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2016年全国大学生电子设计竞赛A题论文


2016 年全国大学生电子设计竞赛

2016 年 7 月 28 日





本设计以 TI 公司的 MSP430G2553 单片机作为控制核心,设计制作了一种 降压型开关稳压电源。该电源主电路为同步整流 BUCK 电路,通过 LM5117 驱 动 CSD18532KCS MOS 场效应管实现稳压输出,电流检测电路使用 TI 的高精 度检流芯片 INA282 实现对电路的保护,系统效率可达到 89%。达到了设计要 求中的各项指标。 关键词:LM5117 同步整流 BUCK 电路 MSP430G2553 INA282

II





一、系统方案................................................................. 4 1.1 DC-DC 驱动模块的比较与选择 ........................................................................................ 4 1.2 主控制器的比较与选择 ................................................................................................... 4 1.3 过流保护方案的比较与选择 ........................................................................................... 4 1.4 单片机供电模块的比较与选择 ....................................................................................... 5 二、系统理论分析与计算 ....................................................... 5 2.1 主要器件参数选择及计算 ............................................................................................... 5 2.1.1 定值电阻 RT 的计算 ............................................................................................. 5 2.1.2 输出电感 L0 的选取 .............................................................................................. 5 2.1.3 电流检测电阻的选取 ...................................................................................... 5 2.1.4 输出电容 Co 的选取 .............................................................................................. 5 2.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取 ....................................................................... 6 2.2 提高效率的方法 ............................................................................................................... 6 2.3 降低纹波的方法 ............................................................................................................... 6 2.4 DC-DC 变换方法 ................................................................................................................ 6 2.5 稳压控制方法 ................................................................................................................... 7 三、电路与程序设计........................................................... 7 3.1 主回路与器件的选择 ........................................................................................................ 7 3.1.1 电路主回路 ............................................................................................................ 7 3.1.2 电路器件选择 ........................................................................................................ 7 3.2 控制电路及程序 ............................................................................................................... 8 3.2.1 控制电路 ............................................................................................................... 8 3.2.2 主程序流程图 ....................................................................................................... 8 3.2.3 部分源程序代码 ................................................................................................... 8 四、系统测试................................................................. 8 4.1 测试方案及条件 ............................................................................................................... 8 4.1.1 测试仪器 ............................................................................................................... 8 4.1.2 测试方法 ............................................................................................................... 8 4.2 测试过程及结果 ............................................................................................................... 8 4.3 测试结果分析 ................................................................................................................... 9 附录 1:程序流程图 .......................................................... 10 附录 2:部分源代码 .......................................................... 12

III

一、系统方案
本设计采用 BUCK 电流斩波电路, 单片机控制输出两路 PWM 信号经过 TI 芯片 IR2110 驱动高端和低端 N 沟道 MOSFET,通过控制 PWM 的占空比来控制两个 MOSFET 导通和关断 的时间进而调节输出电压。 当高端 MOSFET 导通时, 低端 MOSFET 断开; 同理当低端 MOSFET 导通时,高端 MOSFET 断开,从而实现了同步整流效果。
VIN 单片机供电模块

负载 RL

降压稳压AD 直流电源 PWM

MCU 识 别 阻抗 R

图 1.1 系统设计方案总体框图

1.1DC-DC 驱动模块的比较与选择 方案一:采用 TI 芯片 IR2110 直接驱动 MOSFET,它属于自举升压原理的驱动。单片 机控制输出两路 PWM 信号经过 IR2110 驱动高端和低端 N 沟道 MOSFET,通过控制 PWM 的 占空比来控制两个 MOSFET 导通和关断的时间进而调节输出电压。 方案二:采用TI公司生产的LM5117同步降压控制器,它具有5.5V-65V宽电压工作范 围,工作频率可以在50kHz到750kHz范围内设定。包含几个大电流 NMOS 驱动器和一个 相关的高边电平转换器, 可自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管。 经比较, LM5117Z控制器集成了高边和低边NMOS驱动器可以自适应死区时间, LM5117 自带同步整流功能,更易于提高效率。故采用方案二,使用TI公司的LM5117作为DC-DC 驱动控制模块。 1.2 主控制器的比较与选择 方案一:采用通用的 MCS-51 系列单片机,由于不带 A/D 和 D/A 转换器且运算速度 较慢,外围电路使得整个系统硬件电路变得复杂,同时 51 单片机获得 PWM 较为复杂, 使得系统的性价比偏低。 方案二:采用德州仪器(TI)的 MSP430G2553 为主控制器。MSP430 拥有丰富的片内 资源,内置 16 位定时器具有捕获和比较功能,内置 10 位的数模转换器,可以输出 PWM 信号。430 独特的超低功耗设计,可以显著降低系统功耗提高效率。 经比较,MSP430 单片机可以满足系统控制的要求,并且其具有超低功耗的特点可以 显著降低电源损耗提高系统效率。所以选用 MSP430G2553 单片机作为系统的主控制器。 1.3 过流保护方案的比较与选择 方案一: 采用 AD620 运放, AD620 是一个低成本、 高精度的仪表放大器, 使用方便。 但输入共模电压范围太小且静态功耗较大,无法满足题目要求中的电压及功耗要求。
4

方案二:采用专用 TI 检流芯片 INA282 进行电流检测,INA282 是 TI 的电流分流模 拟输出型电流感应放大器, 其电压增益为 50 倍, 共模抑制比较高, 测量准确。 利用 INA282 实现检流功能,电路简单,且静态功耗较小。 经比较,由于 AD620 的电压范围不能满足题目要求,故采用方案二,使用 TI 的高 精度检流芯片 INA282 作为电流检测的方案。 1.4 单片机供电模块的比较与选择 方案一:以 MP2307 芯片为电源供电芯片,使用一体成形功率电感和同步整流控制 芯片,体积更小,效率更高。 方案二:用 lm7805 三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少。但当稳压管 温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏。需安装足够大的散热器。 综合以上两种方案,由于本设计对重量选择方案一。

二、系统理论分析与计算
2.1 主要器件参数选择及计算 2.1.1 定值电阻 RT 的计算 较高频率的应用体积较小,但损耗也较高。在我们方案中,选定330kHz作为小尺寸 和高效率之间的合理折中方案。用公式(2-1)可以计算出330kHz开关频率下RT的值: = 2.1.2 输出电感 L0 的选取 最大电感纹波电流出现在最大输入电压时,电感值计算公式如下, =

( ) ×

5.2×10 9

? 948

(2-1)

× 1 ?




( )

(2-2)

已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压,代入公式(2-2) 可计算出 = 3×0.4×230 × 1 ? 17.6 ≈ 12.9μ 2.1.3 电流检测电阻 的选取 考虑到误差和纹波电流,最大输出电流应高于所需输出电流的20%至50%。电流检 测电阻值可以用如下公式计算: = 2.1.4 输出电容 Co 的选取 输出电容器可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波,并在瞬态负载条件下提供 一个充电电源。具有最大 ESR 的输出纹波电压的基本元件近似值为:
5

×

5

5

(2-3)

+ ? × 2

( Ω)

(2-4)

? = 2 + (8× 2.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取

1
×

) (2-5)

采用 TI 公司高精度检流芯片 INA282 进行电流检测,INA282 的增益为 50 倍,共模 抑制比比较高,只需外接 10mΩ 电阻便可完成测量并且非常准确。此外,INA282 共模 范围为-14~80V。利用 INA282 实现检流功能,电路简单,能耗较小。单片机最高可输 入信号的最大电压为 3.3V,且降压电路输出电流最大为 3A,故采用 0.01Ω 电阻进行电 流检测。
? U R ? 0.01? ? 3.2 A ? 0.032V (2-6) ? ?U AD ? 50 ? U R ? 1.6V

2.2 提高效率的方法 采用低导通电阻的 MOSFET 降低导通损耗。斩波电路的主要损耗是开关的损耗, 通过采用导通电阻很低的 CSD18532KCS MOS 管可以明显提高效率。 优化 PCB 布线。在进行 PCB 布线时,尽量使布局紧凑,走线短且直,主电路使用 大面积覆铜代替走线。 2.3 降低纹波的方法 (1)加大输出滤波的电容、电感参数.通过输出纹波与输出电容的关系式: Vripple=Imax/(Co×f) (2-7) 可以看出,加大输出电容值可以减小纹波。或者考虑采用并联的方式减小ESR值,或 者使用LOWESR电容。低边NMOS器件两端的电阻-电容缓冲网络可减少开关节点的振铃和 尖峰。其他低ERS/ESL陶瓷电容器可以与主输出电容并联起来,以进一步降低输出电压 纹波和尖峰。 (2)提高开关电源工作频率,其纹波电流△I 可由下式算出: ? =
( ? )× L× ×

(2-8)

可以看出,增加 L 值,或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。但是提高频 率可能降低电源的效率,通过测试选取合适的频率。 (3)采用多级滤波。 2.4DC-DC 变换方法 采用同步整流的 buck 电路,图 2.1 所示为 BUCK 变换器基本结构图。在同步 Buck 电路工作方式中,使用一个开关管替换基本 Buck 电路中的续流二极管。Q1 作为主开关 管,Q2 起续流作用。Q1 导通时,Q2 关断,电流通过电感 L 到达负载,并将电能储存在 L 和 C2 中(电流方向如图中虚线所示) ;Q1 关断时,Q2 导通,起续流作用,储存在 L 和 C2 上的电能转化为电流继续向负载输出(电流方向如图中实线所示) 。

6

Q1

L

+
Vin1 C1 Q2 C2

+
Vo1

_

_

图 2.1BUCK 变换基本结构图

2.5 稳压控制方法 采用反馈电阻和单片机 PWM 共同构成的软硬件结合的反馈方式, 单片机通过内置 AD 对反馈电阻处电压和输出电压采样,通过对比两处电压单片机输出 PWM 信号。单片机输 出的 PWM 信号与反馈电阻处电压共同作用于 LM5117 形成反馈。这种控制方法可以加速 系统调节速度,改善系统调节品质,提高系统稳定性。从而实现更稳定的电压输出。

三、电路与程序设计
3.1 主回路与器件的选择 3.1.1 电路主回路 电路中有两个 MOSFET,其中 Q1 和 Q2 均为 NMOS,通过控制 MOSFET 的关断来 让电路工作在 Buck 电路状态。

图 3.1 电路主回路

3.1.2 电路器件选择 根据公式(2-1) =
5.2×10 9 230KHz 5

? 948=21.7K,我们选取 21k? 的电阻。
5

根据公式(2-2) = 3×0.4×330 × 1 ? 17.6 ≈ 12.9μ,选取15μ 的输出电感 。 根据公式(2-4) =



+ ? × 2

×



(Ω),经过计算选取了 0.005Ω的 。
1
×

根据公式(2-5)? = 2 + (8×

),选取了 0.47 F 的输出电容。

7

3.2 控制电路及程序 3.2.1 控制电路 单片机供电电路和控制电路如图 3.2 和 3.3 所示。

图 3.2 单片机供电电路图 3.3 单片机控制电路

3.2.2 主程序流程图
见附录 1

3.2.3 部分源程序代码
见附录 2

四、系统测试
4.1 测试方案及条件 4.1.1 测试仪器
表 4.1 测试所用仪器

仪器名称 100MHz 双通道数字示波器 可调直流稳压电源 台式万用表 函数信号发生器

具体型号 DSO-X 2002A(升级带宽) SK1731 Agilent 34401A F10 DDS

4.1.2 测试方法 硬件调试:可以通过示波器观察 MOS 开关处波形及输出电压波形观察电压纹波。改变 输入电压和负载,通过万用表记录电源的电压电流参数。 软件调试:程序调试无误后下载至单片机,将单片机 PWM 输出端口接至示波器,调节 占空比,使用示波器观察。可以通过显示屏程序测试 AD 采样是否正常。 完成系统软硬件各单元测试后,进行系统联调,验证各模块之间交互的正确性和接口的 兼容性,按照题目要求测试整体功能并调整参数,填写测试表格并撰写设计报告。 4.2 测试过程及结果 (一)将可调直流电源输出调至 16V,调节负载至 1.67Ω,测试数据见表 4.1。
表 4.1 =16 V时的参数

(Ω)

(V)

(A)

(V)

(A)

η

OPP (mV)
8

1.67 16.00 1.074 5.060 3.020 88.93% 39 1.67 16.00 1.070 5.055 3.033 89.55% 42 (二)将直流电源输出调至 16V,调节负载阻值至 7.5Ω,可得到负载调整率。
表 4.1 负载调整率的测量参数

(V) 16.00 16.00

轻载 (V) 5.008 5.021

满载 (V) 5.080 5.072

1.41% 1.00%

(三)将负载调整至 1.67Ω,调节电源输出分别为 17.6V 和 13.6V,可以得到电压调

整率。测试数据如下 4.3 表。
表 4.3 电压调整率的测量参数

(V) (V) (V)

17.6 5.071 5.073

13.6 5.051 5.051

16.00 5.060 5.061

V 0.2% 0.23%

(四)将直流电源输出调至 16V 恒流 3A,改变 R,测试数据如下 4.4 表。 表 4.4 负载识别功能的测量参数

(Ω) 1k 5.1k 10k

(V) 16.00 16.00 16.00

(V) 1.009 5.005 9.992

表 4.4 动作电流及电源质量的参数

Oth (A) m(g) 4.3 测试结果分析

3.22 178

3.21 178

3.22 178

(1)额定输入电压下输出最大电压偏差为 0.06V,最大输出电流为 3.03A,符合题目要 求。 (2)额定输入电压下,最大输出噪声纹波电压峰峰值为 42 mV,符合题目要求。 (3)O 从满载Omax 变到轻载0.2Omax 时,负载调整率为 1.41%,符合题目要求。 (4)IN 变化到 17.6V 和 13.6V,电压调整率为 0.23%,符合题目要求。 (5)效率η≥88%,符合题目要求。 (6)具有过流保护功能,动作电流Oth = 3.2A,符合题目要求。 (7)电源具有负载识别功能。电源根据通过测量端口识别电阻 R 的阻值,确定输出电 压,符合题目要求。 (8)整个系统的重量为 178g,符合题目要求。
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附录 1:程序流程图

开始

初始化

检测 UCM 大小

是否达到过流 门限值值?



向 UVLO 输出 低电平 结束





是否加入端口 检测电阻 R



计算出 R 值和需要输 出的 VOUT

检测 VOUT 是否 达到预定电压 R


调节 PWM 占空比



附图 1.1 主程序流程图

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附图 1.2 电流采样电路

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附录 2:部分源代码
#include <msp430.h> unsigned int a[9],P10,P11,P12;

void main() { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; P1DIR|=BIT7 ; P1OUT=BIT7; P1SEL|=BIT1+BIT2+BIT0;//P1.1 和 P1.2 设置为 ADC 功能 A1 和 A2 ADC10CTL1|=CONSEQ_3+INCH_2;//序列通道多次转换+最大通道为 A2 ADC10CTL0|=ADC10SHT_2+MSC+ADC10ON+ADC10IE; ADC10DTC1|=0x09;//一共采样 8 次 ADC10AE0|=BIT0+BIT1+BIT2;//打开 A0 和 A1 的模拟输入通道

while(1) { ADC10CTL0&=~ENC;//关闭采样使能 while(ADC10CTL1&BUSY);//检测 AD 是否繁忙 ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;//启动 ADC ADC10SA=(unsigned int)a;//获取 a[]的首地址。首先对 A1、A0 采样,放入 a[0]和 a[1]中。再对 A1、A0 采样,放入 a[2]和 a[3]中,如此循环下去。 _BIS_SR(LPM0_bits+GIE);//低功耗模式 0,开中断 P10=a[0] + a[3] + a[6]; P11=a[1] + a[4] + a[7]; P11=a[2] + a[5] + a[8]; P10=P10/3; P11=P11/3; P12=P12/3; //if (P10 > 0x166) P1OUT|=BIT7;//P1.2 //else P1OUT&=~BIT7; //if (P11 > 0x166) P1OUT|=BIT7;//P1.0 //else P1OUT&=~BIT7; if (P12 > 0x166) P1OUT|=BIT7; else P1OUT&=~BIT7; } } #pragma vector=ADC10_VECTOR
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__interrupt void ADC(void) { LPM0_EXIT;//退出低功耗模式 }

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