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降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源-2016年四川省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告

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ID:344451 發(fā)表于 2018-6-20 10:57 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
2016年四川省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽
A題：降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源

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(lái)，電池供電便攜式設(shè)備的需求越來(lái)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(lái)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(lái)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CSD18532KCS MOS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。

目錄

1系統(tǒng)方案
1.1 方案一
1.2 方案二
2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算
2.1 DC-DC變換方法
2.2 穩(wěn)壓控制方法
2.3 降低紋波方法
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
3.2主回路設(shè)計(jì)與器件選擇
3.2.1主回路設(shè)計(jì)
3.2.2主要器件的選擇
3.3可變電壓輸出設(shè)計(jì)
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
3.4.2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
4.2 測(cè)試條件與儀器
4.3 測(cè)試結(jié)果及分析
4.3.1測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))
4.3.2測(cè)試分析與結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄1：電路原理圖
附錄2：DC-DC相關(guān)計(jì)算
附錄3：源程序

II



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CSD18532KCS NMOSFET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)5 V 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(lái)控制輸出電壓。
1.1 方案一
本方案采用純硬件的方式來(lái)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(lái)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。

1




2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 DC-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(lái)選擇反饋電阻通道，根據(jù)外接是否有電阻來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)降低負(fù)載下的紋波，并通過合理的PCB 走線來(lái)降低走線紋波帶來(lái)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：


圖 3.1 系統(tǒng)總體框圖

3.2主回路設(shè)計(jì)與器件選擇3.2.1主回路設(shè)計(jì)
TI公司的降壓控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS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。

3.2.2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(lái)控制輸出電壓。

3.4.2程序流程圖

1、主程序流程圖


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(wàn)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。

  公式（4-1）

3）負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

在輸出電壓不變的情況下，從滿載變到輕載 時(shí)，測(cè)量輸出電壓的變化，并根據(jù)以下公式計(jì)算負(fù)載調(diào)整率：

                    公式（4-2）

4）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(lái)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(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。
測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字萬(wàn)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4.3.1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
17.60V
1.07A
4.98V
3.01A
87.75%
42mV
0.7%
0.1%
13.60V
1.25A
4.96V
3.02A
87.82%
36mV
16.00V
1.08A
4.96V
3.01A
87.68%
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
1.00K
3.90K
7.80K
9.00K
10.00K
輸出電壓
0.83V
3.89V
7.84V
9.02V
9.98V

4.3.2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(shī)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)》

1





附錄1：電路原理圖


圖1系統(tǒng)總電路圖



1




附錄2：DC-DC相關(guān)計(jì)算
定時(shí)電阻：
輸出電感：
電流檢測(cè)電阻：
斜坡電阻 和斜坡電容 的關(guān)系：
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

  1. #include <msp430x54x.h>
  2. #include "4822_SPI.H"
  3. #include "MSP430_ADC.H"
  4. float ADR=326.0;      //ADC采樣值
  5. int DAU = 3496;     //DAC輸出值
  6. float R=0.0;        // R 的值
  7. void main(void)
  8.               {
  9.                             WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;              // Stop watchdog timer
  10.                             Init_ADC();                    //初始化ADC
  11.                             _4822_IO_init();                //初始化DAC通信接口
  12.                             P2DIR |= BIT3;
  13.                             P2REN |= BIT3;
  14.                             P2OUT ^= BIT3;            //置低，選擇固定5 V 輸出
  15.                             while(1)
  16.                             {
  17.                                           ADC12CTL0|=ADC12SC;     //進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換
  18.                                           while(ADC12CTL0&0X0);    //等待轉(zhuǎn)換完成
  19.                                           ADR=ADC12MEM0;        //獲得采樣值
  20.                                           R= 10*ADR/(4096-ADR);     //獲得R的值
  21.                                           if(ADR < 100 || ADR > 2098 ) //上限設(shè)置為10.5k
  22.                                           {
  23.                                                         P2OUT &= ~BIT3;
  24.                                           }
  25.                                           if(ADR > 100 && ADR < 372) //0-1K
  26.                                           {
  27.                                                         P2OUT |= BIT3;
  28.                                                         DAU = 261-(1-R)*261;
  29.                                           }
  30.                                           if(ADR == 372)  //1K
  31.                                           {
  32.                                                         P2OUT |= BIT3;
  33.                                                         DAU = 261;
  34.                                           }
  35.                                           if(ADR > 372 && ADR < 682) //1-2K
  36.                                           {
  37.                                                         P2OUT |= BIT3;
  38.                                                         DAU = 661-(2-R)*400;
  39.                                           }
  40.                                           if(ADR == 682)  //2K
  41.                                           {
  42.                                                         P2OUT |= BIT3;
  43.                                                         DAU = 661;
  44.                                           }
  45.                                           if(ADR > 682 && ADR < 945) //2-3K
  46.                                           {
  47.                                                         P2OUT |= BIT3;
  48.                                                         DAU = 1046-(3-R)*385;
  49.                                           }
  50.                                           if(ADR == 945)  //3K
  51.                                           {
  52.                                                         P2OUT |= BIT3;
  53.                                                         DAU = 1046;
  54.                                           }
  55.                                           if(ADR > 945 && ADR < 1170) //3-4K
  56.                                           {
  57.                                                         P2OUT |= BIT3;
  58.                                                         DAU = 1436-(4-R)*390;
  59.                                           }
  60.                                           if(ADR == 1170)  //4K
  61.                                           {
  62.                                                         P2OUT |= BIT3;
  63.                                                         DAU = 1436;
  64.                                           }
  65.                                           if(ADR > 1170 && ADR < 1365) //4-5K
  66.                                           {
  67.                                                         P2OUT |= BIT3;
  68.                                                         DAU = 1811-(5-R)*375;
  69.                                           }
  70.                                           if(ADR == 1365)  //5K
  71.                                           {
  72.                                                         P2OUT |= BIT3;
  73.                                                         DAU = 1811;
  74.                                           }
  75.                                           if(ADR > 1365 && ADR < 1535) //5-6K
  76.                                           {
  77.                                                         P2OUT |= BIT3;
  78.                                                         DAU = 2186-(6-R)*375;
  79.                                           }
  80.                                           if(ADR == 1535)  //6K
  81.                                           {
  82.                                                         P2OUT |= BIT3;
  83.                                                         DAU = 2186;
  84.                                           }
  85.                                           if(ADR > 1535 && ADR < 1686) //6-7K
  86.                                           {
  87.                                                         P2OUT |= BIT3;
  88.                                                         DAU = 2556-(7-R)*370;
  89.                                           }
  90.                                           if(ADR == 1686)  //7K
  91.                                           {
  92.                                                         P2OUT |= BIT3;
  93.                                                         DAU = 2556;
  94.                                           }
  95.                                           if(ADR > 1686 && ADR < 1820) //7-8K
  96.                                           {
  97.                                                         P2OUT |= BIT3;
  98.                                                         DAU = 2920-(8-R)*364;
  99.                                           }
  100.                                           if(ADR == 1820)  //8K
  101.                                           {
  102.                                                         P2OUT |= BIT3;
  103.                                                         DAU = 2920;
  104.                                           }
  105.                                           if(ADR > 1820 && ADR < 1940) //8-9K
  106.                                           {
  107.                                                         P2OUT |= BIT3;
  108.                                                         DAU = 3296-(9-R)*376;
  109.                                           }
  110.                                           if(ADR == 1940)  //9K
  111.                                           {
  112.                                                         P2OUT |= BIT3;
  113.                                                         DAU = 3296;
  114.                                           }
  115.                                           if(ADR > 1940 && ADR < 2048) //9-10K
  116.                                           {
  117.                                                         P2OUT |= BIT3;
  118.                                                         DAU = 3696-(10-R)*400;
  119.                                           }
  120.                                           if(ADR == 2048)  //10K
  121.                                           {
  122.                                                         P2OUT |= BIT3;
  123.                                                         DAU = 3696;
  124.                                           }
  125.                                           Awrit(DAU); //DAC輸出參考電壓
  126.                             }

  128. }
復(fù)制代碼

完整的Word格式文檔51黑下載地址：
2016四川省電子設(shè)計(jì)大賽電源題LM5117設(shè)計(jì)方案論文.rar (214.82 KB, 下載次數(shù): 69)


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ID:508266 發(fā)表于 2019-7-20 11:25 | 只看該作者
樓主，已經(jīng)下載文件了，請(qǐng)問，MSP在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的原理圖能給出來(lái)么？上面只有三張?jiān)韴D，沒有MSP430的引腳連接
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ID:508266 發(fā)表于 2019-7-20 11:59 | 只看該作者
樓主能給一張實(shí)物圖么？
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