我用的是立创上薅羊毛的HD6956
C15需要损耗小的电容，可以用高耐压的470n CBB电容
C16，C17很重要，用于续流及吸收尖峰电压。
C17尽可能用高频电解，容量不要太小，也不要太大。容量太小关闭时会产生较高的反压，容量太大会无法关闭。
当功率部分关断时，如果没有这两个电容，会产生数百V的尖峰电压。击穿MOS管及驱动部分。
C18用于减小启动时电流过大引起的压降，在电源内阻较大时，如果没有这个电容会导致电压下降过多，MOS管无法完全开启，然后烧管。
D2,D3,D4,D5需要速度快耐压高(最好>=100V)的二极管，我这里选的是100V的肖特基。如果没有，用1n4148也行。
不建议使用1n5819，它耐压不足，如果尖峰吸收不干净，二极管击穿会引起连锁反应，还不好排查。
(以上建议是我牺牲了几十个MOS管以后得到的教训，望大家借鉴)

此为LCD/OLED接口部分

LCD和OLED都使用12864屏，建议使用2寸或更大的屏。看着会舒服点。
目前我支持ST7567/UC1701/CH1115，如有需要也可以把ST7735S的灰阶屏当黑白屏来用。
我目前自己用的是在"老王电子数码DIY"买的2寸12864屏幕模块，2.3元一片
为了自己方便测试，我留了三个接口。不使用可以不焊接相关元件。(为了测试老王电子买的其它屏)
OLED我测试了0.96寸的中景园15Pin带内升压屏(mini版测试用)。

接口部分如下

K1接手柄震动传感器，C20用于吸收烙铁高频感应电压。R36尽可能用稍微大一些的，因为h203手柄的震动传感器另一端接的是热电偶负极，电阻太小会影响热电偶测量。
K2，K3接旋转编码器的A/B相，如果使用微动开关则接左右方向键。
K4接旋转编码器的开关，如果使用微动开关则接确定键

关于接地：
为避免焊接时击穿器件，烙铁需要良好接地。
如果电源负级是接地的，可以考虑把手柄地线接到电源负极
电路中也留有用于接地的引线，可以单独连接地线(K-Connector的2脚及VCC的2脚)

电路板如下：

这版电路板使用了4层PCB，这样可以不用再加焊大电流导线了。散热和接地也做一一些优化。
实物如下(此版PCB的实验版本, 多了一些做实验用的器件，整体上结构是一样)


关于电路调试，此电路如果元件和焊接无误，不用做过多调试
为安全起见，可按以下步骤调试：
1，先不焊接两个电感，低压部分及MCU跑起来，此时不用连接12V电源。
2，如果LCD正常显示且可以设置，手摸烙铁头几秒后，温度会上升。再连接12V电源。(建议用打火机烧一下热电偶，如果温度能上到600~700度则说明量程正常)
3，连接手柄，在功率开关MOS管Q5的栅极测量是否有开关信号，以及开关信号的上升下降速度，应小于100ns
4，断电！断开手柄！焊接电感
5，接手柄热电偶，断开功率输出。先验证振荡部分是否正常工作(此时电流会比无电感时大一点)，可以用万用表交流档测量功率输出部分的电压，应该在100V以上。如果你的万用表高频性能不行，可以串个高频二极管用直流档来测量。有条件建议使用示波器查看波形以及此时的尖峰电压。
6，如果振荡部分工作正常。大体就没有什么问题了。此时，先关机，把手柄连接到功率输出部分。重新上电。
第一次上电请注意，如果发电感尖叫了，请立即关电。有可能是输出电感次级圈数太多，负载过大了。需要减少输出电感的次级线圈。
不同手柄的负载不同，线圈的参数我只是在手头有的手柄上进行了测试。
如果LCD右上角的功率显示为"overload"，并在反复切换开关。则表示当前电流达到了19A以上，电路自动保护了。有可能是输出电感负载过大了。也可能是电流检测部分有什么异常。
如果以上问题都没有，烙铁可以正常加热，那恭喜你，你已经成功了。 现在可以进入软件设置部分了。

主界面如下：

第一排状态，左边为当前输出的百分比，中间为目标温度，右边为当前输出功率
第二排状态，左边为加热/休眠状态， 中间1,2,3为当前温度档(可配置3档不同的温度), 右边为当前的输出电流
第三排： 中间大字为当前的温度， 右边为当前温度下的最大瞬时输出电流
第四排：右边为NTC测量出的当前温度，受板子当前温度影响，不一定是当前的气温(开机时基本上是当前气温)
最下排的图中，反色的细线为温度变化曲线，黑色为输出功率变化柱状图
在此界面下，旋转编码器可以直接切换温度档，切换温度十分方便
点击确认键会切换到设置页面，如下为温度1设置界面：

在此界面下旋转编码器可以切换到其它设置项。长按确认可以退出设置，30秒无操作也会回到主界面。
点击确认后可以开始设置此参数，如下：

旋转编码器可以调整当前的数值。长按确认可以取消调整设置，返回之前的值。
调整完成后，点击确认键进入保存确认状态，如下：

点击OK保存配置，点击Cancel取消设置，还原之前的值。长按确认键等于点Cancel
如下为加热设置，

此参数为PID中的比例参数，设置到100左右即可。此参数过大会引起过冲，过小会导致升温慢
如下为回温设置，

此参数为PID中的积分参数，设置到32左右即可。此参数过大会引起温度振荡，过小会导致升温不位
如下为温度稳定性设置

此参数为PID中的积分参数，相当于升/降温的阻尼。设置到100左右即可。此参数可以减少过冲和振荡，但过大会导致升温不顺畅，过小则无明显效果。
如下为休眠延迟设置

此参数控制进入休眠状态的延迟，设置为0则关闭休眠功能。
如下为空闲检测设置

当烙铁输出功率小于当前温度下正常散热功率一定比例时，会认为烙铁进入空闲状态。非空闲状态的烙铁不会进入休眠。
此功能可以避免震动传感器不灵敏导致的误休眠动作。通过此设置，无震动传感器的手柄也可以实现休眠。
如下为唤醒检测设置

当烙铁在休眠状态，如果输出功率超过正常散热功率一定比例时会被唤醒。无震动传感器的手柄可通过此功能唤醒。
休眠和唤醒设置需要根据手柄进行适配。确保能正常进入休眠，不被误唤醒。
在休眠状态下，切换温度档位或震动传感器触发都可以唤醒手柄。
如下为功率设置

此参数不是限制输出功率的，而是需要用户设置当前的高频控制板配合当前手柄的最大输出功率(冷启动时的初始功率)
相当于给PID参数统一设置一个比例。换不同功率手柄可以只调整此参数
如下为温度校准设置

把烙铁设置成最常用的温度，然后用其它测温设备测量烙铁尖的温度，并通过此参数把当前的控制板测量的温度调整到你校准的目标温度保存即可。
但注意，烙铁头尖的温度很不容易测准，甚至有可能还没有控制板本身测量的温度准，如果没有把握，建议不要设置此参数。反正也差不了几度。
通过此参数可以把空载状态下烙铁尖的温度设置到与实际温度相差0.5度以内的精度。
最后是LCD设置

目前支持几种不同LCD屏幕，但我无法适配所有的屏幕，建议使用与我相同的屏幕

关于器件选取：
板子上最小的封装就是0805, 大部分的电容和电阻都是这个尺寸。除了4个放大比例电阻，电流采样电阻，NTC电阻建议使用1%精度的以外，其它电阻精度随意。
电感磁环型号为106125E14，选取更大号的磁环也可以，输出功率可以做得更大。绕制请参考前面的说明。
三个大功率N-MOS是TO-252-2封装，需要60V 30A以上的MOS管
两个470n电容建议使用高压CBB，实在不行高压瓷片也能行
几个电解电容都比较重要，不能省略
2个运放需要5V的轨到轨输入输出运放，SOIC-8封装，我用的LMV358TP
电流采样电阻为R005 2512的1%金属电阻，功率需要2W以上
电源电压12V，建议300W以上。可以买便宜的LED电源。但不建议超电压使用(超0.5v问题不大)，容易烧管子。最低工作电压7~9V
NTC电阻为100K，它的B值为3950。玻封塑封无所谓


附件包含以下内容：
1. KICAD的完整工程，你可以自己修改，或是重新按自己的库存重新布PCB
2. 生成的gerber文件(4层板)。可以直接去立创或捷配打板。立创上如果没有通用免费券，可以把KICAD工程导入立创EDA，检查无误后直接用专用券打板。
3. ELF格式的固件，此固件配合带开关的EC11编码器使用。如果需要微动开关的固件，可以联系我，我手上目前没有这种测试板，不方便验证，所以没有一并发出来。另外，固件对STM32F030F4是超频使用的。工作频率是64MHz，FLASH用了32K。需要按STM32F030C6来烧写。

最后，关于源代码。
做这个工程只是为了测试我自己的编辑器而弄的项目，顺便把以前的烂尾项目收收尾。
代码写得不具有参考价值，非常乱。所以就不开放出来了。
有需求可以提出来，如果我能做到，会尽可能去实现。

补充内容 (2024-5-6 03:10):
C20由200p改为330p，可以减少振动检测被误触发的可能性。

补充内容 (2024-5-6 14:34):
勘误：温度稳定性为PID的微分项

补充内容 (2024-5-6 17:36):
勘误：调试步骤5说明有错。用万用测不到100V的交流电压。未接手柄时，MCU会处于手柄探测状态，每秒只会有数毫秒的输出。用示波器观察会比较直观。

scu319hy

nop 发表于 2024-6-8 20:43
又发现几个现象

我把温度调到 155度的时候， 加热会到 200度左右 开始下降

从你的描述来看，是温度过冲/震荡了。需要你手动根据手柄特性来调整那几个加热参数才行。
三个主要参数
1. Heating 是比例参数，升温主要靠它
这个参数直接影响升温时的加热强度，这个值越小，加热越慢。但如果设置的太高，就会导致温度过冲。
所以一般要设置成能够把温度升到目标温度附近的强度。
2. Rewarm 是积分参数，用于减少升温误差
升温过程中，如果温度持续达不到目标温度，这个参数会逐渐调整加热强度，让温度接近目标温度。
3. Stability 是微分参数，用于升/降温阻尼。可以减轻温度过冲及失温。
这几个参数和手柄的物理特性密切相关。默认的参数只是能加热，但并不一定是最适合你手柄的参数。

因为烙铁的负载并不稳定，这几个参数不能调整到临界点。要留一定的余量。
调节方法如下：
先把2/3设置为0。调整Heating的值，使烙铁能比较快的升温到目标温度附近，但又不会超过。这时，温度可能无法达到目标温度。
然后再逐渐加大2，让温度能正常达到目标温度。但温度可能会在目标温度附近波动。调整参数2，令波动范围不要太大即可。
最后加大参数3。你会发现升温速度会变慢。调整它，直到温度接近目标后不再波动为止。
由于热电耦测温有比较大的延迟。升温越快过冲也就越大。
但为了烙铁升温快，我们可以允许升温时有一定的过冲。只要不要超过太多即可。
升温速度和稳定性不能双全，需要在中间找个平衡点。

你把温度调整到150度，加热到这个温度，可能只需要2~3秒，但测温的延迟都比这个大...
想避免这个温度下过冲，只能把参数1调到非常小，让升温速度变得很慢
但这显然不是我们想要的结果
你描述的第二个现象也是如此。
升温速度很快时，会导致温度过冲。而过冲较大时，Rewarm会记录较大的过冲误差，这会让烙铁持续减少加热强度。
如果Rewarm参数较大，就会引起温度振荡。此时可以适当减少Rewarm参数。

scu319hy

nop 发表于 2024-5-26 19:06
果然我加到23圈看到了90w，不知道再加一圈会怎么样。
现在差一个问题了，不知道接回一个电源会怎么样。 ...

经验就是烧出来的。我烧的比你还要多点
再加一圈应该问题不太大。
有示波器的话，看一下输出波形就可以判断。
波形劣化不严重就可以放心增加次级。
如果处于临界状态，输出波形会变得很差。有比较高的尖峰。
你可以弄个高速二极管，把C15两端整流输出到一个小电容，测量这个电容的电压。
12V电源在正常情况下，这个电压会在35~40V之间。比如轻载状态下。(空载时，开启和关闭会有尖峰电压，整流后会电压会高些)
如果次级增加后，带载时这个电压升得比较高，达到45v以上，说明已经在劣化的边缘了

前面脑子打铁了，又想成Vpp了，Vpp才会有65~70V，空载时加上尖峰大概Vpp有100V左右

scu319hy

scu319hy 发表于 2024-5-5 12:41
感谢大家支持，欢迎大家复刻后晒成品效果
补充几个问题：
关于调试步骤5，描述有问题。用万用表档测不到1 ...

已经验证了工频干扰会导致振动检测被触发的问题。
问题的根本原因不是工频干扰本身触发了振动检测
而是由于原本使用200p电容吸收高频串扰信号，仅仅是刚好不会触发振动检测的临界边缘。
加入了一点工频干扰之后，两个信号叠加就能够触发了振动检测了
把这个电容加到10n之后，可以把高频干扰吸收得干干净净。但会导致原本就不太灵敏的振动传感器变得更迟钝
退而求其次，把C20加大到330p，可以降低高频干扰信号的幅度，这样一来，即使叠加了少量的工频干扰也不会触发振动检测。
振动传感器的灵敏度变化也不会很大。

我买的203手柄的接线有些问题，为了降低成本，厂家使用屏蔽层传输高频功率信号，基本上就是个天线...
如果把屏蔽层接地就能减少很多对外的干扰。
再就是手柄线只有最外层屏蔽，热电偶和振动传感器信号线上有非常强的高频干扰。
如果使用多层分组屏蔽的电缆做手柄连线应该要好很多。

scu319hy

奥斯卡 发表于 2024-5-16 09:14
对啊，你说既然40K低频可以做到大功率，那奥科设计师应该是脑子进水了，非要把5000系列设计成13.56Hz的工 ...

你贴个别人的产品介绍，说别个设计师脑子进水了。算哪门子讨论？我相信厂家设计成这样是有原因的，或技术或市场。当然，也有抄作业不清楚自己是在做什么的。你如果知道他们的设计思路，大可以发出来讨论。我的设计思路我也说了，你觉得不对也欢迎指出。不过你的图里似乎是有一些原因的，比如依靠材料居里点的特性控温，很可能对频率有一些特别的考虑。

您说的太对了

啊，这，我看不懂

hzfecd

谢谢分享，太好了，

twsg

感谢分享，直接收藏，先慢慢消化消化

scu319hy

感谢大家支持，欢迎大家复刻后晒成品效果
补充几个问题：
关于调试步骤5，描述有问题。用万用表档测不到100V的交流电压，因为在未连接手柄时，MCU会做手柄探测，每秒只会有几毫秒的输出。我是用示波器测量的，脑子打铁了，想着用万用表也能测出来。如果用万用表测量，可以用高频二极管整流后，给小电容充电，再测量电容电压。

振动传感器接口K1上的电容C20，我写的是200p，当时只考虑了高频干扰。忘记了工频干扰。按这个参数，如果有工频电线靠近烙铁手柄连线，会导致振动检测被触发，从而无法进入休眠。
如果要吸收工频干扰，需要用4.7n的电容。但我没有测试过，电容加大后会对振动传感器的灵敏度有多大影响。应该问题不大。回头测试后再补充。

nop

大佬，导入jlc好乱。原理图到pcb好多错误。有什么办法吗？

看看能不能支持1元的屏，有1元的就不用2.3元的。

我有图上的微动开关 ，麻烦在板子 后面 加一块  微动开关 板，切一切就不用再打块板了。

nop

scu319hy 发表于 2024-5-5 12:41
感谢大家支持，欢迎大家复刻后晒成品效果
补充几个问题：
关于调试步骤5，描述有问题。用万用表档测不到1 ...

jlc上面有用 加速度传感器 替代 震动开关的，请大佬看看能不能用，会不会比震动开关好。

成本应该2元左右。

scu319hy

nop 发表于 2024-5-5 13:10
大佬，导入jlc好乱。原理图到pcb好多错误。有什么办法吗？

看看能不能支持1元的屏，有1元的就不用2.3元 ...

导入原理图，立创EDA会把所有元件属性都显示出来。看上去是乱七八糟的。但一般没有什么大的问题。封装找不到也是正常情况。
我试着导入看了一下，PCB只有一个问题，就是铺铜区域我为了走大电流没有使用热风焊盘。立创给改成热风焊盘了。需要手工改成直连模式。
如果你不放心，可以手工给元件分配一下封装。再更新PCB检查一下。

另外，捷配打板没限制。懒得折腾可以用捷配。捷配的板子看上去比立创要精致点，生产也快些。就是人工审核要等。

那个1元的屏是12896的灰阶屏，我在板子上留了焊盘(LCD2)。
但我前面发的固件里不支持它。
主要是FPC焊接以后，装配比较麻烦。弄外壳受限比较多。你用飞线连接就另说了

scu319hy

nop 发表于 2024-5-5 13:20
jlc上面有用 加速度传感器 替代 震动开关的，请大佬看看能不能用，会不会比震动开关好。

成本应该2元 ...

运动传感器要连MCU，203高频焊台这种结构不适用。而且stm32f030的引脚用完了。
除非你专门弄个MCU，配合运动传感器弄个运动检测开关，装到手柄里...而且供电又是个麻烦事。

scu319hy

nop 发表于 2024-5-5 13:10
大佬，导入jlc好乱。原理图到pcb好多错误。有什么办法吗？

看看能不能支持1元的屏，有1元的就不用2.3元 ...

另外，你要用微动开关，直接用焊洞洞板上就行了。不用再打板了。我的编码器都是直接用线连的，没有焊板子上。
那个老王家有EC11编码器，0.7元一个...买屏的时候可以一并买了，就不用弄开关了。

nop

scu319hy 发表于 2024-5-5 14:16
另外，你要用微动开关，直接用焊洞洞板上就行了。不用再打板了。我的编码器都是直接用线连的，没有焊板 ...

大佬要不要再画个 stm32f103c6t6 有48个脚，1.5包邮。


在立创免费打2次，不是说后捷配没有免费了吗

nop

scu319hy 发表于 2024-5-5 14:08
导入原理图，立创EDA会把所有元件属性都显示出来。看上去是乱七八糟的。但一般没有什么大的问题。封装找 ...

大佬，麻烦看下你说是不是我红色圈圈那样处理。

内层 1 2 红色圈圈是不是也要像顶层这样直连？

scu319hy

nop 发表于 2024-5-5 14:49
大佬要不要再画个 stm32f103c6t6 有48个脚，1.5包邮。

我上面的板子就是捷配打的板，应该还有免费活动。
立创上想要使用通用券，每个月需要消费20元以上。相当于打一次双面板。
或者你可以用网上的脚本，把KICAD生成的gerber文件添加上立创的头信息。但我没有试过...

这个板子暂时不再做大的调整了。我手上有一堆陈年MCU没有用。也不想再增加库存了。
stm32f030我还有几十片，103c8也有十多片。avr和51更是有上百片。要把它们都消化掉才行
换103的话还要改代码，暂时不想费这个事了。
后面我要着重把mini版搞搞好。然后再用这个加热板弄个恒温加热台
230度PTC发热片有点生猛，PCB都给烤糊。我打算把板子的高频部分去掉，换成高压继电器，再改造一版固件，控制一下PTC的温度。

scu319hy

nop 发表于 2024-5-5 15:09
大佬，麻烦看下你说是不是我红色圈圈那样处理。

内层 1 2 红色圈圈是不是也要像顶层这样直连？

是的，内外层都改成直连模式

采样电阻到GND的焊盘你没有改

在铺铜规则里把所有的规则都改掉，按shift+b就OK了

nop

刚注册了个捷配的帐号，正在审核中，jlc打不了