基于UCC29002电源均流器设计学士学位论文.doc

i 分类号：分类号：tn86tn86 u u d d c c：d10621-408-d10621-408-（20132013）0366-00366-0 密密 级：公级：公 开开 编编 号：号：20090240172009024017 成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 学学 位位 论论 文文 基于基于 ucc29002 的电源均流器设计的电源均流器设计 论文作者姓名：论文作者姓名： 申请学位专业：申请学位专业：雷电防护科学与技术雷电防护科学与技术 申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名（职职称称） ： ii 论文提交日期：论文提交日期： i 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 签名： 日期： 2013 年 6 月 01 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学院可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 日期： 2013 年 6 月 01 日 ii 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注 和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过 的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中 作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： iii 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 iv 基于基于 ucc29002 的电源均流器设计的电源均流器设计 摘摘 要要 随着电力电子技术的发展，大功率电源的需求不断提高，应用不断广泛，各 种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，单台开关电 源无法满足低电压大电流的负载要求，开关电源向更大功率方向发展。 本设计以 stc12c5a60s2 单片机作为控制器，采用了两片 tps5430 开关电 源芯片，构成了两路 dcdc 电路，使得输出的 5v 的电压。通过两片负载共享 控制芯片 ucc29002 作为均流芯片，构成两路均流电路。单片机控制 tps5430 的 使能端，关闭系统输出，实现过流保护的作用。整个系统具有电路简洁，输出电 压范围大、负载效应很小，电源效率高，稳定可靠的特点，并具有过流保护作用 及自动恢复功能，很好的达到题目的各项要求。 关键词：关键词：均流，ucc29002，tps5430，stc12c5a60s2 v based on ucc29002 power converter design abstract with the development of power electronics, the technology of power is gradually being perfect. switching power go the higher power way ,for that single mode ones are not able to load the low voltage and large current equipment. the structure is made of stc mcu for controler.while 2 pieces of switching power chips(tps5430),comstruct 2 channels of dc-dc circuit.and the stc12c5a60s2 micro controller control the tps5430-enabled client ,so that protect the system from being overload. using ucc29002 to stablize the 2 current circuits. the system is perfect in large output voltage range,high precision,high stability and in current-limiting and auto- resume. keywords: automatic current,ucc29002,tps5430,stc12c5a60s2 iv 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1.1 电源的发展状况及意义 .1 1.2 论文的选题和研究内容 .3 1.2.1 作品的简介3 1.2.2 开关电源的并联均流运行模式及原理要求3 第二章第二章 基于基于 ucc29002ucc29002 电源均流器的方案论证电源均流器的方案论证 4 4 2.1 设计的总体方案 .4 2.2 各模块设计方案的选择 .5 2.2.1 单片机最小系统的选择5 2.2.2 开关电源模块方案的选择8 2.2.3 均流电路模块方案的选择.10 第三章第三章 硬件原理分析与设计硬件原理分析与设计 1313 3.1 dc/dc 转换模块 .13 3.1.1 tps5430 芯片简介 .13 3.2 均流模块 18 3.2.1 均流控制芯片 ucc29002 简介18 3.2.2 电路的设计.21 第四章第四章 系统原理图和软件流程图系统原理图和软件流程图 2323 4.1 系统原理图 23 4.2 软件流程图 24 第五章第五章 结论与总结结论与总结 2424 5.1 安装及调试 24 5.2 性能指标 26 5.3 展望 27 5.4 总结 27 v 致致 谢谢 2828 参考文献参考文献 2828 附附 录录 2929 1 第一章 绪 论 1.1 电源的发展状况及意义 随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日 益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,电源技术也被广泛应用于计算机、工业 仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。进入 80 年代计算机 电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电 源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、 控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展， 电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新。开关电源高频化 是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特 别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关 电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 电源是电子设备的心脏部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性能， 而且设备故障的百分之六十都跟电源有直接的关系。因此，电源越来越受到人们 的重视。现代电子产品的使用的电源大致有开关稳压电源和线性稳压电源两大类。 所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，这种稳压电源的缺点是变 换效率低，一般只有 35%-60%；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的 优越性就是变换效率高，可达 70%-95%。 在随着电源的不断发展，大功率电源的需求也在不断提高，应用不断广泛， 单台开关电源无法满足低电压大电流的负载要求。大量的电子设备，特别是通讯、 空间站等的广泛应用，要求组建一个容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。 各种电子装置对电源功率的要求越来越高,对电流的要求也越来越大，开关电源向 更大功率方向发展。如果采用单台电源供电，变换器势必处理巨大的功率，给功 率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单台电源发生故 障，则导致整个系统崩溃。研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势 1。但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开 2 关电源模块的最大输出功率只有几千瓦，但实际应用中往往需用几百千瓦以上的 开关电源为系统供电。因此，大功率电源系统需要用若干台开关电源并联运行， 以满足负载功率的要求。采用多个电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源 技术发展的一个方向。并联系统中每个模块处理较小功率，解决了上述单台电源 遇到的问题。 八十年代，分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。相对传统的 集中式供电，分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大 功率电源系统。在空间上各模块接近负载，供电质量高，通过改变并联模块的数 量来满足不同功率的负载，系统设计灵活、更高的开关频率、高功率密度、低重 量、小体积、单个模块电流应力小、可方便的实现冗余、可靠性高、维护方便、 易于实现产品标准化等1。并联均流技术可以降低电流应力，提高电源的可靠性， 是实现大功率电源的关键和发展趋势，近年来，已成为电力电子研究的热点课题。 近几年来，各式各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率 越来越得到广泛的应用。随着电力系统自动化程度的提高，特别是其保护装置的 微机化，通讯装置的程控化，使得对电源的体积和效率的要求在不断提高。电源 中磁性元件和散热器件成了提高功率密度的巨大障碍。开关频率的提高可以使开 关变换器（特别是变压器、电感等磁性元件以及电容）的体积、重量大为减小， 从而提高变换器的功率密度。另外，提高开关频率可以降低开关电源的音频噪声 和改善动态响应。但是由于开关管的通断控制与开关管上流过的电流和两端所加 的电压无关，而早期的脉宽调制（pwm）开关电源工作在硬开关模式，在硬开关 中功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行 的，电路的开关损耗很大，开关频率越高，损耗越大，不但增加了热设计的难度 而且大大降低了系统得可靠性，这使得 pwm 开关技术的高频化受到了许多的限 制。 根据高频电力操作开关电源的设计要求，结合实际的经验和实验结果选择合 适的开关器件，设计出稳定可靠、性能优越的控制电路、驱动电路、缓冲电路以 及主要的磁性元器件。对最大电流自动均流法的工作原理以及系统稳定性进行了 较为深入的研究。采用均流控制芯片 ucc29002 设计了电源的均流控制电路，使 模块单元具有可并联功能，可以实现多电源模块并联组成更大功率的电源系统。 3 1.2 论文的选题和研究内容 1.2.1 作品的简介 1、设计目标 设计并制作直流稳压电源，两路并联输出，自动实现输出电路均衡。 2、详细指标要求 (1)输出特性要求 单路输出电压 vout：+5v； 输出电压范围：10%； 输出纹波：基本部分要求不大于 250mv；单路输出功率：5w； (2)保护功能要求 单路输出过流保护点:1.21.3a，故障解除后能够自动恢复。 (3)均流特性要求 两路并联使用时，能够实现自动均恒电流。发挥部分对均流控制的要分电流 相差不得大于 15%。 1.2.2 开关电源的并联均流运行模式及原理要求 开关电源发展到现往，品种越来越多，功能越来越强，根据各种负载对供电 可靠性要求的不同，开关电源有三种运行工作模式1：方式 1：集中式单机运行 模式，这种方式是只有一个电源给负载供电。方式 2：并联运行模式，这种方式 是利用了多台电源（至少俩台以上电源）并联起来给负载供电，这样每个电源可 以平均承担负载功率。方式 3：并联冗余运行模式，采用多台电源模块并联，但 方式 3 与方式 2 的区别在于：其中并联的 n 台电源是给负载提供所需电源，而另 外 n 台并联电源是作为后备电源，防备当工作模块出现故障时，后备模块即可投 入运行，这使我们的电源可以继续正常工作。 上面所介绍的三种运行模式都有其缺点和优点，比如：方式 1 其整个结构很 简单，成本低，但不足的地方是在运行中由于受其他的一些因素影响，容易发生 差错，所以可靠性不高；而方式 2 相对方式 1 来说并联多个的电源，这样所要的 成本就比较高，而且在运行时如果有一路电路发生故障时，由于还有其它的电路 为负载提供电源，因此不会严重影响负载正常运行，但是最大供电能力就会有所 4 降低；方式 3 成本是这三种方式中最高的，它是由 n+n（n1，n1）台的电源结 合成的电源，当其中 n 台电源发生故障时，由于它还有 n 台电源做后备，所以电 源仍能提供负载所需的全部功率，这种方式可以说是最稳定的，不会对电路的正 常工作照成影响。 并联运行是电源技术的发展方向之一，并联技术是实现组合大功率电源系统 的关键。并联运行的各模块特性不一致，可能使电压调整率小的模块承担较大的 电流甚至过载，热应力大；外特性较差的模块运行于轻载其至是空载。其结果将 会使得电源可靠性降低，寿命也会减小。因此需要实现均流措施，来保证模块间 电流应力和热应力的均匀分配，防止单个模块运行在电流极限值状态。那么并联 均流要有以下这几点基本要求1： 各模块实现的电流能自动平衡，实现均流； 控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。为 提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性：实现冗余，当任意模块发生故障 时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃； 输入电压和负载变化时，输出电压保持稳定，且均流瞬态响应好。 第二章 基于 ucc29002 电源均流器的方案论证 2.1 设计的总体方案 本次设计介绍了直流电源均流源的原理，设计思路及方法：整个系统以 stc12c5a60s2 单片机为控制器，采用了两片 tps5430 开关电源芯片，构成了两 路 dc/dc 电路。利用 tps5430 的 4 脚 vsense 对地电压值能够稳定在 1.221v 的特性，将 4 脚作为电压参考点，通过与串联电阻分压网络相连接，实现 5v 稳 压输出。使用 5 毫欧采样电阻对两路并联电路进行电流采样，并选用两片负载共 享芯片 ucc29002 的配合使用，通过调节上路电路中连接在 ucc29002 的 1 脚与 8 脚之间的电位器，使上下两路对称，实现均流输出。利用 stc12c5a60s2 单片 机来控制 tps5430 的使能端，当 ena 脚上的电压超过极限电压时转换器和内部 的软启动开始工作,低于极限电压，转换器停止工作，软启动开始复位,实现过流 保护的作用设计方案的总体框图，如图 21 所示。 5 ac/dc转换 stc12c5a60s2单片机 tps5430芯片 tps5430芯片 ucc29002芯片 ucc29002芯片 市电 5v 5vls母线 图 21 总体设计方案的框图 2.2 各模块设计方案的选择 2.2.1 单片机最小系统的选择 在本次设计中，使用的单片机是 stc12c5a60s2，利用 stc12c5a60s2 单片 机来控制 tps5430 的使能端，当 ena 脚上的电压超过极限电压时转换器和内部 的软启动开始工作,低于极限电压，转换器停止工作软启动开始复位，实现过流保 护的作用。 1、stc12c5a60s2 的简介 图 22 stc12c5a60s2 本设计采用了传统 mcs-51 系列单片机的增强型 stc12c5a60s2 芯片， stc12c5a60s2/ad/pwm 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1t)的 单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传 6 统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 max810 专用复位电路,2 路 pwm,8 路高速 10 位 a/d 转换(250k/s),针对电机控制，强干扰场合。 单片机最小系统2： （1）51 单片机最小系统复位电路的极性电容的大小直接影响单片机的复位 时间，一般采用 1030uf，在复位电路中选取的是 22uf 的电容，51 单片机最小 系统容值越大需要的复位时间越短。 （2）单片机最小系统晶振 y1 也可以采用 6mhz 或者 11.0592mhz，在正常 工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51 单片机最小系统晶振的振荡频率直接 影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。此设计中，运用的是 11.0596mhz 晶振。 （3）单片机最小系统起振电容一般采用 1533pf，并且电容离晶振越近越好， 晶振离单片机越近越好。最小系统的原理图设计如下图所示： 图 23 单片机最小系统 7 图 24 复位电路 2、7805 稳压电路： 这是一个输入 12v 电压，输出正 5v 直流电压的稳压电源电路，为单片机提 供 5v 的电压，集成电路（ic）采用集成稳压器 7805，c1、c2 为输入端的滤波 电容和 c3、c4 为输出端滤波电容。电路如下图所示： 图 25 7805 稳压电路 3、放大模块： 通过硬件测得当负载电流为 1.2a 的时候，ucc29002cso 脚的电压值为参考 电压，由于此电压值比较小，因此经过放大器对它经行放大3，通过电位器可对 放大倍数经行调整，再反馈给单片机经行判断是否过流，从而起到过流保护作用。 8 图 26 运放模块 2.2.2 开关电源模块方案的选择 方案一：电源芯片采用美国国家半导体的 lm2596adj lm2596 系列是美国国家半导体公司生产的 3a 电流输出降压开关型集成稳 压芯片，它是一款降压型的 pwm 调节方式的开关稳压电源的芯片，内部振荡源 频率 150khz，最大输出电流 3a，输入电压 3.540v，输出电压：1.2337v；转 换效率：75%88%和基准稳压器（1.23v） ，并具有完善的保护电路：过流保护电 路、过热保护（热关断）电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效 稳压电路。它通常被作为恒压电源应用，此时，其通过电压取样电压反馈稳压方 式达到稳定电压的目的，提供有：3.3v、5v、12v 及电压可调（-adj）等多个电 压档次产品。它的内部框图如下图 27： 9 图 27 lm2596 内部框图 可调电压输出的电路原理图如下图 28： 1 53 2 4 lm2596 + 680u+ 220u in5824 gnd on/off 直流电压输入 +vin 反馈 输出 l 33u 电压输出 r1 r2 c 图 28 电路原理图 其工作原理是：此电源芯片的 4 脚 feedback 端的电压稳点在 1.23v，5 脚 on/off 端由逻辑电平来控制芯片的打开和关断，1 脚为输入端，2 脚为输出端， 芯片通过调整输出脉宽来使 4 脚电压稳定在 1.23v，通过改变 r2 的值就可以改变 输出电压的大小，影响电压输出的就是 r1，r2 的取值，现我们通过改变由 r1,r2 组成的反馈电路来实现我们所要设计的稳压源的电路。 ，vref=1.23v （2) 1 2 1 (* r r vrefvout 1） 方案 2：开关稳压芯片 tps5430 tps5430 是 ti（美国德州仪器公司）最新推出的一款非隔离型的降压 10 dc/dc 转换芯片，tps5430 具有良好的特性，最大电流输出：3a；宽电压输入： 5.536v；固定 500khz 转换速率；高的转换效率：最佳状况可达 95%；宽电压 输出范围：最低可调整到 1.221v;具有过流保护及热关短功能；有使能端；内部 有软启动。与 lm2596 芯片相比较，可见 tps5430 芯片的转换效率更高，因此， 在本次设计中 dc/dc 模块芯片选择了 tps5430，这样使得效果更好。 2.2.3 均流电路模块方案的选择 方案一：外加均流控制器法 外加均流控制器法是每个模块的控制电路中都加一个特殊的均流控制器，用 以检测并联各模块电流不平衡情况，调整控制信号 ve 以实现均流，如下图所示。 均流控制器 sc 的输入为反映模块负载电流的信号 v1，由电流放大器供给，sc 的输出 vc 与基准电压 vref 和反馈电压 vf 综合比较后，输出 ve 经电压放大器， 控制 pwm 及驱动器，各均流控制器的另一端 b 接均流母线。 应用这一方法实现自动均流，可使 n 个并联模块的电流不均衡度在 5%以内。 均流控制器的引入，将使得并联电源系统的动态过程分析更加复杂，但如果不注 意均流控制环的正确设计，将使系统不稳定，或者使系统动态性能变坏。 dc/dc pwmsc 均 流 母 线 vc v1 ve v1 b vc - - + 图 29 外加均流控制器法 方案二：平均电流均流法 平均电流法1是指并联各模块的电流放大器输出端 a 通过一个电阻 r 接到公 用均流母线上，如图 27 所示，图中，vr 是基准电压 vr 和均流控制电压 ve 11 的综合，它与反馈电压 vf 进行比较放大后，产生误差电压 ve 来控制 pwm 及驱 动器，均流母线电压 vb 与每个电源模块的取样电压信号比较后通过调节放大器 输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流目的。 平均电流法可以精确地实现均流，但具体应用时，会出现一些特殊问题。例 如，当均流母线发生短路，接在母线上的任一个模块不能工作时，母线电压下降， 将促使各模块电压下调，甚至到达其下限值，结果造成电源系统故障。而当某一 模块的电流上升到其极限值时，该模块的电流放大器的输出信号 v1 大幅度增大， 也会使它的输出电压自动调节到下限。 功率级 电流放大 vf vr ve vc - + - + 负载电流 均 流 母 线 r ab v1 均流控制器 电压放大 + vr 图 210 平均电流法 方案三：主从设置法 主从设置法1是在并联的 n 个变换器模块中，并自行指定其中一个为主模块， 其余的为从模块，跟从主模块分配电流，如下图 29 所示。图中各模块均为双 环控制系统，主模块为电压型控制工作方式，从模块为电流型控制工作方式。主 模块的基准电压 vr 与输出反馈电压 vf 经过电压误差放大器得到误差电压 ve， 它是主模块的电流基准，与 v11 比较后，产生控制电压 vc，控制脉宽调制器和 驱动器工作。于是主模块电流将按电流基准 vc 调制，即模块电流近似与 ve 成正 比。各从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差 ve 输入 各跟随器，于是跟随器输出均为 ve，它即是从模块的电流基准，因此各从模块的 电流都按同一值 ve 调制，与主模块电流基本一致，从而实现了均流。 主从控制法均流的精度很高，但由于从模块的电压误差放大器接成跟随器的 形式，所以从模块的工作与主模块的系统工作是息息相关的，从下图中可以看出。 所以其存在的最大缺点是一旦主控电源出现故障，整个系统将会完全失控，整个 12 系统也就即将瘫痪。另外，由于系统在统一的误差电压控制下，任何非负载电流 引起的误差电压的变化，都会导致各并联电源电流的再分配，从而影响均流的实 际精度。通常希望主控电源电压取样反馈回路的带宽不宜太宽，主从电源间的连 接应尽量短。 pwm pwm 主模块 从模块 - + - + - + - + vf vr v11 电流放 大 电流放 大 v1k ve vc 图 211 主从设置法 方案四：最大电流均流法 最大电流法1是在 n 个并联的模块中，自动设定主模块和从模块，通过均流 控制母线其中输出电流最大的模块电源上的电流被自动作为整个电源系统的单路 电流基准，其余模块电源以它为基准来调整自身的输出电流。同时，由于是以最 大电流为基准，如果其中一个电源模块出现故障不工作，在满载输出范围内，总 电源系统会重新分配各输出电流继续正常工作而不会受到影响，这也是避免了平 均电流均流法的问题。 最大电流法，总的来说是一种电压型控制方法，它主要通过调整输出电压的 大小来调整输出电流，如下图 212 所示。 13 模块电源 模块电源 模块电源 输入负载 均 流 母 线 图 212 最大电流均流法 通过三种方案进行比较，发现最大电流均流法可以较好地实现冗余，不会因 为某个模块的故障而影响整个系统的运行，故在此次设计中，我们选择了最大电 流均流法，还运用了负载共享芯片 ucc29002 来实现均流模块。 第三章 硬件原理分析与设计 3.1 dc/dc 转换模块 3.1.1 tps5430 芯片简介 ti 公司的 tps54xx 系列芯片4是非隔离型的降压 dc/dc 转换芯片，该系列 的芯片具有转换效率高，输入电压范围宽，输出电流大，工作频率高(能够减小外 围器件的尺寸和成本)等优点。其中 tps5430 是该系列的典型代表。其输入电压 范围是 5.5v 到 36v，最低输出电压为 1.2v，正常输出电流为 3a(峰值为 4a)，开 关频率为 500khz，最高效率可达 95%。 tps54xx 系列芯片的工作频率都是固定在 500khz, 最大效率均可达到 95%， 属于高效转换型芯片。tps54xx 系列芯片主要有以下几种： tps5410、tps5420、tps5430、tps5431。前三者的输入电压都是 5.5v 到 36v, 14 输出最大电流依次为 1a、2a 和 3a(注意，这里的电流参数是输出电流，不是开 关峰值电流，不须再用公式转换)。tps5431 输入电压范围是 5.5v 到 23v，最大 输出电流为 3a。芯片的选型要保证芯片参数能够承受得住设计的要求，最好要 有一定的裕度。但也不要过大，例如我们只需要 0.3a 的电流，而我们采用 tps5430，这时我们只能达到低于 90%的效率，而采用 tps5410，却可以达到 95%以 上的效率，而且更经济。所以芯片的选型要能够满足要求又要合理。这里我设计 的要求是输入电压是 10v，输出电压是 5v，输出电流是 2.5a。所以我们采用 tps5430。 1、tps5430 性能及主要参数： 高电流输出：3a（峰值 4a） ； 宽电压输入范围：5.536v； 高转换效率：最佳状况可达 95%； 宽电压输出范围：最低可以调整降到 1.221v； 内部补偿最小化了外部器件数量； 固定 500khz 转换速率； 有过流保护及热关断功能； 具有开关使能脚， 关状态仅有 17ua 静止电流； 内部软启动与其他同类型直流开关电源转换芯片相比， tps5430 的高转换 效率特别值得关注。 2、功能和结构： （1）管脚说明： tps5430 采取 8 脚 so ic power padtm 封装，形式如图 31 所示。 tps5430 1 2 3 4 8 7 6 5 boot nc nc vsense ph vin gnd ena 图 31 tps5430 封装 （2）内部结构及功能： 15 晶振频率。 固定 500khz 转换速率，使得在同样的输出波纹要求下产生更小的输出电感。 基准电压。 通过缩放温度稳定能隙带电路的输出范围， 基准电压系统产生精确的基准 信号。经测试，在允许的温度范围内，1.221v 电压输出时能隙带和缩放电路保持 平衡。 使能脚和内部软启动。 当 ena 脚上的电压超过极限电压时转换器和内部的软启动开始工作，低于 极限电压，转换器停止工作软启动开始复位。ena 脚接地或电压小于 0.5v 时转 换器停止工作，ena 脚可以悬空。 欠压锁定. tps5430 带有欠压锁定电路。无论在上电或掉电过程中，只要 vin（输入电 压）低于极限电压，转换芯片不工作。欠压锁定比较器的典型迟滞值为 330mv。 启动电容 在 boot 脚和 ph 脚间连接 0.01f 的陶瓷电容，为 mosfet 的高端提供门 电压。 外部反馈和内部补偿 输出电压通过外部电阻分压被反馈到 vsense 脚。在稳定状态下，vsense 脚的电压等于电压参考值 1.221v。tps5430 拥有内部补偿电路，简化了芯片设计。 电压正反馈 内部的电压正反馈保证了无论输入电压如何变化电源芯片都有一个恒定的增 益。这大大简化了稳定性分析，改进了瞬态响应。tps5430 的正反馈增益典型值 为 25。 脉宽控制 转换器采取固定频率控制方式。 过流保护 过流保护电路使得电流超过极限值时，内部的过流指示器设置为真，过流保 护被触发。 热关断 接点温度超过了温度关断点，电压参数被置为地，高端 mosfet 关断。受 16 软启动电路的控制，当接点温度降到比温度关断点低 14时，芯片重新启动。 图 32 tps5430 经典电路4 1、输入电容(c1)的确定 该电容在电路中起着很重要的作用，由于 dc 开关在导通瞬间需要很大电流， 而电源的电流输出能力及响应速度总是有限的，加之 dc 开关的频率一般较高， 没有此电容电路将不能正常工作或者不能工作。例如，某电源输出参数为 12v- 1a，经 dc/dc 变换为 4v-2a 的输出，此时开关导通瞬间将需要 2a 以上的电 流，而电源无法提供 1a 以上的电流,此时该电容就能够在瞬间辅助电源输出大于 1a 的电流，以保证 dc 开关瞬间需要的电流。另外，此电容必须靠近 dc 转换芯 片，这样输出电压精度大大减小。tps5430 芯片推荐我们使用 10uf 的电容(此电 容尽量选取等效串联电阻低的电容，如果只有普通电容，就选取容值较大的,如 47uf)，如果要求电路输出更稳定,可以稍稍加大。但要记住的一点是一般不要小 于芯片资料所给出的值。并且在 10uf 的电容旁边并接一个 0.1uf 的瓷介电容将有 利于电路的运行，这本次设计中，我选择了一个 10uf 与 0.1uf 俩个电容并联一起 接到 vin 脚上。 2、输出电感 l1 的确定 （31） 500000*2 . 0*(max) )(max)(*(max) min ioutvin voutvinvout l 对于 tps54xx 系列芯片输出电感的最小值可以用公式（1）4来确定，对于 电感选型要符合以下的原则：第一是电流的问题，在 dc/dc 电路中有三种电流 的概念：输出电流、电感承受的有效值电流与流经电感能承受的峰值电流，很明 17 显峰值电流是这三个电流中值是最大的，因此电路所取能够承受的最大电流应该 大于流经电感的峰值电流，而流经电感的峰值电流可以通过以下公式（32）4 计算得出： （32） 500000*1*6 . 1*(max) )(max)(* (max)( lvin voutvinvout ioutlpkl 另外，所选取的电感应该保证在额定的工作状况下不会出现磁饱和，所以应 该选取功率电感，并且选择磁体较大的或者磁环电感。综上考虑，在本设计中我 取用电感值为 15uh。 3、输出电容(c3)的确定 输出电容在整个电路中也起着很关键的作用，大的输出电容可以减小输出纹 波，但过大的输出电容会导致瞬态响应时电流过大，另外 tps54xx 系列芯片存在 内部环路补偿,因此必须选择支持内部补偿功能的外部 lc 滤波器。对于此类器件 而言，内部补偿最适合的频率是 3khz 至 30khz，我们一般取 18khz，那么输出 电容可以用以下公式（33）4确定： （33） voutl cout *1*18000*3357 1 已知 l1=15uh，vout=5v，可以计算得到输出电容 cout=220.7uf，因此本次 设计中我选用的输出电容值为 220uf。 4、放电二极管(d1)的确定 在此设计中之所以需要放电二极管，是由于 dc/dc 电路中有电感的存在。 在选取这个放电二极管的时候，必须符合以下的参数：首先，二极管的耐压值必 须大于输入电压 0.5v 以上，其所承受的电流必需大于 1/2 倍流经电感的峰值电流。 另外，为了提高 dc/dc 的转换效率，此二极管的导通压降要尽量低，开关频率 要尽量高，避免损耗过大。肖特基二极管刚好能够满足上述要求，所以推荐使用 肖特基二极管，在本次设计中我用了 b340a 的肖特基二极管。 5、输出电压的确定 tps54xx 系列芯片通过两个外部电阻的分压来决定其输出电压，由于内部设 有 1.221v 的基准源，从经典电路设计中 r1 取 10k，r2 的取值通过下述公式 （34）4确定： （3 221. 1 221 . 1 *1 2 vout r r 18 4） 在本次设计中，我取 r3=1.5k，r26=2.7k，通过公式（34）：可以算得滑 动变阻器所需要取得的电阻值大概为 4.64k 左右。所以在此用了一个 5k 的滑动 变阻器。 如下图 33 是 dc/dc 模块的设计原理图： 图 33 tps5430 设计模块 3.2 均流模块 3.2.1 均流控制芯片 ucc29002 简介 ucc29002 是根据最大电流自动均流法开发的 8 引脚均流控制器，它提供了 多个独立电源或者 dc/dc 模块并联均流所需的所有功能。其主要特点5是： （1）精度高：全负载范围均流误差小于 1%； （2）可高端和低端检测电流； （3）超低失调电压的电流检测放大器； （4）全量程可调节； 19 （5）均流总线对地短路或接电源正极短路保护； （6）小尺寸 8 管脚 msop 封装，外围器件少； （7）工作温度范围：40 度 +105 度。 下图是 ucc29002 的一个内部框图： 图 34 ucc29002 内部框图5 其均流过程5为：电流检测电阻在模块电源的输出端检测到一个与模块电源 输出电流成比例的信号，送入电流检测放大器，而电流检测放大器的输出与模块 电源的输出电流成正比例，且作为输入信号供给均流驱动放大器的正输入端。由 于均流驱动放大器增益为 1，所以均流驱动放大器与电流检测放大器的输出电压 相等。当该电压相对于所有模块电源的电位为最高时，则该电源模块称为主模块， 主模块均流驱动放大器的输出决定了均流母线电压。其他模块电源成为从模块， 由于串联在均流驱动放大器输出端的二极管的作用，从模块的均流驱动放大器输 出与均流母线相通。 误差放大器稳定状态的输出电压是电流检测放大器的输出与均流检测放大器 输出电压差的函数，当工作在主模块状态时电压差为零。为确保误差放大器正确 的输出状态，有 25mv 的偏置电压串联在它的反向输入端，以增加主从模块之间 的转换裕度。同时将确保工作在主模块状态的误差放大器输出为零，但所有的从 模块均产生非零的误差电压，改误差电压与各模块电源电流检测放大器的输出和 母线电压之差成比例的。 误差电压用来调整模块电源的输出电压，以平衡所有并联模块电源的负载电 流，这是通过调整放大器和缓冲三极管来实现。调整放大器输出的误差信号用于 20 驱动缓冲三极管。误差信号定义为 iadj，通过 iadj 改变 radjust 上的电压来调节模 块电源的输出电压，从而实现模块电源间的均流。 误动作保护单元通过比较 cso 和 ls 端的值防止均流总线对地短路或接电源 正极短路。当控制芯片发生故障时，通过控制调整放大器启动和调整逻辑单元， 防止输出错误的调节信号，实现对系统的保护。 tps5430vout tps5430-4脚 r2r3 r1 1.5k 3k4.7k 图 35 无均流模块接入 tps5430vout tps5430-4脚 r2 r3 r1 r4 ucc29002- adj 3k4.7k 1.5k 66欧 a b 图 36 有均流模块接入 以上俩图是没有接入均流模块与接了均流模块的对比，通过对比分析均流模 块的实现，如图 36 所示是加入 ucc29002 后的电路连接图。在几路电源的 ucc29002 的均流母线连接后，系统会自动选出电流最大（即输出电压最大）的 一路。此路 ucc29002 内部的三极管截止，即没有电流流入其 adj 脚，故该路中 只是反馈线上比无 ucc29002 时多了一个小电阻（r4，在此取 66） 。而在电流 较小的另一路电源中，ucc29002 内部三极管导通，该三极管发射极有一个 500 电阻到地，此时通过该三极管的电流即为 veao/500。有此附加电流流过 r4 后，a 点电压下降，从而 b 点基准电压也下降，而不再是 1.22v。此时为了使 vsense 恢复到 1.22v，tps5430 将增加 pwm 脉冲宽度，增加 vout 从而提高该路 电流输出，达到均流目的。 21 3.2.2 电路的设计 1、确定电流检测电阻 由于检测电阻与电源模块 sense 端串联，其压降 vsense 必须小于模块电压最 大调节范围，即 vsense 必须远小于 vadj(max)，否则芯片没有足够的空间调 节模块输出电压。 （35） (max) (max) iout vadj rsense 公式（35）6中，vadj(max)为电源模块输出电压最大调节范围， vadj(max)=0.056v；iout(max)为电源模块的最大输出电流，此外，检测电阻的选 择还要考虑电阻的最大功耗不超过其额定功率。 （36） (max)*(max) (max) ioutiout psense rsense 结合公式（35）和公式（36）6，此次设计中我选取了 5m/1w 的检测电阻。 2、确定电流检测放大器放大倍数 电流检测放大器的放大倍数（csa）通过在放大器的反向输入端(cs-)和放 大器的输出端(cso)之间增加电阻元件设定。为避免内部放大器饱和，vcso(max) 必须比电源电压 vcc 低 2v 以上。 （37） (max)* (max) (max) ioutrsense vcso acsa 本次设计中：在电流取样中，我们使用了 5m 的取样电阻。为了将该路电 流值读入单片机，实现更精确的过流保护，我们曾将 ucc29002 内部差动放大器 提供一个很大的放大倍数，但导致了差动放大器的工作不稳定，同时均流误差也 很大。综合考虑均流误差和过流保护，我们将放大倍数减小为 100 倍。 所以 acsa 取值为 100，即：。 100 200 20 7 8 k r r acsa 3、确定调整电阻 ucc29002 内部调整三极管集电极电平比发射极电平至少高 1v，以保证三极 管工作在放大区，这就需要调整电阻满足一下公式（38）6要求： 22 （3 )500* (max) (1(max) 500*)*(max)(max)( rsense vadj vvadjvout rsenseioutvadj radjust 8） 另外，radjust 不宜过大，以免影响模块电压反馈回路的正常工作，本次设计， 在 r4 的选择上，试验了 20100。当 r4 取 20 时，只有当两路电流相差较 小时，系统才具有较好的调节能力。当 r4 取 100 时，系统对电流有较强的调 节能力，但对输出电压有较大影响。为了兼顾均流能力及输出电压的稳定，做出 了折中的选择，将 r4 选定为 66。即取 radjust=66。 ceao 和 reao 作为误差放大器的补偿元件，其取值涉及系统的稳定性。为了 避免均流控制环与电压控制环之间相互干扰，保证系统的稳定性，均流控制环的 交越频率应不超过电压控制环穿越频率的十分之一。ceao 和 reao 可由下公式 （39）6与公式（310）6计算： （3)(* *2 fcoapwraadj rload rsense acsa fco gm ceao 9） （310） ceaofco rcsa *2 1 在本次设计中，eao 端取了 47uf 的电容和 470 欧的电阻作为放电端。 如下图 37 均流模块的设计原理图： 23 图 37 ucc29002 模块设计 24 第四章 系统原理图和软件流程图 4.1 系统原理图 图 41 系统原理图 25 4.2 软件流程图 开始 是否过流 赋予5430 低电平 n y 结束 ad采样cso电压 （2秒采样一次） 断开 图 42 软件流程图 主函数程序： void main() unsigned int num; p1m0 = 0x01;/设置 p1.0 为 ad 输入引脚 p1m1 = 0x01; read_init(0);/adc 初始化函数、0 代表 p1.0 timer_init();/定时器初始化 26 /key = 1; ce = 1; tr0 = 1;/打开定时器 0 delay(60000);/延时 while(1) if(number = 200)/定时 2s num = adc_read();/读出 ad 数据 if(num 511)/设置阈值，为 2.5v ce = 0;/大于 2.5v，使能管脚置低 else if(num 511) ce = 1;/小于 2.5v，使能管脚置高 number = 0; 第五章 结论与总结 5.1 安装及调试 对电路进行组装：按照自己设计的电路，将元器件安装在板