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1、2010 年年TI 杯杯四四川川省省大大学学生生电电子子设设计计竞竞赛赛D 题：高效数控恒流电源设设 计计 报报 告告日期：2010 年 7 月 22 日高效数控恒流电源（D 题）摘要：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
2、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。关关键键字：字：MPS430F156MPS430F156 单片机，超低功耗，单片机，超低功耗，MOSMOS 管驱动芯片，管驱动芯片，PWMPWM 控制芯片，场效应管控制芯片，场效应管一、一、 方案选择与论证方案选择与论证 1、总体方案、总体方案 该设计要求在输入电压 Ui 为 15VDC(波动范围 12V18V
3、)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
4、 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 M
5、SP430 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P PWW MM MM S SP P4 43 30 0F F1 16 61 12 2 B Bu uc ck k- - B Bo oo os st t D DC C- - D DC C 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
6、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、电流采样方案 电流采样是将电流信号转换为电压信
7、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
8、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二、系统具体设计与实现 1、PWM 波的产生和控制波的产生和控制 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 2OUT1Vcc2FB
9、4GND8SCP5RT7DTC6COMP3IC8 TL5001ADAC_D1AGNDC7104C191uFC23104VinR13 1KPWM_OUT112J6 CON2PWM_OUT下下下下下下下R20100kW3 104+3.3VAGNDC27104123J5 CON3+5V图 2 PWM 波产生电路 2、场管驱动、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。 A GN DV inD 131N 5 82 2C 16 1u FPWM _ OU T 1
10、 PWM _ OU T 2H IG H1L OW 1V CC H IN L IN C OML OV SH OV BJ4IR F2 10 1图 3 场管驱动电路 3、Buck-Boost 升降压主控电路升降压主控电路 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
11、 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。1 2J1AGNDS1 S2 S3G4D5D6D7D8IC1 IRF7832S1S2S3G4D5D6D7D8IC2 IRF7832D1 IN5822L1 L1S1S2S3G4D5D6D7D8IC3 IRF7832D2IN5822S1 S2 S3G4D5D6D7D8IC4 IRF7832C2 2200uFAGNDVinHIGH1LOW1R10 R54.7RLOW2HIGH2R2 0R6 4.7RC1 2200uFC3 104BOOTLO2BOOTLO1DT1DT2图 4 Buck-Boost 升降压主控
12、电路 4、系统电源电路、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。In21Out3 U1 HT7150In21Out3 U2 HT7133C10 10uFC11 10uFC12 10uFAGNDAGNDC6104C4 104C5 104+5V+3.3VVin图 4 稳压电路 三、理论分析与参数设计三、理论分析与参数设计 四、软件设计四、软件设计 1、MSP4
13、30 软件设计：软件设计： 如图 5 所示，为 MSP430 单片机主控软件设计流程图。 YN Y N PIAD 图 5 单片机程序流程图 五、测试方案与测试结果分析：五、测试方案与测试结果分析： 1调试方法和过程调试方法和过程 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：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：输出电流范围
14、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LR 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13002973020.6%1%26006056101.6%0.8%3100099510020.3%0.5%41500148014900.66%1.3%5122000198519900.5%0.75%63003053051.6%1.6%76006076101.6%1.17%8100010049950.5%0.4%91500150515050.3%0.3%101
15、52000199419930.35%0.3%113003063051.67%2%126005985901.6%0.3%1310009959940.6%0.5%141500149515040.2%0.3%15182000199219950.1%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LR 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LR 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LR（）输出电流值（mA）负载调整率 SR1100015110202100015
