逆向工程高端焊台

（这是baragol撰写的原始文章的翻译）

我们有一堆主要PCB的照片，一个带有MOSFET漏极电压波形的YouTube视频，一个有关LC电路电容器电容值细分的论坛帖子，还有许多解开视频，它们显示了MOSFET的发热情况。烙铁头。 唯一让我担心的是带有加热过程中峰值功耗测量值的视频。 世界上没有什么比从亚马逊以60美元新购置的燃烧弹更无奈，不负责任和堕落了。 但是，让我从头开始。

主题介绍

要了解我们今天要设计哪种设备，首先让我们简要回顾一下所提供的焊台类型以及它们之间的区别。

您可能已经猜到了，该设备的整个低端价格都归中国品牌所有，这些品牌很大程度上模仿了日本烙铁Hakko相当成功的设计。 原始模型及其大量复制品背后的操作原理非常简单：镍铬合金或薄膜加热器将其热量传递到可拆卸的焊嘴，其温度由加热器中内置的热电偶单元或热敏电阻调节。 这是一个简单且便宜的解决方案，但其质量在中国仿制品中可能并不完美，例如，尺寸略有错误的加热器，尖端的材料稍便宜，所有这些都导致必须将加热器包裹在铝箔中，从国外订购原装的日本烙铁头，用功能更强大的烙铁头替换接头...换句话说，您很快就可以将盘子装满。

价格范围的中间位置是来自著名西方品牌的原始焊台。 德国的ERSA，美国的Weller，日本的Hakko-这样的品牌。 它们的工作原理基本相同，只是您并不需要真正地利用它们的资源。 它们包括开箱即用的好东西，例如柔软的硅缆线，即使丝毫不接触烙铁也不会融化，而且……实际上，好东西并不多！ 价格？ 兑现承诺。 花数百美元购买这些东西，不仅会使一个热衷于晚上整修硬件的DIY爱好者感到沮丧，甚至会使一个中等规模的企业感到沮丧。

但是，今天的文章是关于不同的东西。 我将告诉您有关焊台世界中真正的高端现象，即Metcal的美国制造感应电烙铁（目前由OK International以该品牌生产）。 实际上，有几家公司正在生产这些设备，例如，除了梅特卡尔（Metcal）之外，我还可以提及Thermaltronics，JBC甚至是出售类似设计的Hakko。 这些设备中感应加热器的操作设计非常优雅：



如您所见，它没有任何温度传感器。 它的烙铁头由具有铁磁涂层的铜制成，当暴露于高频（13.56 MHz）交变磁场时，它会被加热，然后在一定温度（称为居里温度）下失去其磁性并停止运转进一步加热。 当您触摸焊接点时，铁磁物品会部分散失热量，电感器会立即开始将其功率传输到焊接头。 墨盒具有四个固定温度，您实际上只需要两个固定温度-用于有铅和无铅焊接。 仅此而已。

OKI / Metcal生产了几种型号的感应焊台，它们的价格不同，输出功率也不同，但是，无论看上去多么漂亮，1000美元的价格范围都使人们无法利用这种漂亮的设备。 这使我想到了省钱的想法！

问题

让我们这样说：仅使用公开可用的资源，对原始设备MX-5200进行虚拟反向工程，最后设计出消费级的单通道高频波形振荡器，其输出功率为80W，它将尽可能地复制原始焊台的功能。

如果您进行一些在线搜索，您会轻松找到上一代Metcal MX-500工作站的示意图 ，该示意图是从其PCB上仔细复制的。 由于该设备的输出功率仅为40W，因此无法直接执行该图中的设计思想，因此无法轻松放大。 但是，此旧图表将帮助我们了解关键部件的操作。

因此，在图中可以看到以下元素：

1. 具有三个输出谐振电路的大功率高频发生器；
2. 脉冲降压转换器，用于为发电机（1）供电，输出电压范围为17-21V；
3. 反馈电路根据发电机（1）的输出谐振电路之一上的电压来调节降压转换器（2）的电压；
4. 保护电路，用于在感应器断开的情况下关闭发电机（1）；
5. 变压器电源单元，输出电压为53V。

让我们快速考虑一些常见的电路设计解决方案。 例如，电路可以由低频环形铁芯变压器供电。 等等，让我们宁愿使用谐振LLC变压器和Power Integrations的稀有芯片HiperLCS：我长期以来一直打算使用它。 让我们也使用一个最新的降压变压器来控制输出功率，看看是否可以从SO-8封装中获得5A的电流。 请稍等，没有Arduino，草图和LED，项目可以生存吗？ 我们还要添加一个STM32芯片和一个小显示屏，以显示当前的输出功率。 为简单起见，我们将测量HF发生器电源电路中的功率； 至于效率，我们会在软件中考虑（或忽略）。 我们将使用尺寸合适的金属外壳，该金属外壳将同时用作屏蔽层和散热器。



对于实际的焊接，我将去亚马逊购买Metcal MX-UK1升级套件，包括工作台和烙铁本身（只是连接到电线的手持件），以及焊接盒。 根据我的工作经验，我发现用30°蹄形烙铁头处理小物品会更容易，对于焊接更大的物品，我会选择更宽，更重和更热的物品，所以我的选择是：Metcal SMTC-0167精细焊接和用于大型项目的Thermaltronics M7K100。 顺便说一下，更便宜的Thermaltronics吸头也可以解决问题。



在运输物品时，我将在项目中绘制该设备的流程图。



概述高频发生器的输出与降压转换器的控制输入之间的反馈非常重要。 问题是，在将焊嘴加热到工作温度后，振荡器会继续输出相当高的振幅电压（约100V），并且所产生的功率开始耗散在电感线圈的有源电阻上，这归因于皮肤效果，远高于普通万用表可以记录的效果。 结果，微小的线圈发红并燃烧掉。 为了防止这种情况，原始站点使用了负反馈，以响应电感器阻抗变化带来的不断增加的驻波比而降低振荡器的电源电压。 40W模型使用US4626767A专利中相对简单的方法，而80W模型使用涉及电流互感器的更复杂的反馈。 让我们看一下您可以在网上找到的这段视频：



蓝线显示了HF发生器输出级上的电源电压，正如您从视频中看到的那样，我们需要使电源电压至少能够增加两倍（相应地，输出功率将为与电压平方成正比（即电压值的四倍）增长。 由于使用LTSpice建模的简单反馈电路未能成功确保相同的稳压质量，因此我只是从PCB图片中复制了反馈电路。

高频发生器

首先开始设计输出谐振电路，让我们开始设计高频模块。 看看这张高分辨率照片：



您可以看到三个缠绕在黄色环形磁芯上的线圈，分别从左到右分别旋转了4、6和7圈。 根据Amidon的分类系统，黄色用于铁心磁芯为8.5的粉末铁芯（材料＃6）。 可以通过以下方法计算线圈的大小：首先使用标尺测量屏幕上线圈的直径，然后将其与某些易于识别的组件（例如TO-247封装中的输出晶体管）的尺寸进行比较。 显然，该设计使用了T130-6内核。 在我看来，这有点过头了-如此大的环形线圈旨在获得更高的功率。 但我无意在这里穿时髦的裤子：我当然买不起美国原装的核心，所以我将从速卖通订购它们的廉价中文副本，看看它们是否能胜任（破坏者警报：他们做得很好） 。 它们的电感值分别计算为180、400和540 nH。

在谐振电路中，电感器与电容器一起工作。 我们无法从照片中得出它们的电容值，但是我们可以很容易地找到点点滴滴的mikeselectricstuff（上面视频的作者）张贴的消息，他很喜欢分享他的观察结果（以黄色突出显示）：



将这些值提供给spice模型后，很明显，电路的谐振频率稍微偏离了13.56 MHz。 问题是，频率越接近自谐振频率，为HF发生器供电所需的电压就越少，其电流消耗也就越高。 原始设计使用具有3A电流限制的降压转换器为输出级供电，因此设计人员将输出级略微脱离谐振，从而能够增加电源电压并减少电流使用。 另一方面，我们正在计划使用5A芯片，但是在谐振模式下，它的电流却不足，因此我们将输出级同样地稍微退出谐振。 根据输出电路的最大电源电压（22V）和最大电流使用（4A）的项目限制，我们将通过实验找到确切的电容值。

注意，相当多的能量在谐振电路中流动，渴望以热的形式释放到环境中。 因此，为了增加Q因子，我们在线圈中使用相当粗的漆包线（1.25mm），并并联连接多个电容器。

选择正确的输出晶体管是另一个令人困惑的问题。 万一更换或卸下墨盒，过电压可能会飙升至300-350V，但原始设计的作者选择不打扰复杂的保护，只为输出级配备了一个非常稀有，快速而昂贵的RF晶体管IXFH12N50F。 IXYS的漏极电压限制为500V。 我们买不起这么奢侈的东西，所以让我们以一个仅售半美元的标准200V场效应晶体管STP19NF20与150V浪涌抑制器并联将其连接。 太好了！ 抑制器将略微切断谐振电路的电涌，使它们不会过度摆动，而保护模块将在负载消失后约10ms内使振荡器停止工作。



由于大的输入电容和高频，我们无法使用常规的栅极驱动器直接控制输出晶体管的栅极。 原始板的照片显示了两个功率晶体管之间的无铁芯电感器线圈。 这是一个常用的小技巧：与栅极-源极电容一起，电感器产生一个谐振电路，该谐振电路维持跨过栅极电路的能量流，从而导致前置放大器的效率激增。 同时，同一电路对输出晶体管的可能模型施加了隐式限制：其栅极电阻值必须尽可能低，以保持电路的合理Q因子。 在不赘述的情况下，让我们复制制造商的解决方案。 我们将通过收紧/拉伸线圈绕组，根据实际电路的最大效率选择合适的电感值。

从那时起，电路设计变得越来越琐碎。 我们将使用双驱动器MAX17602驱动具有低输入电容的IRF510晶体管周围的前置放大器，因为它的速度特性看起来不错。 MAX17600或MAX17601甚至可以更好地工作，我们可以并行连接它们的输出，但是我没有立即可用的输出，因此我们将使用已有的任何东西。

正确的振荡频率将由晶体谐振器设置。 不幸的是，我找不到有源振荡器的13.56 MHz晶体。 但不用担心，我们将使用更常用的27.12 MHz谐振器并将频率减半。 我们将充分利用微控制器，或者充分利用其相应的计时器之一。 我还应该提到，MCU只能直接连接到以晶体基频工作的晶体谐振器。 常用的俄罗斯第三谐波27.120 kHz谐振器只能通过额外的谐振电路形式的快速连接来连接。

电源供应

在对中国制造的产品进行了一系列无结果的实验​​之后，我决定使用基于TI TPS54560芯片的降压转换器为HF振荡器的输出级供电 。 为了防止出现任何可听见的节拍，我们将内部振荡器频率设置为约450 kHz，与LLC转换器的工作频率范围相距一段距离。 或者，我可以做相反的事情，即将降压转换器与LLC转换器的振荡器同步，但是那时我变得很懒，所以我放弃了这个想法。

TPS54560转换器本身尽管尺寸很小，但仍具有显着的输出电流值，因此有时您可以想象这在为提高能效而进行的努力中取得了前所未有的进步...然而，实际上，确实需要适当地冷却芯片。 德州仪器（TI）提供的演示板在两侧包含两个大的2oz厚的接地层。 芯片底部正下方的六个通孔（具有散热引脚）确保了层间的热传递。 这样的布局使制作DIY板变得有些困难，因此我显然必须从中国制造商处订购。 臭虫！

为了给驱动器和前置放大器供电，让我们从LLC转换器的第二个线圈上取下12V非稳压电压。 板上其他部分的电流消耗可以忽略不计，因此，要为5V控制器供电并点亮LCD显示屏，我们将使用国产的线性稳压器KR142EN5A，而用于MCU的3.3V线路将由小型LD2985 。

为了将线电压降低到所需的30V和12V，我们将采用基于LCS708HG芯片的LLC转换器。



我敢肯定，许多读者想了解有关LLC转换器的更多信息，所以我将更详细地解释其工作原理。 LLC并不是一个缩写，因为这些字母代表“电感-电感-电容器”，并且简而言之，实现了用于连接变压器一次绕组的电气设计。 关键是，有时初级绕组产生的磁通的某些部分可能不会链接到次级绕组，这会导致所谓的漏感-杂散电感，该杂散电感无法将累积的能量传递到次级电路。 在标准反激式转换器中，这种能量必须消散在抑制器或缓冲电阻器上，因此通常以尽可能减小漏感的方式设计变压器（或更具体地说，是双线圈扼流圈）。 然而，LLC完全不同。

在谐振转换器中，漏电感与串联连接到初级绕组的电容共同构成了一个振荡电路，解决了两个重要问题。 首先，它以接近零的电压值对转换器的输出高压晶体管进行开关（所谓的零电压开关，ZVS），这大大降低了由开关引起的能量损耗。 其次，未耦合电感器中积累的能量流回电路，因此实际上不需要任何能量损耗，因此无需使用缓冲器。 在其应用笔记AN-55中，Power Integrations提供了有关如何设计变压器以增加其漏感的详细概述（这是确保正确的变压器特性所必需的）。 例如，我在两个不同的部分中将缠绕的初级和次级匝宽分开：



通常，这种精美的布局设计会产生非常不错的效率值，例如，尽管具有微型尺寸，但没有散热器的LCS708HG芯片仍可提供约200W的输出功率！ 这是一个真正出色的结果，但是只有在完全以输出电路的自谐振频率运行时才能实现。 这就是渔获物所在的地方。

关键是，在这种情况下，通过改变脉冲频率而不是脉冲比率来调节输出电压，并且调节是在非常窄的电压范围内进行的，约为±15％。 此外，响应于输入电压与其标称值的波动，转换频率偏离了谐振，将硬开关模式强加于芯片内部的晶体管，从而使它们大量发热。 实际上，转换器需要在其输入端接收稳定电压！

在工厂制造的产品中，转换器的输入端配备有有源功率因数校正器（APFC），除了实际校正功率外，它们还保持约380-390V的输出电压。 但是毕竟，我们在这里处理的是DIY设计，所以我们很乐意忽略诸如对线路电源质量的敏感性之类的琐事。 根据计算结果，并考虑到缓冲电容上的电压脉动，输入电压范围约为230V±10％，因此，如果电网在标准范围内运行，则一切将正常运行。 让我们暂时留在那儿。

我们将从相关的数据表中复制其余的转换器设计。 我可能只关注谐振电容器-这个看似简单的组件。 如果您想知道聚丙烯薄膜电容器和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜电容器之间的区别是什么，答案就是：前者的损耗角正切小十倍。 这就是为什么我试图用更便宜，更小的PET型号K73-17代替笨重的K78-2（另一种国内生产的产品）引起一些奇怪的现象的原因：电容器过热并开始产生可疑的爆裂声。 有趣

HiperLCS系列的芯片需要专用的12V电源线。 为了省去增加附加绕组，整流器和启动电路的麻烦，让我们坚持教科书。 我们将从LNK304芯片上的另一个微型转换器中获得所需的电压。 它的主要特点是无变压器设计，因为我们需要的唯一电感是便宜的工厂制造的扼流圈。 最大输出电流保持在约100mA的小范围内，设计的简单性以及将组件数量保持在最少的能力使其成为有吸引力的解决方案（而每平方英寸表面的转换器数量正在开始让我紧张起来。.依者的上帝要求他们更多！）

脑子

好吧，还有几件事要做。 原始电台有一个LCD，按照您所支付的价格，它会显示输出功率的相似之处。 让我们做类似的事情：我们将采用最低配置的STM32F030控制器（采用TSSOP-20封装）。 A / D转换器的一个输入将测量HF发生器输出级的电源电压，而另一个输入将测量电流。 为避免断开接地电路，我们将电流检测电阻器连接到正极线上，并使用专用的INA138芯片实现电平转换，这是Burr-Brown在辉煌时期的设计。 为了显示信息，让我们使用WinStar制作的16x2分辨率的文本OLED。 简而言之就是这样。 等待，我们没有占用一个处理器引脚。 好吧，然后让它闪烁一个LED。 不要问我为什么。

控制器固件使用STM32CubeMX和IAR Embedded Workbench的免费版本以C语言编写。 该代码非常简单。 在系统计时器的滴答声中，每300ms一次，主循环从A / D转换器的两个通道读取数据，将它们相乘并作为功率读数发送到显示器。 在屏幕底部，功率值在使用自定义字体呈现的栏中可视化。 在关闭焊嘴时，来自负载检测器输出的中断处理程序将停止HF振荡器的参考计时器。 为了确保MCU不会发生死机或故障，我添加了用于处理硬件错误和看门狗定时器信号的处理程序。 该固件还采用了CSS（时钟安全系统）技术，在主晶体谐振器的振荡受潮的情况下，可切换到内置的RC振荡器并重新启动微控制器。 固件的总大小为10 KB。 我将固件的源代码以及其他项目文件上传到了GitHub ，以让您最好奇的来看看（但不要指望那里有什么特别的）。

布局图

项目附带的布局文件中提供了LLC转换器所有组件的计算，包括变压器绕组的电感值，您可以使用PI Xls Designer查看该文件。 我还提供了我在项目中使用的电子零件的所有数据表，上传了电路某些零件的LTspice模型，当然还提供了一些照片。

上述设计的结果是以下电气示意图：



该图和PCB布局是使用DipTrace编写的，图纸转换为Gerber格式，以便进一步发送给制造工厂。 使PCB布局紧密贴合设备外壳，整个一层覆盖有接地层，以屏蔽易碎的低电流电路。 这样的布局使在家中制作电路板变得容易得多，因为它不需要任何照片模板的精确对准：您可以用一个实体平面填充电路板的几乎整个背面，然后使用厚钻头钻出孔斜角不需要接地的引脚周围。





由于设计中使用的某些HF部件会发射大量的无线电噪声，并且功率组件很容易过热，因此我自然选择外壳材料。 我将从Gainta的目录中选择一个近似匹配的案例G0476。 我们将使用旋转工具为OLED切出一个窗口。 然后，我们将外壳与焊接电缆的屏蔽层和PCB接地直接连接到电源电缆的地线。

不幸的是，在我将PCB订单发送到制造工厂后，我想到了连接更多对比度的OLED而不是LCD的想法。 WinStar的WEH001602AGPP5N00001 OLED的输入CMOS电平与LCD的标准TTL电平不同，因此，向显示控制器及其照明提供+ 5V电压，然后从+ 3.3V供电的微处理器读取逻辑信号的技巧在这里不能工作。 我必须使用单独的电线将显示器连接到3.3V线路。

为了降低噪声，我在连接PCB和显示器的总线上安装了390 Ohm抑制干扰的电阻器，并用铜箔屏蔽罩覆盖了微控制器。 在正常操作下，编程连接器必须盖有阴部件，该阴部件通过电容将调试引脚和NRST引脚直接接地。

最后，我的设备获得了最终外观：



这是加热烙铁的结果步骤：

底线

现在，我们来总结一下这个小乐趣的花费：

电子元件-约50美元（最昂贵的是HiperLCS芯片为15美元和OLED为10美元）；
PCB制造，每10个成本。 -略高于$ 40；
案例-$ 8。

实际的高频电源装置的总成本约为100美元。 我还支付了一个带有工作台的烙铁（170美元）和两个墨盒（100美元）。

我当然可以在某种程度上优化支出，例如eBay有大量的二手Metcal零件，在这种情况下，我们谈论的只是几十美元，但这可能是个人喜好问题。

勘误

1. 晶体负载电容器网络的布线方式错误，并且对HF噪声非常敏感。 正确的方法是那样 。 感谢Alexander Chulkin所做的重要改进。
2. 不支持从操作站断开烙铁电缆的连接，因为有时它可能会重新启动微控制器。 值得考虑为HF部分引入一些其他屏蔽（不过我不确定100％）。

结论

现在，让我与您分享我在该项目中追求的最终目标-使用该设备获得的经验。 感觉就像在握着一个轻巧的小型工具时使用了非常强大的发红烙铁。 无论是值得花费的金钱和精力，这都很难说。 我将开这个问题。