XXXX年TI杯電子設計競賽論文.pdf

XK-14-XK-14-XK-14-XK-14-本本本本-D-D-D-D 2010201020102010 年年年年 TITITITI 杯杯杯杯 四川省電子設計競賽參賽四川省電子設計競賽參賽四川省電子設計競賽參賽四川省電子設計競賽參賽 作品作品作品作品 技術報告技術報告技術報告技術報告 高效數(shù)控恒流高效數(shù)控恒流電源電源 摘要摘要：本作品基于壓控恒流源設計，由 DC-DC 降壓變換模塊、電流控制模塊、 控制器、鍵盤及顯示模塊、負載保護模塊、開路檢測模塊等組成，具有很穩(wěn)定 的恒流效果。DC-DC 降壓變換模塊利用 TI 的 DC-DC 降壓變換芯片 TPS5430， 將 輸入信號降壓獲得輸出電壓。電流控制模塊由 CMOS 晶體管，通過對柵極電壓 的控制，得到不同的電流值。本設計利用硬件反饋調(diào)節(jié)的方法，大量減少了控 制器的運算量和執(zhí)行效率，恒流效果較高。 關鍵詞關鍵詞：恒流源；DC-DC 變換器；MSP430 單片機；反饋 Abstract:Abstract:The design is based on voltage-controlled current source. The constant-current power is made up of the DC-DC step-down transformation module, the current control module, controller, keyboard and display module, load protection module, open detection modules. It has a good effect of constant current. The DC-DC step-down transformation module using TIs DC-DC buck converter chip TPS5430. TPS5430 can receive the input signal step-down output voltage.Current control module consists of CMOS transistors, the different current valuethe controlled by different gate voltage .The design method of feedback regulation of the use of hardware, a significant reduction in the computation of the controller and the implementation of efficiency, and make constant effect is very high. KeywordKeyword：Constant current source,DC-DC converter ,MSP430 MCU, Feedback 摘要2 一、方案比較、設計與論證一、方案比較、設計與論證一、方案比較、設計與論證一、方案比較、設計與論證. .4 4 4 4 1.1 DC-DC 開關電源部分4 1.2 電流恒定控制部分.5 1.3 輸出電流檢測部分.6 1.4 控制電路部分.7 1.5 過壓保護部分.7 1.6 開路檢測部分.7 二、理論分析與計算二、理論分析與計算二、理論分析與計算二、理論分析與計算. .8 8 8 8 2.1 輸出電流 Io8 2.2 電流調(diào)整率 SI8 2.3 負載調(diào)整率 SR8 2.4 整機效率.9 三、系統(tǒng)設計實現(xiàn)三、系統(tǒng)設計實現(xiàn)三、系統(tǒng)設計實現(xiàn)三、系統(tǒng)設計實現(xiàn). .9 9 9 9 3.1 系統(tǒng)框圖.9 3.2 主要模塊電路.9 DC-DC 轉換模塊.9 控制模塊10 3.3 軟件設計.10 四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析. .111111 11 4.1 測試儀器：.11 4.2 測試方法：.11 4.3 測試數(shù)據(jù)：.11 4.4 數(shù)據(jù)分析：.13 五、總結五、總結五、總結五、總結. . 131313 13 參考文獻14 一、一、方案方案比較、設計與比較、設計與論證論證 1.11.11.11.1 DC-DCDC-DC 開關電源部分開關電源部分 方案一：采用 NE555 定時器產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號，再通過外部分立元件 構成降壓型 BUCK 拓撲結構，電路如下。由 NE555 構成的開關變換簡單容易實 現(xiàn)，但是 NE555 產(chǎn)生的 PWM 波頻率一般只能達到 100KHz 左右，因為輸出電壓 IO正比于開關頻率，所以如果要達到輸出電流最大 2A 的目標，用此方案是很 難實現(xiàn)的。 圖 1利用 NE555PWM 實現(xiàn) 方案二：采用高性能的電流模式 PWM 控制器 UCC28C40/UCC38C40 來實 現(xiàn)降壓變換。該芯片最大開關頻率為 1MHz，而且可以最快以 35ns 的啟動建 立時間。但是電路實現(xiàn)方法過于復雜，而且要用到變壓器，增加了電路板系統(tǒng) 的布局面積，同時也增大了輸出紋波。故不采用此方案。 方案三：采用 TI 的 DC-DC 降壓變換芯片 TPS5430 構成降壓電路，電路如 下。TPS5430 外部電路很簡單，只需很少的電感、電容、電阻即可實現(xiàn)。 圖 2TPS5430 BUCK 降壓電路 TPS5430 具有寬輸入電壓（10.8-19.8V） ，最高頻率可達 500Hz，輸出可低 至 1.2V，通過改變輸出電壓來實現(xiàn)恒流源，功率消耗相比同類芯片，有很大 優(yōu)勢。 所以本設計選用方案三。 1.21.21.21.2 電流恒定控制部分電流恒定控制部分 方案一：實時對輸出電流檢測，然后由控制器對檢測的電流處理，得到電 流值與設定值的偏差。如果實際電流值大于設定電流值，控制器控制 DC-DC 的 VSENSE腳使輸出電壓減小，直到實際電流值等于設定電流值；如果實際電流值小 于設定電流值， 控制器控制 DC-DC 的 VSENSE腳使輸出電壓增大， 直到實際電流值 等于設定電流值。 由以上步驟可使電流恒定在基于設定電流值附近的一個動態(tài) 平衡范圍之內(nèi)。此方案控制電路簡單，但是增加了控制器的運算量，而且電流 恒定效果并不是很理想。 方案二：采用 CMOS 場效應管構成壓控恒流源，再由控制器控制 DC-DC 的 VSENSE腳，逐步降低輸出電壓，直到達到場效應管的臨界值。電路原理圖如下。 此方案可以將整機效率提升至最高，但是相對于方案一，它更是增加了控制器 的運算量，而且由于 CMOS 管經(jīng)常工作于臨界值，使輸出電流波動很大。 圖 3MSP430 壓控恒流電路（無直接耦合反饋） 方案三：采用 CMOS 場效應管構成壓控恒流源， 但是反饋不再由控制器給出， 而是由硬件電路直接引出，電路原理如下。此方案極大的減少了控制器的運算 量。 控制器的工作就只是對電流的設定以及電流檢測。 而且相比以上兩種方案， 本方案輸出電流更穩(wěn)定，而且控制更方便，由于反饋與控制器無關，控制器的 死機電路不受影響，因而電路的可靠性更高。故選方案三。其中驅動運放采用 TI 的 LM358。 圖 4MSP430 壓控恒流電路（有直接耦合反饋） 1.31.31.31.3 輸出電流檢測部分輸出電流檢測部分輸出電流檢測部分輸出電流檢測部分 方案一：采用兩運放儀表放大器，電路如下。兩運放儀表放大器價格低廉， 并且在直流處擁有優(yōu)良的共模抑制比，但是由于輸入引腳的信號路徑不平衡 （一個輸入直接進入 A2，一個進過 A1 后才進入 A2） ，導致在頻率稍高時 CMRR 急劇惡化。 圖 5 儀表放大器電流檢測電路（雙運放） 方案二：采用三運放儀表放大器 INA2133AIPWR， ，電路如下。INA2133 輸入阻 抗非常高，共模抑制比非常好（CMMR=90） ，且?guī)?2000HZ。但是本設計采用 低端電流檢測，對輸入信號的電流檢測，由一個簡單的運算放大器組成的電流 檢測功能，也足以與儀表放大器相媲美。 圖 6 儀表放大器電流檢測電路（三運放） 方案三：采用差動放大器 IN143UA，將各種噪聲干擾抵消，同時利用精密 電阻 RS與負載 RL串聯(lián)， 將電阻 RS兩端電壓進行差分放大， 最后由控制器的 ADC 對其進行采樣。IN133UA 具有高達 80dB 的共模抑制比，而且可以接收大于供 電電壓的輸入共模電壓，并且電路組成簡單，所以選用此方案。 圖 7 INA143UA 電流檢測電路 1.41.4 控制電路部分控制電路部分 方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機，在利用外圍 ADC 以及 DAC 完 成系統(tǒng)反饋功能。AT89S51 開發(fā)簡單，初學者容易上手，但是自帶外圍模塊較 少，需外接很多元器件。 方案二：采用 FPGA，F(xiàn)PGA 資源豐富，可實現(xiàn)靈活的編程控制。但是 FPGA 功耗較大，不適于開發(fā)低功耗電源。 方案三：采用 TI 公司的 MSP430F169 單片機，MSP430 單片機擁有相同領域 最低功耗，而且內(nèi)部集成了 ADC、DAC 等眾多外圍器件，因此在性價比、功耗、 速度方面很有優(yōu)勢。故選用方案三。 1.51.51.51.5 過過過過壓壓壓壓保護保護保護保護部分部分部分部分 本部分采用 TI 的比較器 LM393，對 DC-DC 輸出進行過壓保護。通過電源 分壓給比較器 LM393 同相端一個參考電壓， 然后通過對 DC-DC 輸出的分壓給 比較器 LM393 反相端，從而實現(xiàn)了過壓保護的功能。同時比較器的輸出接 DC-DC 的 EN 端，當 DC-DC 輸出小于 11V 時，比較器 LM393 輸出高電平， DC-DC 變換器正常工作；當 DC-DC 輸出超過極限值，比較器 LM393 輸出低 電平，DC-DC 變換器停止工作。如果過壓后輸出調(diào)整，則比較器 LM393 恢復 高電平，從而實現(xiàn)了過壓保護自動恢復的功能。 圖 8 過壓保護電路 1.61.61.61.6 開路檢測部分開路檢測部分開路檢測部分開路檢測部分 本部分采用控制器給出檢測電平，通過模擬開管 CD4066 構成輸出回路， 電路原理如下。首先，上電瞬間，控制器工作給 DC-DC 變換器的 EN 端低電 平，使 DC-DC 變換器停止工作。然后打開模擬開關，控制器給出一個檢測電 平。如果有負載，則控制器可以接收到檢測電平，同時控制器給 DC-DC 變換 器的 EN 端高電平，讓 DC-DC 變換器開始工作；如果沒有負載，則控制器不 能接收到檢測電平，同時控制器繼續(xù)給 DC-DC 變換器的 EN 端低電平，讓 DC-DC 變換器停止工作。 圖 9 開路檢測電路 二、理論分析與計算二、理論分析與計算 2.12.12.12.1 輸出電流輸出電流 I Io o 輸出電流Io由 DAC 輸出以及 DC-DC 最大輸出電壓決定。 題目要求輸出電 流Io可調(diào)范圍：200mA2000mA，因為采樣電阻為 0.1 歐姆，那么 DAC 輸出 200mV 的時候，并且最大輸出電壓可達 10V，則電流可輸出為 2000mA。根據(jù) TPS5430 給出的數(shù)據(jù)手冊： Vout(max)=0.87(VinMIN-IoMAX*0.230)+VD)-IoMAX*RL-VD 當 VinMIN=12V,IoMAX=2000mA,VD=0.2V,RL可忽略不計，最終得出，Vout(max) 約等于 10.4V。故輸出電流是可以在 200mA2000mA 可調(diào)的。 2.22.22.22.2 電流調(diào)整率電流調(diào)整率 SISI 電流調(diào)整率SI指Ui在指定范圍內(nèi)變化時，輸出電流Io的相對變化率，即 i i o o I U U I I S =。則設定 Ui=15V，則 Ui的變化值Ui為 3V，Io=1000mA,SI4%， 則可得 Io的變化值Io為 8mA。 2.32.32.32.3 負載調(diào)整率負載調(diào)整率 SRSR 負載調(diào)整率SR指輸出電壓Uo在指定范圍內(nèi)變化（改變負載）時，輸出電 流Io的相對變化率，即 o o R I I S =。由題知 SR=4%,Io=1000mA，則 Io的變化值 Io為 40mA。 2.42.42.42.4 整機效率整機效率 整機效率=Po/PI，其中PoUoIo，PIUiIi。 三、系統(tǒng)設計實現(xiàn)三、系統(tǒng)設計實現(xiàn) 3.13.13.13.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖 如圖 10，系統(tǒng)輸入在 12-18V 內(nèi)變化，通過 DC-DC1 降壓變換器得到 DC-DC 輸出經(jīng)過負載得到電流。電流的恒定控制是利用控制器 MSP430F169 的鍵盤輸 入值，實現(xiàn)數(shù)控功能。根據(jù)設定值，設定 DAC 輸出電壓值，通過驅動場效應管 來實現(xiàn)恒流控制。MSP430F169 通過讀取采樣電阻返回的誤差的偏差值，來校 正輸出電流。同時，還可以實現(xiàn)空載檢測以及過壓保護功能。 輸 入D C-D C1 M SP4 3 0 電 流 檢 測 負 載 驅 動場 效 應 管 空 載 檢 測 采 樣 電 阻 開 路 檢 測 D C-D C2 顯 示鍵 盤 圖 10 系統(tǒng)設計總框圖 3.23.23.23.2 主要模塊電路主要模塊電路 DC-DCDC-DC 轉換模塊轉換模塊 如圖 11，DC-DC 模塊是利用 TI 公司的 TPS5430 降壓芯片。TPS5430 是 內(nèi)置場效應管的 BUCK 芯片，故只需在芯片外部加上 BUCK 續(xù)流拓撲即可。 圖 11DC-DC 電壓轉換電路 控制模塊控制模塊 控制模塊由控制器、電流檢測、空載檢測、過壓保護等部分構成?？刂?器采用 TI 公司的低功耗單片機 MSP430F169，電流檢測由 TI 公司的差分放大 器 INA143UA 構成，其中恒流驅動采用 TI 的運算放大器 LM358，過壓保護采 用 TI 的專用比較器 LM393。 圖 12 系統(tǒng)控制模塊電路圖 3.33.33.33.3 軟件設計軟件設計 系統(tǒng)的程序控制部分由單片機 MSP430F169 完成， 主要用來控制對電流的設定 控制和對電流誤差的校準，以及顯示功能。 圖 13 圖 14圖 15 開始 初始化 休眠 等待中斷 ADC 采 樣中斷 讀取 采樣值 采樣電 流顯示 調(diào)整電 流誤差 返回 按鍵中斷 讀取鍵值 KEY=？ 返回 電 流 微 調(diào)（+） 電 流 微 調(diào)（-） 電 流 粗 調(diào)（+） 四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析 4.14.14.14.1 測試儀器：測試儀器： (1) 穩(wěn)壓電源，輸出電流 5A，030V； (2) 電阻 5，20W； (3) 電阻 1，10W； (4) 滑線電阻器（ 2A，050） ； 4.24.24.24.2 測試方法：測試方法： (1)Ui從 12V 變到 18V 時，電流調(diào)整率SI (2)改變負載電阻，輸出電壓在 10V 以內(nèi)變化時，負載調(diào)整率SR (3)輸出噪聲紋波電流30mA (4)整機效率 (5)步進=10mA，輸出電流與給定值的相對誤差 4.34.34.34.3 測試數(shù)據(jù)：測試數(shù)據(jù)： 表 1 電流調(diào)整率SI Ui1212.51313.51414.515 SI0.030.010.030.020.010.010.00 Ui15.51616.51717.518 SI0.020.010.010.020.030.03 表 2 負載調(diào)整率SR RL11.522.533.544.55 SR0.010.010.030.020.020.010.020.010.02 1.紋波電流：Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA 時，輸出紋波電流=14mA。 2.整機效率：Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA 時，整機效率=75%。 表 3 步進=10mA，輸出電流與給定值的相對誤差 IoSet200210220230240250260270280 IoReal201210223231239249260270281 IoSet290300310320330340350360370 IoReal292298310319331341351361370 IoSet380390400410420430440450460 IoReal380389398409420431441452461 IoSet470480490500510520530540550 IoReal471481492500510520529541551 IoSet560570580590600610620630640 IoReal561570582590601612623632643 IoSet650660670680690700710720730 IoReal652662673682692703713723732 IoSet740750760770780790800810820 IoReal743753752772781792804813823 IoSet830840850860870880890900910 IoReal832841852862873882892903912 IoSet9209309409509609709809901000 IoReal9219329419539629719839921001 IoSet101010201030104010501060107010801090 IoReal101210211030104210521063107210831091 IoSet110011101120113011401150116011701180 IoReal110211101123113111421152116211731181 IoSet119012001210122012301240125012601270 IoReal119312021210122312311242125112601271 IoSet128012901300131013201330134013501360 IoReal128112911301131212231331134013511363 IoSet137013801390140014101420143014401450 IoReal137313811392140414121424143314431452 IoSet146014701480149015001510152015301540 IoReal146214731484149215031512152415341544 IoSet155015601570158015901600161016201630 IoReal155415621573158215941602161316231634 IoSet164016501660167016801690170017101720 IoReal1644165316631674168316