描述

当我去年参观德国的电子展时，引起我注意的两件事：由Elentor展台展出的Daniel Eindhoven的螺旋特斯拉线圈和德州仪器新推出的用于快速切换电源转换器的Gallium-Nitride开关。

以下是我在11月份看到的结果：我的5V 3A 笔记本电脑插孔供电时，可以产生5厘米弧线的pcb 特斯拉线圈。特斯拉线圈枚举为USB MIDI设备，可以在任何合成器软件（如LMMS或Ableton）中使用。

设计完全是开源的。我将所有软件和设计发布到github，以便您可以构建自己的线圈。

免责声明：这不是一个简单的项目。你必须焊接，例如，焊接QFN。我将来可能会出售预装套件。

细节

通过midi控制三个线圈。

已知错误（V1.5）

缺少用于反激式转换器的gatedriver输入的下拉。在DFU模式下，这可能会导致问题，因为mosfet可能会永久打开，从而使VUSB短路

LMG5200下方缺少输入去耦电容。在PCB底部添加额外的高质量100pF和100nF陶瓷电容可大大提高性能。

当用手指或螺丝刀触摸电弧时，会导致GaN模块失效。到目前为止，其原因尚不清楚。也许是EMI的问题，也许布局不好。暂时不要触摸弧线太长时间。

V1.6（或V2.0？）的想法

4层设计，改善地面回路

将按钮连接到BOOT0和GPIO，因此不需要额外的跳线用于初始化

使用相位超前补偿，用于过流保护的初级电流反馈和具有较小传播延迟的反馈，以实现更好的零电流切换

物理MIDI输入和输出插孔

组件

1×主板pcb与SMD部件组装

1×顶部pcb线圈

1×Kapton胶带

1×底部pcb线圈

反激式升压转换器

使用GaN全桥、反激式转换器将5V输入电压升至40-50V。 由于特斯拉线圈的匝数比已达到最大值，获得更高输出电压的唯一方法是输入更高的电压。 反激式转换器不像传统变压器那样，它与升压转换器的工作方式一样：变压器充当耦合电感器，在气隙中存储磁能。 输出电压与匝数比无关，可以达到（理论上）无限高的输出电压。唯一的区别在于，通过精心选择的匝数比，与简单的升压拓扑相比，效率可以大大提高。
用于开关mosfet的PWM由STM32生成。 STM32可以完全控制输出电压，允许缓慢提升输出电压，否则，可能使USB过载。

死区电路

当半桥设计中的两个开关同时导通时，发生击穿。这通常不会是故意产生的，而是在切换期间的bug：如果你在关闭一个的同时打开另一个开关，由于时间延迟不匹配，可能会发生在很短的时间内，两个开关都闭合，通常会导致双方都故障。为了抵消这个事故，可以增加一小段时间，让两个开关都断开。

尽管LMG5200已经集成了大量的电路，但缺少的是死区时间逻辑。德州仪器认为这是一个优势，因为它使设计人员可以自由地控制半桥中的两个单独GaN器件。但是，如果同时打开它们，它就会烧坏两个GaN Fets。

我没有意识到，在我的第一次尝试中，添加死区逻辑导致了火花的产生。电路非常简单：两个三输入AND门通过反馈信号工作，一个反相，另一个不反相。此外，STM32驱动两个AND门。添加了光耦合器，将STM32与特斯拉线圈的电子元件分开：与驱动LMG5200相关的所有的GND都位于单独的地平面上，仅通过LMG5200本身连接到电源地。这也是因为LMG5200的快速切换会引起电压尖峰，从而导致不稳定。光耦合器用于将这些连接隔离。

第三个输入是彼此反相输出的AND门：它们中只有一个可以输出高电平，因为它们相互阻塞。由于信号必须首先通过反相器以启用另一个AND门，所以反相门的延迟时间作为死区时间加到信号上，其中两个AND门输出都为低。

反馈信号恢复

特斯拉线圈以其自身的谐振频率运行。然而，这不是固定值，它在操作期间发生了很大的变化：趋势中的金属量以及特斯拉线圈产生的非常大的电弧形成了额外的电容，降低了谐振频率。遵循这些变化的最简单方法是以自谐振模式操作线圈：测出线圈的输出，放大并作为正反馈反馈到驱动电路。这导致谐振频率处的无阻尼振荡。

有多种方式来恢复该反馈信号。最大的区别是它是从主谐振电路还是从次级线圈恢复的。

第一部分硬件设计

如前所述，线圈设计通常具有高谐振频率。对于传统的Si-MOSFET，很难在此频率下构建高效的全桥。这主要是因为mosfets的高栅极电荷和开关损耗。

如果使用E类拓扑，即使在这些频率下也可能产生火花。然而，在这种工作模式下，mosfet处于线性模式并具有非常高的功率损耗Daniel Eidhoven通过在射极跟随器中使用双极晶体管解决了这个问题。这样就允许了快速切换和小延迟。但是，要驱动这些功率晶体管，您需要另一个驱动器来输出全摆幅的电压信号。 Daniel为此使用了mosfet驱动器IC。使用的这个器件，仅限于32V电压。而且效率并不高。

为了克服这些问题，GaN和SiC开关需要一些特殊的栅极驱动器（例如，输出电压为-6到10V。负电压有助于在关断期间使栅极偏置）尽可能靠近到开关。德州仪器通过开发具有两个半桥配置的内部GaN开关的器件克服了这一问题，该开关包括所有必需的低侧和高侧栅极驱动器。你可以购买这些设备，每个9美元。

我们可以将设计分为五个模块：

STM32微控制器

反激式升压转换器

反馈信号恢复

死区电路

GaN全桥

修订

（三个选定的修订设计。从左到右：V1.0,2018-11-22 - 没有死区时间，电源布局不良; V1.3,2018.12.22 - 死区时间，第一个电弧，GaN在1-20分钟后随机死亡; V1.5,2019-12-04 - 性能良好，可靠性好 - 仍有优化空间;）

总共需要6次修订才能获得当前的性能和可靠性。这主要是由于使用GaN开关带来的非常挑战性。如果我首先按照数据表中的建议，可以避免一些pcb修订。通常，您可以将设计指南和最大额定值解释为“建议” - 在GaN和SiC设计方面绝对不是这样。当TI写关于“尽可能接近”放置元件时，就像它们在数据表的第10,13,14,15和16页上所做的那样 - 总共8次！ - 他们真的，真的是这样的意思。 “关闭”并不意味着“附近”。 “关闭”并不意味着“就在它旁边”。就低寄生电感而言，“关闭”意味着：在电路板的相对侧，正好位于相应的焊盘下方，与可以粘在那里的多个过孔连接。

我必须以艰难的方式学习 - 我可能已经烧了10个LMG5200模块。

STM32微控制器

（原理图符号USBLC6-2SC6，它看起来像USB DN和DP短路 ，但我使用的是USBLC6-4SC6。我很快就会解决这个问题。）

我在这个项目中使用了STM32F072，这是STM32系列中我最喜欢的型号之一。 STM32F072价格便宜，具有ARM M0内核，并通过USB帧的时钟恢复/同步，支持无晶体USB操作。 所以你可以使用微型USB和许多STM强大的定时器外设，并以低于1美元的价格，而且只需要很少的外部元件。 我使用的是QFN版本，因为我发现焊接比QFP更容易。

此外，STM32F072还有一个DFU

线圈设计

特斯拉线圈，更具体地说是双共振固态特斯拉线圈（DRSSTC）的工作原理，已经有很多文章说明了，不再赘述了。
基本上，特斯拉线圈由空气耦合变压器组成，具有非常高的匝数比。 低AC输入电压转换为高AC供电，即，在双谐振系统下，通过电共振效应放大。 这个高电压集中在一个小尖端，其中局部磁场强度足以使空气电离并产生电弧。

我们将设计分为两部分，无源变压器和驱动它的电子设备。 让我们先从变压器开始。

大多数人可能已经看过特斯拉线圈

这些设备的高度通常小于1米，但几乎都大于10厘米。这有一个很好的理由：由于变压器没有空气以外的磁芯，并且线圈也有一些限制（通常在200-1000范围内），二次谐振频率由两个绕组的电感和顶部电极到地的电容决定，LC振荡器仅由几何形状限定。对于30cm的线圈，将在200-300kHz的范围内。

这是第一个问题：构建更大的特斯拉线圈实际上比非常小的更容易。对于DRSSTC，驱动变压器的电力电子设备通常基于IGBT开关，有时是MOSFET。即使采用非常现代的硅基开关，开关损耗也会在> 1MHz的频率下大幅增加。作为参考，大多数电机控制器使用15-25kHz。您的笔记本电脑电源不超过200kHz。我的线圈设计为2.6Mhz。

通常，在塑料管周围使用隔离磁线作为次级线圈。优点就是，当电压朝向线圈顶部增加时，朝向敏感功率电子器件和底部的初级绕组的距离也增加。然而，制造这些线圈需要大量的手工工作。

然而，PCB已经变得非常便宜。您可以在中国制造商处以5美元的价格购买10个100x100mm双层pcbs。根据大多数制造商的要求，它具有5mil线宽和5mil间距，这使您可以在100x100mm pcb上绕上90圈。

这些线圈没什么特别之处。它实际上只是一个从外到内的巨大螺旋。我在中心放置了一圈白色丝印，增加了隔离度。初级绕组是单圈。我也尝试了两圈和三圈的pcbs来测试。但是由于次级线圈已经很低（190），你想获得最大的转换比率。初级绕组通过焊盘连接到XT60高电流连接器，并且中间绕组的中心有一个焊盘，低压侧有一个电镀安装孔，用于将基点连接到电子元件上，用于信号恢复和接地。

但是，我无法在KiCAD中为此创建gerber，因为它插入了不清楚的分辨率圆圈。我试过svg到gerber转换器，但也失败了。我最终启动了我的Windows VM，只能使用Altium Designer来创建文件。幸运的是，我没有必要经常更改这些文件，你可以在GitHub上找到gerbers。