2023四川省電子設(shè)計(jì)大賽電源題LM5117設(shè)計(jì)方案論文

A題：降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源2023年7月28日摘要隨著開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展，DC-DC降壓性開關(guān)電源已在通信、計(jì)算機(jī)以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。近年來，電池供電便攜式設(shè)備的需求越來越大，對(duì)DC-DC開關(guān)電源的需求也日益增大，同時(shí)對(duì)其性能要求也是越來越高。在當(dāng)前背景下，高頻化、小體積化、輕質(zhì)量化、高效率化、低成本化、安全可靠性乃至綠色化都成了為DC-DC開關(guān)電源未來必須追求的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)的降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源采用TI公司的降壓控制器LM5117芯片和CSD18532KCSMOS場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件，本著當(dāng)前降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，此電源設(shè)計(jì)正是一款效率、質(zhì)量、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、紋波均滿足設(shè)計(jì)要求，額定輸入電壓為16V，額定輸出電壓為5V，最大輸出電流為3A的DC-DC開關(guān)電源電路。同時(shí)就有負(fù)載識(shí)別實(shí)時(shí)輸出恒定電壓，過流保護(hù)的功能。AbstractWiththerapiddevelopmentoftheswitchingpowersupplytechnology,theDC-DCswitchingpowersupplyinthefieldofcommunications,computerandconsumerelectronicsproductshavebeenwidelyusedanditisaindispensablepowersource.Inrecentyears,thedemandforbattery-poweredportabledevicesisgrowing,increasingthedemandforDC-DCswitchingpowersupply,whileitsperformancerequirementsaregettinghigherandhigher.Inthiscontext,thehighfrequency,smallsize,highefficiency,lowcost,safetyandreliabilityaswellasgreenbecametheDC-DCswitchingpowersupplymustpursuethedirectionofdevelopment.Thisdesigntypeofstep-downdcswitchingpowersupplyadoptsLM5117step-downcontrollerchipandCSD18532KCSMOSfieldeffecttubeofTIcompanyasthecorecomponents.Inlinewiththecurrentdevelopmentdirectionoftypestep-downDCswitchingpowersupply,theswitchingpowersupplydesignisaefficiency,quality,voltageregulation,loadregulation,rippleallmeetthedesignrequirements,theratedinputvoltageof16v,ratedoutputvoltageof5v,themaximumoutputcurrentof3aDC-DCswitchingpowersupplycircuit.Thereisloadidentificationreal-timeoutputconstantvoltageatthesametime,thefunctionofover-currentprotection.目錄1系統(tǒng)方案11.1方案一11.2方案二12系統(tǒng)理論分析與計(jì)算22.1DC-DC變換方法22.2穩(wěn)壓控制方法22.3降低紋波方法23電路與程序設(shè)計(jì)33.1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)3系統(tǒng)總框圖33.2主回路設(shè)計(jì)與器件選擇3主回路設(shè)計(jì)3主要器件的選擇33.3可變電壓輸出設(shè)計(jì)43.4程序的設(shè)計(jì)4程序功能描述與設(shè)計(jì)思路4程序流程圖44測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果54.1測(cè)試方案54.2測(cè)試條件與儀器54.3測(cè)試結(jié)果及分析6測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))6測(cè)試分析與結(jié)論6參考文獻(xiàn)6附錄1：電路原理圖8附錄2：DC-DC相關(guān)計(jì)算9附錄3：源程序10降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源（A題）【本科組】1系統(tǒng)方案本設(shè)計(jì)以LM5117降壓控制器和CSD18532KCSNMOSFET場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件，搭建一個(gè)DC-DC同步整流降壓拓?fù)渥儞Q電路。實(shí)現(xiàn)5V固定電壓輸出，最大3A電流輸出，紋波小于50mV，效率高于85%。搭建DC-DC直流穩(wěn)壓器，并引入負(fù)載電阻測(cè)試功能，能識(shí)別電阻的大小來控制輸出電壓。1.1方案一本方案采用純硬件的方式來識(shí)別電阻大小以及控制輸出電壓。測(cè)電阻時(shí)，采用將外接負(fù)載識(shí)別電阻作為運(yùn)放的反饋電阻，通過電阻值的變化調(diào)節(jié)輸出電壓。通過后級(jí)運(yùn)放輸出的高低電平信號(hào)來控制LM5117的反饋引腳FB（0.8V參考電壓，低于0.8V出電壓上升，高于0.8V，輸出電壓降低）。通過調(diào)節(jié)幾個(gè)運(yùn)放之間的放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系。本設(shè)計(jì)采用純硬件方式，電路略微復(fù)雜，可靠性容易受運(yùn)放影響，且在調(diào)試上會(huì)比較困難，識(shí)別控制精度較低。1.2方案二本方案采用DC-DC加MCU的方式，使用德州儀器（TI）高性能超低功耗處理器MSP430F5438A為核心控制。將外接負(fù)載識(shí)別電阻與參考電阻R串聯(lián)分壓后，用單片機(jī)內(nèi)部ADC采集負(fù)載識(shí)別電阻兩端電壓大小，從而計(jì)算出該電阻阻值，之后配置外部DAC輸出相應(yīng)的電壓值用于作為參考電壓。將參考電壓與LM5117輸出的反饋電壓用比較器進(jìn)行比較。將比較器輸出端連接到LM5117的反饋引腳FB，從而根據(jù)負(fù)載識(shí)別電阻大小精確控制輸出電壓大小。本方案引入了MCU，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，但是具有高可靠性，高控制精度，以及高效率。綜上所述，選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1DC-DC變換方法本設(shè)計(jì)中LM5117采用的是同步整流，上管作為功率管，下管為續(xù)流管，在上管關(guān)閉后，由于兩端電流不突變，所以低管為電感續(xù)流，進(jìn)而為外接負(fù)載續(xù)流。普通的開關(guān)電源芯片采用的是二極管續(xù)流，由于二極管有個(gè)PN結(jié)壓降（一般0.5V）,輸出電壓較小時(shí)隨著輸出電流增大，，在二極管上的損耗將會(huì)很大，這將極大的影響整個(gè)電源供電的效率。LM5117將續(xù)流二極管換成了超低導(dǎo)通內(nèi)阻NMOSFET，在大電流低電壓輸出時(shí)損耗會(huì)大大降低，從而提高電源系統(tǒng)的效率。原理圖見附錄一。2.2穩(wěn)壓控制方法LM5117內(nèi)置誤差放大器，通過比較器輸出電平給LM5117反饋引腳，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。本設(shè)計(jì)通過一個(gè)繼電器來選擇反饋電阻通道，根據(jù)外接是否有電阻來判斷默認(rèn)選擇固定電壓反饋通道，在檢測(cè)到電阻后，控制DAC的輸出電壓來與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)而控制輸出電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓控制電路原理圖如圖2.1。圖2.1穩(wěn)壓控制電路2.3降低紋波方法由于開關(guān)管不斷導(dǎo)通關(guān)斷，電感電容不停的充放電，從而產(chǎn)生了輸出電壓的幅度波動(dòng)，可以適當(dāng)提高開關(guān)頻率來降低紋波。本設(shè)計(jì)采用546KHz開關(guān)頻率，為了達(dá)到較小的輸出紋波，選擇37uH輸出電感，并選擇了低ESR，470uF輸出電容來降低負(fù)載下的紋波，并通過合理的PCB走線來降低走線紋波帶來的干擾。原理圖見附錄一。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示：DC-DCDC-DC降壓控制電路LM5117輔助電源負(fù)載識(shí)別端口過流保護(hù)濾波電路ADC采樣MSP430F5438ADAC輸出輸入輸出比較器圖3.1系統(tǒng)總體框圖3.2主回路設(shè)計(jì)與器件選擇主回路設(shè)計(jì)TI公司的降壓控制器LM5117芯片和CSD18532KCSMOS場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件搭建DC-DC變換電路，作為負(fù)載主回路。本設(shè)計(jì)采用LM5117做降壓控制器，輸出5V、3A電流。開關(guān)頻率546KHz，開啟二極管仿真，相關(guān)參數(shù)計(jì)算見附錄二。電路原理圖圖見附錄一。主要器件的選擇DC-DC主回路采用德州儀器官方提供的LM5117同步降壓整流芯片和超低導(dǎo)通電阻，高速NMOSFET—CSD18532，搭建降壓直流穩(wěn)壓電源。以超低功耗單片機(jī)MSP430F5438A，為主控芯片，采用內(nèi)部ADC采樣。LM393高速比較器，進(jìn)行過流保護(hù)比較和電壓調(diào)節(jié)比較。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用MCP4822為比較器反相輸入端提供參考電壓。XL4005作為輔助電源芯片提供3.3V供電系統(tǒng)。原理圖見附錄一。3.3可變電壓輸出設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)是電源電壓可調(diào)的關(guān)鍵，通過從輸出端串聯(lián)兩個(gè)電阻分壓后反饋給比較器同相輸入端，比較器反相輸入端接DAC輸出電壓，通過調(diào)節(jié)DAC輸出電壓值，從而改變控制閥值，并將比較器的輸出端直接接到LM5117反饋引腳FB。當(dāng)改變DAC輸出電壓時(shí)，輸出電壓也會(huì)隨之改變。從而實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)的功能，為外接負(fù)載識(shí)別電阻調(diào)節(jié)輸出電壓大小提供了基礎(chǔ)。原理圖見附錄一。3.4程序的設(shè)計(jì)3.4.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述本設(shè)計(jì)采用MSP430F5434A內(nèi)置ADC采樣，根據(jù)公式（U0=R/1K）處理后，控制DAC輸出電壓作為參考電壓控制輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)控制的目的。不接負(fù)載識(shí)別電阻則默認(rèn)選擇固定輸出電壓通道，當(dāng)ADC檢測(cè)到有允許范圍內(nèi)的阻值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器選擇電壓可調(diào)通道，根據(jù)采樣的電阻值，來控制輸出電壓。3.4.2程序流程圖1、主程序流程圖進(jìn)行初始化配置進(jìn)行初始化配置（IO口及ADC等）開始采樣值是否在限定范圍內(nèi)結(jié)束ADC采樣根據(jù)采樣值配置相應(yīng)DAC輸出DAC配置為設(shè)定輸出值(0.83V)是否圖3.2主程序流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案1、硬件測(cè)試1）輸入輸出電壓電流測(cè)試方法：通過四個(gè)六位半高精度數(shù)字萬用表同時(shí)測(cè)量總輸入和負(fù)載輸出點(diǎn)處的電壓及電流。并以這些數(shù)據(jù)計(jì)算效率。2）電壓調(diào)整率測(cè)試在滿載（3A）條件下，根據(jù)題目要求，輸入電壓Uin從17.6V調(diào)至13.6V,測(cè)量負(fù)載兩端電壓變化。并根據(jù)以下公式計(jì)算電壓調(diào)整率。SV=max?U3）負(fù)載調(diào)整率測(cè)試在輸出電壓不變的情況下，IO從滿載IOmax變到輕載0.2Si=UO4）紋波測(cè)試用示波器交流檔測(cè)量輸出負(fù)載兩端，將負(fù)載加大至輸出電流3A，調(diào)節(jié)示波器電壓刻度，使測(cè)量到的信號(hào)（波形）在屏幕上占大約2/3的比例，然后打開峰峰值監(jiān)測(cè)，觀察紋波大小。5)過流保護(hù)測(cè)試將負(fù)載加大，當(dāng)輸出電流達(dá)到3.2A，輸出將會(huì)關(guān)斷，減小負(fù)載后，電流輸出又馬上恢復(fù)。2、軟件仿真測(cè)試1）測(cè)試ADC采樣是否正常。2）測(cè)試DAC采樣是否正常。3）根據(jù)ADC采樣值來控制DAC是否正常。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)1）外加負(fù)載電阻時(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際的阻值，輸出對(duì)應(yīng)的電壓（U0=R/1K）。2)測(cè)試去掉外接負(fù)載電阻后能否自動(dòng)調(diào)回固定電壓輸出檔。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字萬用表，數(shù)字示波器，大功率負(fù)載電阻。4.3測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))測(cè)試結(jié)果好下表所示：輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流效率紋波負(fù)載調(diào)整率電壓調(diào)整率17.60V1.07A4.98V3.01A87.75%42mV0.7%0.1%13.60V1.25A4.96V3.02A87.82%36mV16.00V1.08A4.96V3.01A87.68%38mV————外接負(fù)載識(shí)別電阻與輸出電壓關(guān)系表：外接負(fù)載電阻1.00K3.90K7.80K9.00K10.00K輸出電壓0.83V3.89V7.84V9.02V9.98V測(cè)試分析與結(jié)論分析：輸出電壓誤差小于0.1V。輸出電流具有過流保護(hù)，誤差低于0.1V。調(diào)整電壓，輸出電壓變化0.02V電壓調(diào)整率低于題目要求。輸出電壓不變，輸出負(fù)載變化，負(fù)載調(diào)整率低于題目。5.01V輸出時(shí)，3A電流輸出，輸入16V系統(tǒng)效率高于85%。測(cè)試多個(gè)電阻值，均能按照題目公式輸出相應(yīng)電壓。結(jié)論：綜上述，原理圖跟實(shí)物一致，實(shí)測(cè)參數(shù)滿足題目要求。本設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)[1]童詩白第四版《模擬電路》[2]北京航空航天大學(xué)出版社《MSP430超低功耗單片機(jī)開發(fā)實(shí)例》[3]中國(guó)電力出版社《開關(guān)電源入門設(shè)計(jì)》附錄1：電路原理圖圖1系統(tǒng)總電路圖附錄2：DC-DC相關(guān)計(jì)算定時(shí)電阻RTR輸出電感LOL電流檢測(cè)電阻RSR斜坡電阻RRAMP和斜坡電容CRAMPR自舉電容和自舉二極管的關(guān)系：輸出電容：輸入電容：軟啟動(dòng)電容的啟動(dòng)時(shí)間：重啟電容器的啟動(dòng)時(shí)間：輸出分壓器和的關(guān)系：附錄3：源程序#include<msp430x54x.h>#include"4822_SPI.H"#include"MSP430_ADC.H"floatADR=326.0;//ADC采樣值intDAU=3496;//DAC輸出值floatR=0.0;//R的值voidmain(void) { WDTCTL=WDTPW|WDTHOLD; //Stopwatchdogtimer Init_ADC();//初始化ADC _4822_IO_init();//初始化DAC通信接口 P2DIR|=BIT3; P2REN|=BIT3; P2OUT^=BIT3;//置低，選擇固定5V輸出 while(1) { ADC12CTL0|=ADC12SC;//進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換 while(ADC12CTL0&0X0);//等待轉(zhuǎn)換完成 ADR=ADC12MEM0;//獲得采樣值 R=10*ADR/(4096-ADR);//獲得R的值 if(ADR<100||ADR>2098)//上限設(shè)置為10.5k { P2OUT&=~BIT3; } if(ADR>100&&ADR<372)//0-1K { P2OUT|=BIT3; DAU=261-(1-R)*261; } if(ADR==372)//1K { P2OUT|=BIT3; DAU=261; } if(ADR>372&&ADR<682)//1-2K { P2OUT|=BIT3; DAU=661-(2-R)*400; } if(ADR==682)//2K { P2OUT|=BIT3; DAU=661; } if(ADR>682&&ADR<945)//2-3K { P2OUT|=BIT3; DAU=1046-(3-R)*385; } if(ADR==945)//3K { P2OUT|=BIT3; DAU=1046; } if(ADR>945&&ADR<1170)//3-4K { P2OUT