高效數(shù)控恒流電源（D題）報(bào)告.doc

本文檔系作者精心整理編輯，實(shí)用價(jià)值高。2010年TI杯四川省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽D題：高效數(shù)控恒流電源 設(shè) 計(jì) 報(bào) 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(shè)計(jì)以TI的MPS430F156單片機(jī)為控制核心，結(jié)合浮珊型驅(qū)動(dòng)MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2101，PWM控制器TL5001和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF7832，設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)控制電路。對(duì)于單片機(jī)，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(jī)和液晶顯示及單片機(jī)自帶AD/DA，能從本質(zhì)上減少了設(shè)計(jì)本，并提高系統(tǒng)效率。由單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)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(qū)動(dòng)芯片IR2101產(chǎn)生同步方波控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)管的通斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流，從而完成題目的要求。關(guān)鍵字：MPS430F156單片機(jī)，超低功耗，MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，PWM控制芯片，場(chǎng)效應(yīng)管一、方案選擇與論證1、總體方案該設(shè)計(jì)要求在輸入電壓Ui為15VDC(波動(dòng)范圍12V18V)及電阻負(fù)載條件下，使電源滿足輸出電流Io可調(diào)范圍：200mA2000mA；最大輸出電壓Uomax=10V；發(fā)揮部分要求輸入電壓波動(dòng)范圍為8V20V；具有上電前輸出開路檢測(cè)并報(bào)警顯示功能等。當(dāng)輸出為2A負(fù)載為5的時(shí)輸出電壓要求輸出為10V，當(dāng)輸入為8V的時(shí)候就要求我們對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓。因此我們選擇串聯(lián)開關(guān)電路形。方案一：選用可編程邏輯器件產(chǎn)生PWM，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET的開斷來(lái)控制輸出電壓的變化。方案二：采用單片機(jī)作為核心控制器件，控制PWM控制芯片產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，由場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)器控制MOSFET 的通斷。通過(guò)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(qū)動(dòng)芯片，Cyclone晶振可達(dá)40MHz,完全可以為開關(guān)管提供足夠的開關(guān)頻率，但FPGA難以對(duì)死區(qū)電壓進(jìn)行控制，也難以實(shí)現(xiàn)同步開關(guān)。因此容易燒壞MOSFET開關(guān)管。方案二采用單片機(jī)為核心控制，MSP430F1612單片機(jī)內(nèi)部帶AD和DA，可以通過(guò)控制PWM控制芯片達(dá)到相同的效果，且其具有超低功耗的優(yōu)勢(shì)。因此我們可以對(duì)MSP430單片機(jī)內(nèi)部資源來(lái)進(jìn)行充分利用，并且此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是降低功耗，MSP430單片機(jī)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(chǎng)管驅(qū)動(dòng)控制芯片選擇方案一：采用由IOR公司生產(chǎn)的IR2101作為驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為MOS管高低邊驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片。方案二：采用由TI公司生產(chǎn)的TPS2830和TPS2831的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為單輸入，雙輸出，兩個(gè)輸出信號(hào)高低電平相反，其中，TPS2830輸入端內(nèi)部自帶非門，而TPS2831內(nèi)部不帶非門。芯片最小工作電壓為4.5V。鑒于本次設(shè)計(jì)輸入電壓范圍為：820V，而TPS系列的驅(qū)動(dòng)芯片BOOTLO端對(duì)地的電壓最大不能超過(guò)16V，如果采用方案二，將出現(xiàn)高電壓輸入燒管的危險(xiǎn)。而IR2101兩路穩(wěn)定輸出成功克服了上述問(wèn)題。所以為使正常安全運(yùn)行，選擇方案二。3、電流采樣方案電流采樣是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理，即在輸出主回路中串聯(lián)一個(gè)小電阻進(jìn)行采樣，本次設(shè)計(jì)采用康銅絲組成的20m的采樣電阻，將回路中200mA2000mA電流轉(zhuǎn)換為4mV40mV的電壓信號(hào)。對(duì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的處理方案如下：方案一：使用TI公司生產(chǎn)的儀用運(yùn)放INA133對(duì)電壓信號(hào)放大50倍（200mV2V），再使用單片機(jī)內(nèi)部12位AD進(jìn)行電壓采樣，即可以反映主回路電流信號(hào)。方案二：使用有MAX公司生產(chǎn)的高端電流檢測(cè)放大器MAX4173, 它采用單電壓2.7V至28V的供應(yīng)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(duì)增益設(shè)置電阻。方案對(duì)比：儀用運(yùn)放雖然也為低功耗，但其工作電壓范圍較窄，勢(shì)必將增加穩(wěn)壓芯片為其供電，并且還要設(shè)置增益電阻，增加了電路設(shè)計(jì)的難度和精度；而MAX4173正好克服了這些缺點(diǎn)，其配合康銅絲采樣電阻構(gòu)成穩(wěn)定采樣比且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電流采樣電路所以選擇方案二。二、系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)與實(shí)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(guò)固定DTC端的電壓來(lái)確定，即可以實(shí)現(xiàn)程控占空比。通過(guò)DA輸出控制信號(hào)，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(chǎng)管驅(qū)動(dòng)如圖3所示為場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)芯片為TI公司生產(chǎn)的TPS2830和TPS2831，實(shí)現(xiàn)四路PWM輸出。每個(gè)芯片的高端輸出和低端輸出波形相反，用于實(shí)現(xiàn)同步開關(guān)。 圖3 場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)電路3、Buck-Boost升降壓主控電路考慮到開關(guān)電容的主要功耗損失在于MOSFET導(dǎo)通時(shí)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(shè)計(jì)采用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF7832 ，它的DS兩端的電阻為4毫歐，導(dǎo)通電壓為4.5V,VDS最大30V，符合設(shè)計(jì)要求并且導(dǎo)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(shè)計(jì)過(guò)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(jī)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(shè)計(jì) 四、軟件設(shè)計(jì)1、MSP430軟件設(shè)計(jì)：如圖5所示，為MSP430單片機(jī)主控軟件設(shè)計(jì)流程圖。圖5 單片機(jī)程序流程圖五、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果分析：1調(diào)試方法和過(guò)程采用外部電源給系統(tǒng)供電分別測(cè)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(cè)試參數(shù)測(cè)試電路模型2主要的測(cè)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(wàn)用表DT9205，晶體管毫伏表；3輸出電流范圍測(cè)試：當(dāng)Ui=12V18V變化時(shí)，接上負(fù)載=5，數(shù)字設(shè)定輸出電流值，用數(shù)字多用表DM3064測(cè)量電源的輸出電流值，結(jié)果如下表所示：序號(hào)Ui值（V）設(shè)定電流值（mA）顯示電流值（mA）測(cè)量電流值（mA）測(cè)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(cè)試該電源的數(shù)字設(shè)定及控制輸出電流的步進(jìn)為7mA。（3）電流調(diào)整率SI測(cè)試：設(shè)定輸出電流Io1000mA，負(fù)載=5，當(dāng)Ui=12V18V變化時(shí)，用數(shù)字多用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出電流值，計(jì)算相應(yīng)的電流調(diào)整率SI值，結(jié)果如下表所示：序號(hào)設(shè)定電流值（mA）Ui值（V）輸出電流值（mA）電流調(diào)整率SI110001210021%2100018994（4）負(fù)載調(diào)整率SR測(cè)試：設(shè)定Ui=15V、Io1000mA，當(dāng)負(fù)載在15變化時(shí)，用數(shù)字多用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出電流值，計(jì)算相應(yīng)的負(fù)載調(diào)整率SR值，結(jié)果如下表所示：序號(hào)設(shè)定電流值（mA）設(shè)定電壓值（V）值（）輸出電流值（mA）負(fù)載調(diào)整率SR1100015110202.421000155996（5）輸出噪聲紋波電流測(cè)試：設(shè)定Ui=15V、Io2000mA，負(fù)載=5，用晶體管毫伏表測(cè)量輸出噪聲紋波電流值為 5.02 mA。（6）整機(jī)效率測(cè)試：設(shè)定Ui=15V、Io2000mA，負(fù)載=5，用數(shù)字多用表測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸入電流值Ii為 1993 mA。計(jì)算得整機(jī)效率= 83 %.（7）過(guò)壓保護(hù)功能測(cè)試：設(shè)定Ui=15V、Io1000mA，負(fù)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(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，確定過(guò)壓保護(hù)功能，測(cè)定保護(hù)動(dòng)作電壓Uoth= 10.5V。該電源具有過(guò)壓保護(hù)自動(dòng)恢復(fù)功能。（8）測(cè)試結(jié)果分析：從以上測(cè)試結(jié)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(biāo)完全達(dá)到了題目要求。3、測(cè)試結(jié)果分析：從測(cè)試結(jié)果可以看出：（1）、輸出電流Io可調(diào)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(shí)，電流調(diào)整率SI =1，滿足基本要求。（3）、改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)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(shí)滿足基本要求和發(fā)揮部分。（5）、整機(jī)效率= 83%，同時(shí)滿足基本要求和發(fā)揮部分。（6）、具有過(guò)壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Uoth=10.5V，滿足基本要求。（7）、能數(shù)字設(shè)定并控制輸出電流，步進(jìn)=7mA，輸出電流與給定值的相對(duì)誤差1.6%，滿足發(fā)揮部分。（8）、排除過(guò)壓故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)，滿足發(fā)揮部分要求（9）、具有輸出電流的測(cè)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(shè)計(jì)同時(shí)完成了恒流源和恒壓源，通過(guò)鍵盤可以切換兩種功能。恒壓源部分，經(jīng)過(guò)上面一環(huán)一環(huán)的測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)基本達(dá)到本次題目的要求。六、結(jié)論本設(shè)計(jì)通過(guò)我們同小組的三名同學(xué)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(dòng)范圍12V18V)及電阻負(fù)載條件下，使電源基本滿足題目基礎(chǔ)部分和部分發(fā)揮部分指標(biāo)。其實(shí)本設(shè)計(jì)還有很大的提升空間，由于之前對(duì)電源了解不是太多，對(duì)于硬件所要考慮到的知識(shí)不夠充分，比如電感的選擇，濾波方式的選擇，開關(guān)工作頻率等，沒有將硬件指標(biāo)達(dá)到最佳，沒能達(dá)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(shí)電源效率可以達(dá)到83%以上。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我們的動(dòng)手能力以及處理問(wèn)題的能力都有了很大的提高，并加深了對(duì)DC-DC開關(guān)電源有了更深的理解，我們的收獲很大。參考文獻(xiàn)： 【1】 王水平 史俊杰 田慶安 開關(guān)穩(wěn)壓電源 西安電子科技大學(xué)出版社 1997年 【2】 孫肖子 模擬及數(shù)?；旌掀骷脑砼c應(yīng)用 科學(xué)出版社2009年 【3】沈建華 MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用 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