电子设计大赛高效数控恒流电源.docx

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电子设计大赛高效数控恒流电源

电子设计大赛-高效数控恒流电源

高效数控恒流电源

摘要

随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化的方向发展。

电流源可以看作输出电压随着负载而变化，保证负载中的电流恒定不变。

本设计根据题目要求，采用以TI低功耗单片机MSP430F247为核心控制电路，开关电源控制芯片TPS5430作DC-DC变换电路。

该电路系统具有效率高、输出稳定、电流步进小、输出电流纹波小等特点，具有输入过压、输入欠压和输出过压保护功能，在故障排除后并能自动恢复。

本设计采用彩色液晶显示、红外遥控，控制方便且具有环境温度检测和显示时间等功能。

关键词：

MSP430F247TPS5430高效率彩色液晶红外时钟温度检测

1.前言

现今社会，电源设备智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，电源设备的性能备受人们的关注，尤其是效率和稳定性。

基于此．对更高性能的数控恒流源的开发和应用势在必行，本设计旨在设计一款具有高效率、高稳定度的数控开关恒流源。

输出电流可在200mA~2000mA范围内任意设置，最小步进可达1mA，输出相对误差小于0.5%。

2.总体方案设计

1.1系统框图

2.1方案论证与比较

2.1.1主控电路CPU选择

方案一：

采用传统的STC89C51单片机，价格便宜，使用简单，但是运行速度低，功能单一，RAM、ROM空间小。

方案二：

采用升级版51单片机STC12C5A60S2，其相对于一般51单片机拥更高的速度，指令代码完全兼容。

但其定时器、外部中断分别只有两个，不能满足本设计要求。

方案三：

选用TI公司的超低功耗16位单片机MSP430F247，其具有强大的运算能力。

可采用1.8-3.6v低电压供电，另外，采用矢量中断，支持多个中断源，可任意嵌套。

芯片内部资源丰富。

结合本设计高效率、高速度和多控制接口的需求，采用方案三。

2.1.2恒流源的设计

方案一：

采用NE555产生固定频率的三角波。

恒流源输出电流反馈和电压基准源经误差放大器进行误差放大。

放大的信号再与三角波比较产生占空比可调的方波。

驱动MOSFET。

形成闭环控制从而达到恒流输出的目的。

方案二：

采用PWM控制芯片UC3843作DC-DC变换，引入电流反馈，达到恒流输出。

UC3843具有低启动电流，关断延迟时间短等优点。

但其需外加MOSFET管，若应用N沟道管，当负载和输出电流较大时，源极电压被抬高，则管子无法完全饱和，使电路性能变差。

方案三：

采用开关电源控制芯片TPS5430，输出端引入电流反馈达到恒流输出。

输出电流可达到3A，符合题目要求。

且输入电压范围为5.5-36v。

内集成低阻抗N沟道MOSFET.开关频率达到500KHZ，工作效率高达95%。

综上所述，我们选用了方案三。

2.1.3输出过压保护控制

方案一：

通过软件实现，电路输出端并上两个大的电阻分压，所得的电压经主控板AD采集，可实时监测输出的电压值，这样在一定程度上减轻了硬件的负担。

但是由于输出电压有一定的纹波，造成AD采集不精确，以致控制保护不理想。

而且软件控制速度比硬件慢。

方案二：

通过一般比较器进行控制。

比较器正向端接基准电压，输出电压经大电阻分压接入比较器负向端。

电压过大时，比较器输出低电平控制三极管导通取得继电器切换，负载回路断路达到保护目的。

方案三：

将方案二的比较器换成迟滞比较器。

由于电压输出会有一定的波动，在临界过压时，使用普通比较器会找出继电器不断切换。

而迟滞比较器上门限和下门限比较大，可以避免方案二的不良结果。

选择方案三。

2.1.4控制电路电源

为了满足发挥部分整机效率达到80%以上的要求。

应该慎重考虑控制电路供电系统的效率。

方案一：

采用线性电源三端稳压芯片供电。

线性电源输出电压纹波小，稳定性好，但是效率只有30%-40%，不能满足设计。

方案二：

选用开关电源降压芯片。

这类芯片效率可以达到80%以上，但输出电压的纹波较大。

上述两个方案各有优缺点，但考虑到效率是我们设计的一个重点。

选用高效率的DC-DC芯片更能满足这一要求。

所以采用方式二。

2.1.5显示模块

方案一：

输入采用独立键盘，显示输出采用数码管。

控制简单，能满足系统功能要求。

但数码管显示效果较差，功耗较大。

方案二：

输入采用独立键盘，显示采用Mzt24-01彩色液晶。

MzT24-01是一块高画质的TFT真彩LCD模块，驱动较为方便、易于扩展等良好性能。

MT24-01内置专用驱动和控制IC（SPFD5408），并且驱动IC自己集成显示缓存，无需外部显示缓存。

显示效果极佳。

在功耗方面也满足设计要求。

综上所述：

我们选择方案二。

3.单元模块设计及理论分析

3.1DC-DC控制电路

3.1.1．PWM芯片介绍

TPS5430是TI公司的一款降压开关控制芯片，具有5.5-36V的宽电压输入范围。

最大输出电流高达3A,，工作效率可达95%。

其内部集成的MOSFET拥有较低内阻110

芯片具有1.221V的基准电压，场效应管的工作频率为500KHZ。

电源从芯片第7脚输入，芯片第5脚为使能端，该脚电压只有在0.5-7V或悬空时才能正常工作，低于0.5V芯片将停止工作，因此可利用此管脚做电源的输入过压和欠压保护。

芯片的1和8脚之间接一只0.01uF的电容作场管驱动，4脚为反馈端，6脚为接地端，9脚可接地对芯片进行散热。

3.1.2．主电路描述：

该电路引入电流反馈起到稳定输出电流的作用，电路中采用0.05

的康铜丝对输出电流采样，应用TI公司的INA143高速精密差动放大器对采样信号进行放大，再用INA2237运放作加法器把反馈信号和DA输出信号相加，通过控制DA输出即可控制PWM波的占空比，进一步控制电流输出。

3.1.3．电路输出及器件参数计算：

（1）.输出最小电感值计算：

经过计算得出

此处我们选用电感值为22uH，可通过10A大电流的电感。

（2）．输出滤波电容值的计算：

计算得出输出滤波电容为220

。

（3）.输出纹波电流：

（4）.DA输出电压

与输出电流

的关系。

3.2AD和DA电路

本设计需要对输入、输出、电流反馈电压进行采集，结合低功耗，高精度等特点，采用TI公司TLV2543。

他是一款12位串行输入，多路采集的模数转换器。

电流的大小由DA控制。

电流的精度需要精确到1mA，因此，需要采用比较高精度的DA,故选用TI公司的12位串行TLV5618.

3.2.1AD采样电路

TLV2543采用3.3v供电。

DATAINPUT端口串行输入选择通道口。

DATAOUTPUT数据输出。

REF为外部基准源输入。

基准源采用TI公司的2.048v稳压芯片REF2920.稳压效果好。

该电路PCB的设计全部采用贴片形式（包括贴片电阻，电容）。

电路稳定，精度高。

DATA=

（DATA:

转换出的12位数据V:

输入电压）

3.2.2DA输出电路

对输出恒流源的控制需要DA输出一个恒定的电压，恒流源步进越小，需要的DA精度越高。

因此，故选用了TI公司TLV5618双通道串行12位DA芯片。

该芯片具有两路输出，两种模式选择，快速模式，低速模式，采用低速模式可以减少功耗5mw。

基准源同样采用TI公司的REF2920给出电压经两电阻分压出1.024v。

V=

（DATA:

给定的数据V:

DA输出电压值）

3.3保护模块

3.3.1输入过压和欠压保护

该模块采用软件控制保护。

输入端接入两个大的分压电阻，经AD进行采集，单片机判断控制。

当电源电压低于8V时，对TPS54305脚使能端低电平，芯片停止工作，输出电流为0，达到保护目的。

当电源电压大于20v时，TPS5430使能端给低电平，同样达到保护目的。

正常工作时，使能端给高电平，芯片正常工作。

3.3.2输出过压保护及自动恢复

过压保护的设计不仅要过压时保护负载，而且排除过压故障后能自动恢复正常状态。

硬件电路能比较轻松实现过压保护，但是要实现自动恢复比较困难。

采用软件的方法就比较简单。

所以采用软件的方法实现过压保护和自动恢复。

当工作正常时，系统输出电流I，例如为1000mA，设负载在1-15

变化，过压时负载上的电压

为11V,电阻为11

，

=

*

=

=1.99V。

AD采集电压，单片机处理，当电压大于

时，控制TSP5430输出100mA的电流，负载处于被保护状态，输出电流100mA，电压为

=100mA*11

=1.1V。

当排除过压故障，即电阻逐渐减小。

设定10

时排除故障。

这时负载电压V

=1V，当负载继续减小，负载电压小于1V时，单片机处理，输出原状态电流，自动恢复正常状态。

3.4控制电路供电系统。

整个系统达到高效率，控制电路供电电源是必须考虑的一个重要部分。

为使供电电源的效率达到80%以上，采用TPS543O作电压反馈输出稳定电压。

在该电路中反馈端引入电压反馈，则可以输出稳定的电压。

设输出电压为

，

=

3.4.1CLM7660正负电压转换。

将正电压转换成负电压用CLM7660，转换效率可达99.9%。

将+3.3V输入CLM7660，输出-3.3V。

CLM7660输出电流小，只能达到10mA。

但是本系统只有差放INA143采用负电源供电，可以满足要求。

3.5人机互换显示控制

人机互换主要采用彩色液晶作为显示器作为人机界面。

彩色液晶体积小，功耗低，单页面也能显示较多数据，清晰度高，人机显示界面十分友好，整个系统更为人性化。

控制按键我们采用两种方式，按键方式和红外遥控方式，两种方式兼容性高。

下面只对红外遥控方式进行介绍

我们红外接收头选用一体化红外接收头SM0038，红外发送用遥控板，载波频率38K，SM0038可以自行解码，把按键数据送到单片机，单片机进行按段处理，实现各个按键功能。

3.6其它

使用DS1302时钟芯片通过液晶实时显示当前时间。

其具有31个字节的数据暂存寄存器。

可利用该功能记录电流源上次设置的数据，以便于开机恢复设置。

TI公司推出的TPM124温度传感器芯片，该芯片是SPI3线控制，电路非常简单。

测量范围可达-40度到125度,不仅可以检测当前测试环境温度，而且还可以对芯片采取过热保护。

4.提高效率（加入功耗计算各模块，各芯片器件功耗）

为了提高效率，我们对元器件进行了细致的筛选，最终作品整机效率可以达到90%以上。

芯片

类型

器件名称

供电电压

静态电流

效率

功耗

电源

芯片

TPS5430

5.5V～36V

95%

CLM7660

99.90%

控制

芯片

MSP430F247

1.8V～3.6V

270uA

DS1302

300nA

<1uW

TPM124

2.7V～5.5V

50uA

TLV2543

3V～3.6V

TLV5618

27V～7V

运放

OPA2237

±2.7V～±36V

<=350uA

INA143

±2.25V～±18V

950uA

表1.芯片数据详单

综上，本设计选用的芯片全部都是工作电压低，工作电流小，功耗小的芯片，所以本系统供电都采用3.3V供电，INA143采用

供电，这样可以在一定程度上减少整机功耗，提高效率。

5.程序设计

程序总图按键处理

详细程序见附录。

6.系统测试

6.1测试方案

（1）测量输出电流，从200mA~2000mA变化，步进1mA，可以扩大输出电流范围

（2）测测电流调整率，电流为1000mA，负载5

时，电压从12V开始，调整到18V，测试电流的变化

（3）测试负载调整率，输入电压为15V，电流1000mA时，负载从1

变化到5

，测试电流的变化。

（4）测试纹波电流，将输入电压调整为15V，电流2000mA，用毫伏表测量输出纹波电压，并换算成纹波电流值

（5）测试效率，将输入电压调整为15V，电流2000mA，分别测量输入电源电压电流和输出电流电压，算出整机效率。

（6）测试过压保护及自动恢复。

将输入电压调整为15V，电流1000mA。

将负载从小慢慢增大。

观察处于保护状态的电压。

过压后，再将负载逐渐调小，观察是否自动恢复到原状态。

（7）测试其他发挥部分功能。

6.2测试环境和仪器

（1）测试环境：

普通室（或是实验室）内，常温常压。

（2）测试仪器：

GWINSTEK5位台式高精度数字万用表四台；

DF2175A交流毫伏表一台；

6.3测试数据

（1）输出电流

（2）电流调整率

测得电流变化量

（3）负载调整率

测得电流变化量

（4）测试纹波

电阻5

时测得纹波是8mV，所以纹波电流

（5）测试效率

输入2000mA，电压15V是，测得输出电压，电流求的效率

90%

（6）测试保护和自恢复

（7）测试其他发挥部分

7．总结

应用TPS5430设计的数控恒流源电路，输出电流最大可达3A。

由于芯片本身的制作工艺水准很高，把场效应管集成与片内，且芯片自身体积小、效率高、发热量低，无需加散热片散热。

MOSFET开关频率高达500KHZ,所以输出端电感较小，有利于电源的小型化。

外围电路简单，在输出端外接续流二极管、电感和输出滤波电容再加上电流反馈电路即可达到稳定电流输出的效果。

外围电路大部分选用了TI公司的低功耗器件。

整机效率可达90%以上。

输出纹波电流小于３

。

8.附录

9．参考文献

[1].

[2].赵修科．使用电源技术手册元器件分册[M].沈阳：

辽宁科学技术出版社，2002.

[3].张占松，蔡宣三。

开关电源的原理与设计（修订版）[M].北京：

电子工业出版社，2007

[4].KeithBillings.Switchmodepowersupplyhandbook[M].Secondedition.Beijing:

Posts&Telecompress,2007.

[5]LopesAC,SunHPerformanceassessmentofactivefrequencydriftingislandingdetectionmetiods[J].IEEETransactonsonEnergyConversion,2006,21

（1）;171-180