2016年四川省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽報——max

1、2016年四川省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽報告參賽題目：降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源（A題）二零一六年八月摘 要本設(shè)計以Buck電路為主拓撲，利用LM5117為主要控制核心，協(xié)調(diào)各個模塊電路工作以實現(xiàn)題設(shè)功能。利用LM5117穩(wěn)定的3.3A峰值柵極時鐘驅(qū)動和高達750kHz自由運行或同步的時鐘驅(qū)動CSD18532KCS構(gòu)成開關(guān)電路，利用其優(yōu)秀的電流反饋能力構(gòu)造了過流保護電路，利用0.8V可編程輸出功能構(gòu)造了主電路的電壓反饋環(huán)。電路分為：主電路拓撲模塊、過流保護電路、負載識別電路。主電路實現(xiàn)降壓，過流保護電路實現(xiàn)了對過流的保護，負載識別電路實現(xiàn)了對外部可調(diào)負載的實時檢測輸出。關(guān)鍵詞：Buck電路；LM5

2、117；過流保護；負載識別AbstractThe design of the main Buck circuit topology using LM5117 as the main control center, coordinating the work to achieve the module circuit problem reset feature. Use LM5117 3.3A peak gate drive and stable clock or synchronized up to 750kHz free-running clock driver CDS1853KCS con

3、stitute a switching circuit, with its excellent ability to construct a current feedback current protection circuit using 0.8V programmable output function of the primary structure circuit voltage feedback loop. Circuit is divided into: main circuit topology module, overcurrent protection circuit, th

4、e load recognition circuit. Main step-down circuits, overcurrent protection circuits for over-flow protection, the load identification circuit to achieve a real-time external adjustable load detection output.Keywords: Buck circuit; LM5117; overcurrent protection; load identification目錄摘 要21 方案論證41.1

5、直流穩(wěn)壓電路方案41.2 負載識別電路方案51.3 過流保護方案62 理論計算與分析72.1降低紋波的方法72.2DC-DC變換方法72.3 穩(wěn)壓控制方法72.4 參數(shù)計算72.5 提高效率的方法93 電路與程序設(shè)計93.1主回路與器件選擇93.2 過流保護電路93.3 負載識別104 測試方案與測試結(jié)果114.1測試方案及測試條件114.2測試結(jié)果114.3 測試結(jié)果分析134.4 實物圖13附錄一：原理圖131 方案論證系統(tǒng)要求較高效率，所以恒壓輸出應(yīng)采用開關(guān)電路，鑒于題目要求的功能，系統(tǒng)主要由恒壓控制模塊、負載識別模塊和過流保護模塊三部分組成。 1.1 直流穩(wěn)壓電路方案方案一：利用Buc

6、k斬波電路，通過控制單片機產(chǎn)生的PWM波來直接控制IGBT管的導(dǎo)通從而產(chǎn)生降壓。如圖1。圖1單片機產(chǎn)生PWM波控制MOS管方案二：利用Buck斬波電路，通過穩(wěn)壓芯片LM5117 控制MOS管CSD18532KCS導(dǎo)通構(gòu)成開關(guān)電路來進行降壓。充分利用LM5117的電壓反饋環(huán)和電流反饋環(huán)，實現(xiàn)電壓控制、電流檢測和保護功能。如圖2 圖2 LM5117的Buck降壓其中MOS管Q1接LM5117的HO輸出端，Q2接LO輸出端方案一使用元件少，結(jié)構(gòu)簡單，但在高頻時開關(guān)損耗大，降壓效率低。并且存在著紋波大，開關(guān)噪聲以及高輻射的缺點。方案二，電路較復(fù)雜，但具有轉(zhuǎn)換效率高，電路損耗低的優(yōu)點.,所以選用符合要求

7、的方案二來進行設(shè)計和制作。1.2 負載識別電路方案方案一:利用LM5117的電壓反饋功能，配合LM324構(gòu)成運放和減法器，將外接的負載電阻作為運放的輸入電阻，改變負載阻值，就改變了運放的增益，通過反饋到減法器來改變輸出電壓反饋到LM5117的控制口。如圖3 圖3 LM324組成的負載識別電路方案二：利用MSP430f149單片機的自帶ADC模塊和外接DAC芯片構(gòu)成主要控制電路，首先用單片機采集電壓值(AD1)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電阻值，并采集輸出端電壓，進入主程序進行計算，得出對應(yīng)數(shù)字量，如果輸出端電壓未達到目標(biāo)值則配合外部DA芯片輸出一個低于或高于0.8V的電壓給FB腳，否則輸出一個恒定為0.8V的

8、電壓給反饋值，如圖4。圖 4 部分AD采樣電路。方案一需要運放器件較多，而且電路相對復(fù)雜，消耗的功率較大，降低了電源效率。方案二控制電路簡單，出錯后相對方案一好解決，同時MSP430特有的低功耗性能使得對于主電路的損耗相對較小，對效率影響較小。根據(jù)設(shè)計要求，選用符合基本要求的單片機控制電路的方案二來進行設(shè)計和制作。1.3 過流保護方案方案一：采用LM5117自帶的內(nèi)部電流檢測放大器，結(jié)合外部接入的檢測電阻，可以實現(xiàn)過流檢測，根據(jù)給定的電流保護調(diào)節(jié)，算出檢測電阻Rs的阻值，通過GS和GSD將電流信息反饋到內(nèi)部PWM比較器或斷續(xù)模式定時器。此電路大多數(shù)均采用內(nèi)部放置有的放大器和定時器，以及PWM比

9、較器，外圍電路相對簡單，使用集成電路，效率也能大幅提高。方案二：通過一路AD采集LM5117的CM端電壓并判斷電路電流，過流時通過一路DA給VCCDIS腳一個高于1.25V的電壓以關(guān)斷LM51117以實現(xiàn)限流，如圖4.開始初始化獲取CM端電壓判斷是否過流給VCCDIS腳0.8V電壓否是結(jié)束圖4單片機過流保護流程方案一電路使用器件少，電路結(jié)構(gòu)簡單，但是參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，電路調(diào)試?yán)щy。方案二使用單片機，電路較復(fù)雜，但參數(shù)設(shè)定簡單，調(diào)試簡單，所以選用含有單片機控制電路的方案二來進行設(shè)計和制作。2 理論計算與分析2.1降低紋波的方法為了消除二極管的寄生電感和電容產(chǎn)生的高頻振蕩，在二極管并聯(lián)了一個1.0uF

10、的電容來消減紋波。加大電感和輸出電容濾波根據(jù)開關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。因此輸出電感選擇11.6uH，并且在輸出和輸入端并聯(lián)了大容量的電解電容和瓷片電容，以達到更好的消除紋波效果。并且在PCB版布局時讓數(shù)字地和模擬地分開接地也能降低電源紋波。2.2DC-DC變換方法該電路通過LM5117的HO和LO高低電平來控制MOS管Q1和Q2的通斷，組成Buck降壓斬波電路。2.3 穩(wěn)壓控制方法電路的電壓反饋通過芯片自帶的FB腳控制。反饋端采集的輸出電壓值通過控制芯片的PWM波占空比，來改變MOS管Q1、Q2的導(dǎo)通時

11、間，從而控制Buck電路的輸出電壓，當(dāng)FB腳的電壓為0.8V時占空比不再改變，輸出穩(wěn)定。按照要求輸出5V的電壓調(diào)整分壓電阻RFB2RFB1=VOUT0.8-1 （1）根據(jù)式（1）RFB1=4.7K , RFB2=820。2.4 參數(shù)計算（1）芯片進入正常工作需要給UVLO口提供一個高于1.25V、低于15V的開啟電壓，故使用RU2，RU1分壓：RUV2=VHYS20uA （2）RUV1=1.25*RUV2VinSTART-1.25 （3）根據(jù)電路相關(guān)要求，計算并選擇可得RU2=100K，RU1=10K。經(jīng)過二者分壓，可使得UVLO的輸入電壓=1.2V，使芯片正常工作。（2）定時電阻RT控制芯片

12、的工作頻率：RT=5.2*10E9FSW-948（4）采用250kHz的開關(guān)頻率作為小尺寸和高效率之間的折中方案，計算并選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻RT=20K。（3）為了平滑輸出的紋波電壓，需要在輸出端串聯(lián)一個電感：（5）最大電感紋波電流出現(xiàn)在最大輸入電壓時。通常情況下，20%至40%的滿載電流是在磁芯損耗和電感銅損之間一個很好的折中方案，為了平滑輸出的紋波電壓，選擇紋波電流為3A的40%。計算出L0=11.6uH。（4）電感峰-峰紋波電流：（6）通過計算峰-峰紋波電流來計算檢測電阻的大小，將計算出的輸出電感值帶入可計算出Ipp=1.185A，（5）檢測電阻：（7）（8）由以上兩個公式，可以導(dǎo)出電流檢測電阻

13、的計算公式：（9）檢測電阻為過流保護提供實時的主電路電流值，考慮到誤差和紋波電流，最大輸出電流能力應(yīng)高于所需電流的20%至50%，我們選擇了3A的130%，計算出Rs=20m。(6)斜坡電阻和斜坡電容CRAMP為830pF，RRAMP可根據(jù)下方公式計算,（10）RRAMP選擇69.8 K 。(7)環(huán)路補償元件好的環(huán)路補償可最大限度的減小穩(wěn)態(tài)輸出誤差降低誤差放大器的噪聲敏感度，選擇十分之一頻率，已知fcross=25KHz,通過下方公式計算并根據(jù)實際工作調(diào)整得RCOMP=2.7KHz， CCOMP=1Nf， CHF=10Pf。（11）（12）（13）其余參數(shù)參考數(shù)據(jù)手冊和實際情況進行設(shè)置并調(diào)整。

14、2.5 提高效率的方法本系統(tǒng)的損耗主要在開關(guān)器件的損耗，以及濾波電感電容損耗。因此提高效率的重點在于減小這兩處器件的損耗。較高頻率的應(yīng)用體積就較小，但損耗也高，為了兼顧效率與體積，開關(guān)頻率設(shè)置為250KHz,在設(shè)計中選擇濾波電感D5609，降低電流密度以減小銅損耗。工作磁通設(shè)置到較低的值，減小磁芯的渦流和磁滯損耗，并且選用低ESR電感，來提高轉(zhuǎn)換效率，使得最終測試的DCDC變換器的效率達到89%以上。3 電路與程序設(shè)計3.1主回路與器件選擇DC-DC主電路采用Buck電路來配合LM5117完成降壓功能，當(dāng)UVLO接入高于1.25V的開啟電壓，使得HO和LO被啟用并開始正常工作，通過電流及電壓反

15、饋調(diào)整配置的PWM波的占空比，使得HO和LO交替輸出高電平進而使得QH和QL交替導(dǎo)通，實現(xiàn)Buck降壓。具體電路見附錄一。3.2 過流保護電路過流保護通過單片機AD采樣獲取CM端電壓，計算得到電路中實際電流，當(dāng)電流超過閾值（3.2A）時，單片機通過DA給VCCDIS端一個1.25V的電壓以禁用內(nèi)部Vcc。從而使芯片停止工作，MOS管Q1,Q2工作在截至區(qū)，保護電路。3.3 負載識別對于外部負載檢測，直接利用LM5117內(nèi)部功能和外部運放構(gòu)成的電路，復(fù)雜而且損耗較高，所以在這一部分，采用MSP430單片機來控制，這樣控制電路簡單，而MSP430特有的低功耗也能降低一部分功耗通過分壓電路采集電壓信

16、號。單片機來計算出R的阻值，從而得到目標(biāo)電壓值。再通過一路AD采集輸出端的電壓，通過一路DA給FB腳反饋來控制輸出電壓。軟件流程如圖5：開始初始化AD1采集外部負載電壓，AD2采集輸出電壓恒定輸出0.8V是否到達目標(biāo)值數(shù)據(jù)運算與分析DA輸出至反饋腳圖5負載識別流程圖4 測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案及測試條件測試方法：負載使用一個50的滑動變阻器。（1） 在額定輸入16V電壓下，檢測輸出電壓UO，多次檢測求平均值；（2） 在額定輸入16V電壓下，不斷加大負載，檢測能否電流能否大于等于3A，多次測量；（3） 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值。首先，給示波器的規(guī)定紋波的帶寬上限為10M，以避免拾取超出紋

17、波帶寬上限的高頻噪聲，其次把一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。以減少高頻拾取。多次測量求平均值；（4） IO從滿載IOmax變到輕載0.2IOmax 時，負載調(diào)整率；Si=UO輕載UO滿載-1100%5% (UIN=16V)（14）（5） 電壓調(diào)整率測試：設(shè)定負載IOMAX=3A，輸入電壓Uin=17.6-13.6V，測量UO值，計算電壓調(diào)整率；SV=max|UO17.6-UO16,(UO16-UO13.6)UO17.6*100%（15）（6） 在額定輸入16V電壓下，調(diào)整滑動變阻器的阻值，改變負載，測量輸出電壓和輸出電流及輸入功率；（7） 檢測過流保護功能，用電流表串聯(lián)與負

18、載串聯(lián)，提高負載，檢測過流保護啟動時的電流值。（8） 給電路加入一個負載電阻，用電壓表檢測輸出電壓值。（9） 將電源放在天平上稱量電源的重量。測試儀器：萬用表-DT9205,使用方便，測量精度好。電壓源使用DP1116A單路輸出的可編程線性直流電源。采用DS6104示波器檢測輸出噪聲紋波電壓峰峰值。4.2測試結(jié)果（1）額定輸入電壓（16V）下，輸出電壓偏差為28mV100mV，達到設(shè)計要求；輸出電壓偏差次數(shù)12345Uin/V1616161616UOut/V5.014.964.975.025.04S/mV1040302040（2）額定輸入電壓下（16V），最大輸出電流IO3A,達到設(shè)計要求； （3）輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP為mV(Uin=16V, IO=IOmax)，基本達到設(shè)計要求；（4）IO從滿載IOmax變到輕載0.2IOmax時，負載調(diào)整率為0.37%，達到設(shè)計要求；電壓調(diào)整率電壓0.2IOMAX/A5.005.005.005.005.00.5.005.00IOMAX/A4.994.984.984.984.974.994.98Si/%0.2%0.4%0.4%0.4%0.6%0.2%0.4%（5）UIN變化到17.6V和13.6V，電壓調(diào)整