高效數(shù)控恒流電源（D題）報告.doc

本文檔系作者精心整理編輯，實用價值高。2010年TI杯四川省大學生電子設計競賽D題：高效數(shù)控恒流電源 設 計 報 告日期：2010年7 月 22 日高效數(shù)控恒流電源（D題）摘要：本次設計以TI的MPS430F156單片機為控制核心，結合浮珊型驅動MOS管驅動芯片IR2101，PWM控制器TL5001和N溝道場效應管IRF7832，設計并制作了基于Buck-Boost升降壓電路的高效數(shù)控恒流電源。本系統(tǒng)電路一共分為三部分：系統(tǒng)主控及按鍵顯示部分、恒流產(chǎn)生受控電路和PWM驅動控制電路。對于單片機，主要用于電流、電壓采樣及其數(shù)據(jù)處理和控制、顯示。采用超低功耗的單片機和液晶顯示及單片機自帶AD/DA，能從本質上減少了設計本，并提高系統(tǒng)效率。由單片機產(chǎn)生的控制信號控制TL5001產(chǎn)生頻率固定、占空比可變且可靠的PWM波，最終由MOS管驅動芯片IR2101產(chǎn)生同步方波控制信號驅動場管的通斷，實現(xiàn)數(shù)控恒流，從而完成題目的要求。關鍵字：MPS430F156單片機，超低功耗，MOS管驅動芯片，PWM控制芯片，場效應管一、方案選擇與論證1、總體方案該設計要求在輸入電壓Ui為15VDC(波動范圍12V18V)及電阻負載條件下，使電源滿足輸出電流Io可調范圍：200mA2000mA；最大輸出電壓Uomax=10V；發(fā)揮部分要求輸入電壓波動范圍為8V20V；具有上電前輸出開路檢測并報警顯示功能等。當輸出為2A負載為5的時輸出電壓要求輸出為10V，當輸入為8V的時候就要求我們對輸出電壓進行升壓。因此我們選擇串聯(lián)開關電路形。方案一：選用可編程邏輯器件產(chǎn)生PWM，來實現(xiàn)對MOSFET驅動芯片的控制，實現(xiàn)對MOSFET的開斷來控制輸出電壓的變化。方案二：采用單片機作為核心控制器件，控制PWM控制芯片產(chǎn)生占空比可調的PWM波，由場管驅動器控制MOSFET 的通斷。通過控制PWM波的占空比控制輸出電流。電流輸出效率高，PWM控制精度要求高，但是輸出紋波較大，需要附加濾波電路。方案比較：方案一采用Atmel公司的Cyclone作為核心控制芯片，產(chǎn)生PWM波給MOSFET驅動芯片，Cyclone晶振可達40MHz,完全可以為開關管提供足夠的開關頻率，但FPGA難以對死區(qū)電壓進行控制，也難以實現(xiàn)同步開關。因此容易燒壞MOSFET開關管。方案二采用單片機為核心控制，MSP430F1612單片機內部帶AD和DA，可以通過控制PWM控制芯片達到相同的效果，且其具有超低功耗的優(yōu)勢。因此我們可以對MSP430單片機內部資源來進行充分利用，并且此次設計的重點是降低功耗，MSP430單片機為我們提供了有利的硬件資源。因此我們選擇方案二。方案二的框圖如圖1所示圖1 總體方案框圖2、DC-DC變換器的場管驅動控制芯片選擇方案一：采用由IOR公司生產(chǎn)的IR2101作為驅動芯片，該芯片為MOS管高低邊驅動芯片，提供兩路分別控制PWM控制輸入輸出，芯片最小工作電壓可低于8V，屬于寬電壓驅動芯片。方案二：采用由TI公司生產(chǎn)的TPS2830和TPS2831的驅動芯片，該芯片為單輸入，雙輸出，兩個輸出信號高低電平相反，其中，TPS2830輸入端內部自帶非門，而TPS2831內部不帶非門。芯片最小工作電壓為4.5V。鑒于本次設計輸入電壓范圍為：820V，而TPS系列的驅動芯片BOOTLO端對地的電壓最大不能超過16V，如果采用方案二，將出現(xiàn)高電壓輸入燒管的危險。而IR2101兩路穩(wěn)定輸出成功克服了上述問題。所以為使正常安全運行，選擇方案二。3、電流采樣方案電流采樣是將電流信號轉換為電壓信號進行處理，即在輸出主回路中串聯(lián)一個小電阻進行采樣，本次設計采用康銅絲組成的20m的采樣電阻，將回路中200mA2000mA電流轉換為4mV40mV的電壓信號。對產(chǎn)生的電壓信號的處理方案如下：方案一：使用TI公司生產(chǎn)的儀用運放INA133對電壓信號放大50倍（200mV2V），再使用單片機內部12位AD進行電壓采樣，即可以反映主回路電流信號。方案二：使用有MAX公司生產(chǎn)的高端電流檢測放大器MAX4173, 它采用單電壓2.7V至28V的供應和消耗僅為30uA，貼片封裝節(jié)省空間。它具有電壓輸出，減少了對增益設置電阻。方案對比：儀用運放雖然也為低功耗，但其工作電壓范圍較窄，勢必將增加穩(wěn)壓芯片為其供電，并且還要設置增益電阻，增加了電路設計的難度和精度；而MAX4173正好克服了這些缺點，其配合康銅絲采樣電阻構成穩(wěn)定采樣比且結構簡單的電流采樣電路所以選擇方案二。二、系統(tǒng)具體設計與實現(xiàn)1、PWM波的產(chǎn)生和控制PWM波的產(chǎn)生和控制采用TI公司的PWM控制芯片TL5001，PWM波的頻率由RT控制，占空比可通過固定DTC端的電壓來確定，即可以實現(xiàn)程控占空比。通過DA輸出控制信號，方便地改變PWM波的占空比。PWM波產(chǎn)生電路如圖2圖2 PWM波產(chǎn)生電路2、場管驅動如圖3所示為場管驅動電路，驅動芯片為TI公司生產(chǎn)的TPS2830和TPS2831，實現(xiàn)四路PWM輸出。每個芯片的高端輸出和低端輸出波形相反，用于實現(xiàn)同步開關。 圖3 場管驅動電路3、Buck-Boost升降壓主控電路考慮到開關電容的主要功耗損失在于MOSFET導通時DS端的電阻，整流二極管，PCB中電源線的接入電阻等。為了提高效率，本次設計采用N溝道場效應管IRF7832 ，它的DS兩端的電阻為4毫歐，導通電壓為4.5V,VDS最大30V，符合設計要求并且導通電壓低，電阻小，功耗低。將整流二極管用同步MOSFET代替同樣的可以極大的減小功耗，提高效率。在PCB設計過程中，加粗電源線和地線，減小接入電阻，減小電路損耗。主控電路如圖4所示。圖4 Buck-Boost升降壓主控電路4、系統(tǒng)電源電路 本系統(tǒng)將用到+3.3V和+5V穩(wěn)壓電源，其中+3.3V為單片機供電，+5V為TL5001和液晶顯示器供電。綜合各部分用電情況，屬于低功耗，所以選擇電源芯片為HT公司生產(chǎn)的HT7133和H7150三端穩(wěn)壓芯片分別為系統(tǒng)提供+3.3V、+5V電源。穩(wěn)壓電路如圖5所示。圖4穩(wěn)壓電路三、理論分析與參數(shù)設計 四、軟件設計1、MSP430軟件設計：如圖5所示，為MSP430單片機主控軟件設計流程圖。圖5 單片機程序流程圖五、測試方案與測試結果分析：1調試方法和過程采用外部電源給系統(tǒng)供電分別測量輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，系統(tǒng)紋波。Buck-Boost電路IiIoUiUoRL圖6 系統(tǒng)測試參數(shù)測試電路模型2主要的測試儀器、儀表：直流穩(wěn)壓電源1732SLL3A， RIGOL六位半數(shù)字多用表DM3064，三位半數(shù)字萬用表DT9205，晶體管毫伏表；3輸出電流范圍測試：當Ui=12V18V變化時，接上負載=5，數(shù)字設定輸出電流值，用數(shù)字多用表DM3064測量電源的輸出電流值，結果如下表所示：序號Ui值（V）設定電流值（mA）顯示電流值（mA）測量電流值（mA）測量誤差顯示誤差1123002973020.6%1%26006056101.6%0.8%3100099510020.3%0.5%41500148014900.66%1.3%52000198519900.5%0.75%6153003053051.6%1.6%76006076101.6%1.17%8100010049950.5%0.4%91500150515050.3%0.3%102000199419930.35%0.3%11183003063051.67%2%126005985901.6%0.3%1310009959940.6%0.5%141500149515040.2%0.3%152000199219950.1%0.4%經(jīng)測試該電源的數(shù)字設定及控制輸出電流的步進為7mA。（3）電流調整率SI測試：設定輸出電流Io1000mA，負載=5，當Ui=12V18V變化時，用數(shù)字多用表測量對應的輸出電流值，計算相應的電流調整率SI值，結果如下表所示：序號設定電流值（mA）Ui值（V）輸出電流值（mA）電流調整率SI110001210021%2100018994（4）負載調整率SR測試：設定Ui=15V、Io1000mA，當負載在15變化時，用數(shù)字多用表測量對應的輸出電流值，計算相應的負載調整率SR值，結果如下表所示：序號設定電流值（mA）設定電壓值（V）值（）輸出電流值（mA）負載調整率SR1100015110202.421000155996（5）輸出噪聲紋波電流測試：設定Ui=15V、Io2000mA，負載=5，用晶體管毫伏表測量輸出噪聲紋波電流值為 5.02 mA。（6）整機效率測試：設定Ui=15V、Io2000mA，負載=5，用數(shù)字多用表測量對應的輸入電流值Ii為 1993 mA。計算得整機效率= 83 %.（7）過壓保護功能測試：設定Ui=15V、Io1000mA，負載換為0100滑線電阻器，改變滑線電阻器的阻值，用數(shù)字多用表測量對應的輸出電壓值，確定過壓保護功能，測定保護動作電壓Uoth= 10.5V。該電源具有過壓保護自動恢復功能。（8）測試結果分析：從以上測試結果可以看出，該系統(tǒng)較好完成了題目基本部分與發(fā)揮部分的要求，絕大多數(shù)指標完全達到了題目要求。3、測試結果分析：從測試結果可以看出：（1）、輸出電流Io可調范圍：200mA2000mA；最大輸出電壓Uomax：10V，滿足基本要求。（2）、Ui從12V變到18V時，電流調整率SI =1，滿足基本要求。（3）、改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，負載調整率SR=2.4，滿足基本要求。（4）、輸出噪聲紋波電流=5.02 mA，同時滿足基本要求和發(fā)揮部分。（5）、整機效率= 83%，同時滿足基本要求和發(fā)揮部分。（6）、具有過壓保護功能，動作電壓Uoth=10.5V，滿足基本要求。（7）、能數(shù)字設定并控制輸出電流，步進=7mA，輸出電流與給定值的相對誤差1.6%，滿足發(fā)揮部分。（8）、排除過壓故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)，滿足發(fā)揮部分要求（9）、具有輸出電流的測量和數(shù)字顯示功能，滿足發(fā)揮部分要求。（10）、其他部分：本次設計同時完成了恒流源和恒壓源，通過鍵盤可以切換兩種功能。恒壓源部分，經(jīng)過上面一環(huán)一環(huán)的測試，整個系統(tǒng)基本達到本次題目的要求。六、結論本設計通過我們同小組的三名同學近一周的默契配合，做出的作品能基本的滿足題目要求，在輸入電壓Ui為15V/DC(波動范圍12V18V)及電阻負載條件下，使電源基本滿足題目基礎部分和部分發(fā)揮部分指標。其實本設計還有很大的提升空間，由于之前對電源了解不是太多，對于硬件所要考慮到的知識不夠充分，比如電感的選擇，濾波方式的選擇，開關工作頻率等，沒有將硬件指標達到最佳，沒能達到最好的效果。電源的效率最高，在輸出電流為2A，輸出電壓為10V時電源效率可以達到83%以上。通過本次設計，我們的動手能力以及處理問題的能力都有了很大的提高，并加深了對DC-DC開關電源有了更深的理解，我們的收獲很大。參考文獻： 【1】 王水平 史俊杰 田慶安 開關穩(wěn)壓電源 西安電子科技大學出版社 1997年 【2】 孫肖子 模擬及數(shù)?；旌掀骷脑砼c應用 科學出版社2009年 【3】沈建華 MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用 清華大學出版2004年 【4】 謝自美 電子線路設計實驗測試（第三版） 華東科技大學出版社2006年 【5】 康華光 電子設計基礎 數(shù)字部分（第五版）高等教育出版社 2006年 【6】 康華光 電子設計基礎 模擬部分（第五版）高等教育出版社 2006年【7】 譚浩強 C程序設計第三版 清華大學出版社 2006年附錄1、單片機小系統(tǒng)原理圖及Buck-Boost電路 2、部分核心程序（簡易PI調節(jié)算法源程序）#include pi.hfloat PI_Dk1_cur=0; /上一次的控制量float PI_A_CURRENT