XXXX年TI杯电子设计竞赛论文.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 四川省电子设计竞赛参赛四川省电子设计竞赛参赛四川省电子设计竞赛参赛四川省电子设计竞赛参赛 作品作品作品作品 技术报告技术报告技术报告技术报告 高效数控恒流高效数控恒流电源电源 摘要摘要：本作品基于压控恒流源设计，由 DC-DC 降压变换模块、电流控制模块、 控制器、键盘及显示模块、负载保护模块、开路检测模块等组成，具有很稳定 的恒流效果。DC-DC 降压变换模块利用 TI 的 DC-DC 降压变换芯片 TPS5430， 将 输入信号降压获得输出电压。电流控制模块由 CMOS 晶体管，通过对栅极电压 的控制，得到不同的电流值。本设计利用硬件反馈调节的方法，大量减少了控 制器的运算量和执行效率，恒流效果较高。 关键词关键词：恒流源；DC-DC 变换器；MSP430 单片机；反馈 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、方案比较、设计与论证一、方案比较、设计与论证一、方案比较、设计与论证一、方案比较、设计与论证. .4 4 4 4 1.1 DC-DC 开关电源部分4 1.2 电流恒定控制部分.5 1.3 输出电流检测部分.6 1.4 控制电路部分.7 1.5 过压保护部分.7 1.6 开路检测部分.7 二、理论分析与计算二、理论分析与计算二、理论分析与计算二、理论分析与计算. .8 8 8 8 2.1 输出电流 Io8 2.2 电流调整率 SI8 2.3 负载调整率 SR8 2.4 整机效率.9 三、系统设计实现三、系统设计实现三、系统设计实现三、系统设计实现. .9 9 9 9 3.1 系统框图.9 3.2 主要模块电路.9 DC-DC 转换模块.9 控制模块10 3.3 软件设计.10 四、系统测试和数据分析四、系统测试和数据分析四、系统测试和数据分析四、系统测试和数据分析. .111111 11 4.1 测试仪器：.11 4.2 测试方法：.11 4.3 测试数据：.11 4.4 数据分析：.13 五、总结五、总结五、总结五、总结. . 131313 13 参考文献14 一、一、方案方案比较、设计与比较、设计与论证论证 1.11.11.11.1 DC-DCDC-DC 开关电源部分开关电源部分 方案一：采用 NE555 定时器产生 PWM 脉宽调制信号，再通过外部分立元件 构成降压型 BUCK 拓扑结构，电路如下。由 NE555 构成的开关变换简单容易实 现，但是 NE555 产生的 PWM 波频率一般只能达到 100KHz 左右，因为输出电压 IO正比于开关频率，所以如果要达到输出电流最大 2A 的目标，用此方案是很 难实现的。 图 1利用 NE555PWM 实现 方案二：采用高性能的电流模式 PWM 控制器 UCC28C40/UCC38C40 来实 现降压变换。该芯片最大开关频率为 1MHz，而且可以最快以 35ns 的启动建 立时间。但是电路实现方法过于复杂，而且要用到变压器，增加了电路板系统 的布局面积，同时也增大了输出纹波。故不采用此方案。 方案三：采用 TI 的 DC-DC 降压变换芯片 TPS5430 构成降压电路，电路如 下。TPS5430 外部电路很简单，只需很少的电感、电容、电阻即可实现。 图 2TPS5430 BUCK 降压电路 TPS5430 具有宽输入电压（10.8-19.8V） ，最高频率可达 500Hz，输出可低 至 1.2V，通过改变输出电压来实现恒流源，功率消耗相比同类芯片，有很大 优势。 所以本设计选用方案三。 1.21.21.21.2 电流恒定控制部分电流恒定控制部分 方案一：实时对输出电流检测，然后由控制器对检测的电流处理，得到电 流值与设定值的偏差。如果实际电流值大于设定电流值，控制器控制 DC-DC 的 VSENSE脚使输出电压减小，直到实际电流值等于设定电流值；如果实际电流值小 于设定电流值， 控制器控制 DC-DC 的 VSENSE脚使输出电压增大， 直到实际电流值 等于设定电流值。 由以上步骤可使电流恒定在基于设定电流值附近的一个动态 平衡范围之内。此方案控制电路简单，但是增加了控制器的运算量，而且电流 恒定效果并不是很理想。 方案二：采用 CMOS 场效应管构成压控恒流源，再由控制器控制 DC-DC 的 VSENSE脚，逐步降低输出电压，直到达到场效应管的临界值。电路原理图如下。 此方案可以将整机效率提升至最高，但是相对于方案一，它更是增加了控制器 的运算量，而且由于 CMOS 管经常工作于临界值，使输出电流波动很大。 图 3MSP430 压控恒流电路（无直接耦合反馈） 方案三：采用 CMOS 场效应管构成压控恒流源， 但是反馈不再由控制器给出， 而是由硬件电路直接引出，电路原理如下。此方案极大的减少了控制器的运算 量。 控制器的工作就只是对电流的设定以及电流检测。 而且相比以上两种方案， 本方案输出电流更稳定，而且控制更方便，由于反馈与控制器无关，控制器的 死机电路不受影响，因而电路的可靠性更高。故选方案三。其中驱动运放采用 TI 的 LM358。 图 4MSP430 压控恒流电路（有直接耦合反馈） 1.31.31.31.3 输出电流检测部分输出电流检测部分输出电流检测部分输出电流检测部分 方案一：采用两运放仪表放大器，电路如下。两运放仪表放大器价格低廉， 并且在直流处拥有优良的共模抑制比，但是由于输入引脚的信号路径不平衡 （一个输入直接进入 A2，一个进过 A1 后才进入 A2） ，导致在频率稍高时 CMRR 急剧恶化。 图 5 仪表放大器电流检测电路（双运放） 方案二：采用三运放仪表放大器 INA2133AIPWR， ，电路如下。INA2133 输入阻 抗非常高，共模抑制比非常好（CMMR=90） ，且带宽 2000HZ。但是本设计采用 低端电流检测，对输入信号的电流检测，由一个简单的运算放大器组成的电流 检测功能，也足以与仪表放大器相媲美。 图 6 仪表放大器电流检测电路（三运放） 方案三：采用差动放大器 IN143UA，将各种噪声干扰抵消，同时利用精密 电阻 RS与负载 RL串联， 将电阻 RS两端电压进行差分放大， 最后由控制器的 ADC 对其进行采样。IN133UA 具有高达 80dB 的共模抑制比，而且可以接收大于供 电电压的输入共模电压，并且电路组成简单，所以选用此方案。 图 7 INA143UA 电流检测电路 1.41.4 控制电路部分控制电路部分 方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机，在利用外围 ADC 以及 DAC 完 成系统反馈功能。AT89S51 开发简单，初学者容易上手，但是自带外围模块较 少，需外接很多元器件。 方案二：采用 FPGA，FPGA 资源丰富，可实现灵活的编程控制。但是 FPGA 功耗较大，不适于开发低功耗电源。 方案三：采用 TI 公司的 MSP430F169 单片机，MSP430 单片机拥有相同领域 最低功耗，而且内部集成了 ADC、DAC 等众多外围器件，因此在性价比、功耗、 速度方面很有优势。故选用方案三。 1.51.51.51.5 过过过过压压压压保护保护保护保护部分部分部分部分 本部分采用 TI 的比较器 LM393，对 DC-DC 输出进行过压保护。通过电源 分压给比较器 LM393 同相端一个参考电压， 然后通过对 DC-DC 输出的分压给 比较器 LM393 反相端，从而实现了过压保护的功能。同时比较器的输出接 DC-DC 的 EN 端，当 DC-DC 输出小于 11V 时，比较器 LM393 输出高电平， DC-DC 变换器正常工作；当 DC-DC 输出超过极限值，比较器 LM393 输出低 电平，DC-DC 变换器停止工作。如果过压后输出调整，则比较器 LM393 恢复 高电平，从而实现了过压保护自动恢复的功能。 图 8 过压保护电路 1.61.61.61.6 开路检测部分开路检测部分开路检测部分开路检测部分 本部分采用控制器给出检测电平，通过模拟开管 CD4066 构成输出回路， 电路原理如下。首先，上电瞬间，控制器工作给 DC-DC 变换器的 EN 端低电 平，使 DC-DC 变换器停止工作。然后打开模拟开关，控制器给出一个检测电 平。如果有负载，则控制器可以接收到检测电平，同时控制器给 DC-DC 变换 器的 EN 端高电平，让 DC-DC 变换器开始工作；如果没有负载，则控制器不 能接收到检测电平，同时控制器继续给 DC-DC 变换器的 EN 端低电平，让 DC-DC 变换器停止工作。 图 9 开路检测电路 二、理论分析与计算二、理论分析与计算 2.12.12.12.1 输出电流输出电流 I Io o 输出电流Io由 DAC 输出以及 DC-DC 最大输出电压决定。 题目要求输出电 流Io可调范围：200mA2000mA，因为采样电阻为 0.1 欧姆，那么 DAC 输出 200mV 的时候，并且最大输出电压可达 10V，则电流可输出为 2000mA。根据 TPS5430 给出的数据手册： Vout(max)=0.87(VinMIN-IoMAX*0.230)+VD)-IoMAX*RL-VD 当 VinMIN=12V,IoMAX=2000mA,VD=0.2V,RL可忽略不计，最终得出，Vout(max) 约等于 10.4V。故输出电流是可以在 200mA2000mA 可调的。 2.22.22.22.2 电流调整率电流调整率 SISI 电流调整率SI指Ui在指定范围内变化时，输出电流Io的相对变化率，即 i i o o I U U I I S =。则设定 Ui=15V，则 Ui的变化值Ui为 3V，Io=1000mA,SI4%， 则可得 Io的变化值Io为 8mA。 2.32.32.32.3 负载调整率负载调整率 SRSR 负载调整率SR指输出电压Uo在指定范围内变化（改变负载）时，输出电 流Io的相对变化率，即 o o R I I S =。由题知 SR=4%,Io=1000mA，则 Io的变化值 Io为 40mA。 2.42.42.42.4 整机效率整机效率 整机效率=Po/PI，其中PoUoIo，PIUiIi。 三、系统设计实现三、系统设计实现 3.13.13.13.1 系统框图系统框图 如图 10，系统输入在 12-18V 内变化，通过 DC-DC1 降压变换器得到 DC-DC 输出经过负载得到电流。电流的恒定控制是利用控制器 MSP430F169 的键盘输 入值，实现数控功能。根据设定值，设定 DAC 输出电压值，通过驱动场效应管 来实现恒流控制。MSP430F169 通过读取采样电阻返回的误差的偏差值，来校 正输出电流。同时，还可以实现空载检测以及过压保护功能。 输 入D C-D C1 M SP4 3 0 电 流 检 测 负 载 驱 动场 效 应 管 空 载 检 测 采 样 电 阻 开 路 检 测 D C-D C2 显 示键 盘 图 10 系统设计总框图 3.23.23.23.2 主要模块电路主要模块电路 DC-DCDC-DC 转换模块转换模块 如图 11，DC-DC 模块是利用 TI 公司的 TPS5430 降压芯片。TPS5430 是 内置场效应管的 BUCK 芯片，故只需在芯片外部加上 BUCK 续流拓扑即可。 图 11DC-DC 电压转换电路 控制模块控制模块 控制模块由控制器、电流检测、空载检测、过压保护等部分构成。控制 器采用 TI 公司的低功耗单片机 MSP430F169，电流检测由 TI 公司的差分放大 器 INA143UA 构成，其中恒流驱动采用 TI 的运算放大器 LM358，过压保护采 用 TI 的专用比较器 LM393。 图 12 系统控制模块电路图 3.33.33.33.3 软件设计软件设计 系统的程序控制部分由单片机 MSP430F169 完成， 主要用来控制对电流的设定 控制和对电流误差的校准，以及显示功能。 图 13 图 14图 15 开始 初始化 休眠 等待中断 ADC 采 样中断 读取 采样值 采样电 流显示 调整电 流误差 返回 按键中断 读取键值 KEY=？ 返回 电 流 微 调（+） 电 流 微 调（-） 电 流 粗 调（+） 四、系统测试和数据分析四、系统测试和数据分析 4.14.14.14.1 测试仪器：测试仪器： (1) 稳压电源，输出电流 5A，030V； (2) 电阻 5，20W； (3) 电阻 1，10W； (4) 滑线电阻器（ 2A，050） ； 4.24.24.24.2 测试方法：测试方法： (1)Ui从 12V 变到 18V 时，电流调整率SI (2)改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，负载调整率SR (3)输出噪声纹波电流30mA (4)整机效率 (5)步进=10mA，输出电流与给定值的相对误差 4.34.34.34.3 测试数据：测试数据： 表 1 电流调整率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 负载调整率SR RL11.522.533.544.55 SR0.010.010.030.020.020.010.020.010.02 1.纹波电流：Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA 时，输出纹波电流=14mA。 2.整机效率：Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA 时，整机效率=75%。 表 3 步进=10mA，输出电流与给定值的相对误差 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