高效数控恒流电源（D题）报告.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。2010年TI杯四川省大学生电子设计竞赛D题：高效数控恒流电源 设 计 报 告日期：2010年7 月 22 日高效数控恒流电源（D题）摘要：本次设计以TI的MPS430F156单片机为控制核心，结合浮珊型驱动MOS管驱动芯片IR2101，PWM控制器TL5001和N沟道场效应管IRF7832，设计并制作了基于Buck-Boost升降压电路的高效数控恒流电源。本系统电路一共分为三部分：系统主控及按键显示部分、恒流产生受控电路和PWM驱动控制电路。对于单片机，主要用于电流、电压采样及其数据处理和控制、显示。采用超低功耗的单片机和液晶显示及单片机自带AD/DA，能从本质上减少了设计本，并提高系统效率。由单片机产生的控制信号控制TL5001产生频率固定、占空比可变且可靠的PWM波，最终由MOS管驱动芯片IR2101产生同步方波控制信号驱动场管的通断，实现数控恒流，从而完成题目的要求。关键字：MPS430F156单片机，超低功耗，MOS管驱动芯片，PWM控制芯片，场效应管一、方案选择与论证1、总体方案该设计要求在输入电压Ui为15VDC(波动范围12V18V)及电阻负载条件下，使电源满足输出电流Io可调范围：200mA2000mA；最大输出电压Uomax=10V；发挥部分要求输入电压波动范围为8V20V；具有上电前输出开路检测并报警显示功能等。当输出为2A负载为5的时输出电压要求输出为10V，当输入为8V的时候就要求我们对输出电压进行升压。因此我们选择串联开关电路形。方案一：选用可编程逻辑器件产生PWM，来实现对MOSFET驱动芯片的控制，实现对MOSFET的开断来控制输出电压的变化。方案二：采用单片机作为核心控制器件，控制PWM控制芯片产生占空比可调的PWM波，由场管驱动器控制MOSFET 的通断。通过控制PWM波的占空比控制输出电流。电流输出效率高，PWM控制精度要求高，但是输出纹波较大，需要附加滤波电路。方案比较：方案一采用Atmel公司的Cyclone作为核心控制芯片，产生PWM波给MOSFET驱动芯片，Cyclone晶振可达40MHz,完全可以为开关管提供足够的开关频率，但FPGA难以对死区电压进行控制，也难以实现同步开关。因此容易烧坏MOSFET开关管。方案二采用单片机为核心控制，MSP430F1612单片机内部带AD和DA，可以通过控制PWM控制芯片达到相同的效果，且其具有超低功耗的优势。因此我们可以对MSP430单片机内部资源来进行充分利用，并且此次设计的重点是降低功耗，MSP430单片机为我们提供了有利的硬件资源。因此我们选择方案二。方案二的框图如图1所示图1 总体方案框图2、DC-DC变换器的场管驱动控制芯片选择方案一：采用由IOR公司生产的IR2101作为驱动芯片，该芯片为MOS管高低边驱动芯片，提供两路分别控制PWM控制输入输出，芯片最小工作电压可低于8V，属于宽电压驱动芯片。方案二：采用由TI公司生产的TPS2830和TPS2831的驱动芯片，该芯片为单输入，双输出，两个输出信号高低电平相反，其中，TPS2830输入端内部自带非门，而TPS2831内部不带非门。芯片最小工作电压为4.5V。鉴于本次设计输入电压范围为：820V，而TPS系列的驱动芯片BOOTLO端对地的电压最大不能超过16V，如果采用方案二，将出现高电压输入烧管的危险。而IR2101两路稳定输出成功克服了上述问题。所以为使正常安全运行，选择方案二。3、电流采样方案电流采样是将电流信号转换为电压信号进行处理，即在输出主回路中串联一个小电阻进行采样，本次设计采用康铜丝组成的20m的采样电阻，将回路中200mA2000mA电流转换为4mV40mV的电压信号。对产生的电压信号的处理方案如下：方案一：使用TI公司生产的仪用运放INA133对电压信号放大50倍（200mV2V），再使用单片机内部12位AD进行电压采样，即可以反映主回路电流信号。方案二：使用有MAX公司生产的高端电流检测放大器MAX4173, 它采用单电压2.7V至28V的供应和消耗仅为30uA，贴片封装节省空间。它具有电压输出，减少了对增益设置电阻。方案对比：仪用运放虽然也为低功耗，但其工作电压范围较窄，势必将增加稳压芯片为其供电，并且还要设置增益电阻，增加了电路设计的难度和精度；而MAX4173正好克服了这些缺点，其配合康铜丝采样电阻构成稳定采样比且结构简单的电流采样电路所以选择方案二。二、系统具体设计与实现1、PWM波的产生和控制PWM波的产生和控制采用TI公司的PWM控制芯片TL5001，PWM波的频率由RT控制，占空比可通过固定DTC端的电压来确定，即可以实现程控占空比。通过DA输出控制信号，方便地改变PWM波的占空比。PWM波产生电路如图2图2 PWM波产生电路2、场管驱动如图3所示为场管驱动电路，驱动芯片为TI公司生产的TPS2830和TPS2831，实现四路PWM输出。每个芯片的高端输出和低端输出波形相反，用于实现同步开关。 图3 场管驱动电路3、Buck-Boost升降压主控电路考虑到开关电容的主要功耗损失在于MOSFET导通时DS端的电阻，整流二极管，PCB中电源线的接入电阻等。为了提高效率，本次设计采用N沟道场效应管IRF7832 ，它的DS两端的电阻为4毫欧，导通电压为4.5V,VDS最大30V，符合设计要求并且导通电压低，电阻小，功耗低。将整流二极管用同步MOSFET代替同样的可以极大的减小功耗，提高效率。在PCB设计过程中，加粗电源线和地线，减小接入电阻，减小电路损耗。主控电路如图4所示。图4 Buck-Boost升降压主控电路4、系统电源电路 本系统将用到+3.3V和+5V稳压电源，其中+3.3V为单片机供电，+5V为TL5001和液晶显示器供电。综合各部分用电情况，属于低功耗，所以选择电源芯片为HT公司生产的HT7133和H7150三端稳压芯片分别为系统提供+3.3V、+5V电源。稳压电路如图5所示。图4稳压电路三、理论分析与参数设计 四、软件设计1、MSP430软件设计：如图5所示，为MSP430单片机主控软件设计流程图。图5 单片机程序流程图五、测试方案与测试结果分析：1调试方法和过程采用外部电源给系统供电分别测量输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，系统纹波。Buck-Boost电路IiIoUiUoRL图6 系统测试参数测试电路模型2主要的测试仪器、仪表：直流稳压电源1732SLL3A， RIGOL六位半数字多用表DM3064，三位半数字万用表DT9205，晶体管毫伏表；3输出电流范围测试：当Ui=12V18V变化时，接上负载=5，数字设定输出电流值，用数字多用表DM3064测量电源的输出电流值，结果如下表所示：序号Ui值（V）设定电流值（mA）显示电流值（mA）测量电流值（mA）测量误差显示误差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%经测试该电源的数字设定及控制输出电流的步进为7mA。（3）电流调整率SI测试：设定输出电流Io1000mA，负载=5，当Ui=12V18V变化时，用数字多用表测量对应的输出电流值，计算相应的电流调整率SI值，结果如下表所示：序号设定电流值（mA）Ui值（V）输出电流值（mA）电流调整率SI110001210021%2100018994（4）负载调整率SR测试：设定Ui=15V、Io1000mA，当负载在15变化时，用数字多用表测量对应的输出电流值，计算相应的负载调整率SR值，结果如下表所示：序号设定电流值（mA）设定电压值（V）值（）输出电流值（mA）负载调整率SR1100015110202.421000155996（5）输出噪声纹波电流测试：设定Ui=15V、Io2000mA，负载=5，用晶体管毫伏表测量输出噪声纹波电流值为 5.02 mA。（6）整机效率测试：设定Ui=15V、Io2000mA，负载=5，用数字多用表测量对应的输入电流值Ii为 1993 mA。计算得整机效率= 83 %.（7）过压保护功能测试：设定Ui=15V、Io1000mA，负载换为0100滑线电阻器，改变滑线电阻器的阻值，用数字多用表测量对应的输出电压值，确定过压保护功能，测定保护动作电压Uoth= 10.5V。该电源具有过压保护自动恢复功能。（8）测试结果分析：从以上测试结果可以看出，该系统较好完成了题目基本部分与发挥部分的要求，绝大多数指标完全达到了题目要求。3、测试结果分析：从测试结果可以看出：（1）、输出电流Io可调范围：200mA2000mA；最大输出电压Uomax：10V，满足基本要求。（2）、Ui从12V变到18V时，电流调整率SI =1，满足基本要求。（3）、改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，负载调整率SR=2.4，满足基本要求。（4）、输出噪声纹波电流=5.02 mA，同时满足基本要求和发挥部分。（5）、整机效率= 83%，同时满足基本要求和发挥部分。（6）、具有过压保护功能，动作电压Uoth=10.5V，满足基本要求。（7）、能数字设定并控制输出电流，步进=7mA，输出电流与给定值的相对误差1.6%，满足发挥部分。（8）、排除过压故障后，电源能自动恢复为正常状态，满足发挥部分要求（9）、具有输出电流的测量和数字显示功能，满足发挥部分要求。（10）、其他部分：本次设计同时完成了恒流源和恒压源，通过键盘可以切换两种功能。恒压源部分，经过上面一环一环的测试，整个系统基本达到本次题目的要求。六、结论本设计通过我们同小组的三名同学近一周的默契配合，做出的作品能基本的满足题目要求，在输入电压Ui为15V/DC(波动范围12V18V)及电阻负载条件下，使电源基本满足题目基础部分和部分发挥部分指标。其实本设计还有很大的提升空间，由于之前对电源了解不是太多，对于硬件所要考虑到的知识不够充分，比如电感的选择，滤波方式的选择，开关工作频率等，没有将硬件指标达到最佳，没能达到最好的效果。电源的效率最高，在输出电流为2A，输出电压为10V时电源效率可以达到83%以上。通过本次设计，我们的动手能力以及处理问题的能力都有了很大的提高，并加深了对DC-DC开关电源有了更深的理解，我们的收获很大。参考文献： 【1】 王水平 史俊杰 田庆安 开关稳压电源 西安电子科技大学出版社 1997年 【2】 孙肖子 模拟及数模混合器件的原理与应用 科学出版社2009年 【3】沈建华 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 清华大学出版2004年 【4】 谢自美 电子线路设计实验测试（第三版） 华东科技大学出版社2006年 【5】 康华光 电子设计基础 数字部分（第五版）高等教育出版社 2006年 【6】 康华光 电子设计基础 模拟部分（第五版）高等教育出版社 2006年【7】 谭浩强 C程序设计第三版 清华大学出版社 2006年附录1、单片机小系统原理图及Buck-Boost电路 2、部分核心程序（简易PI调节算法源程序）#include pi.hfloat PI_Dk1_cur=0; /上一次的控制量float PI_A_CURRENT