2016年四川省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽報(bào)——max

1、2016年四川省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽報(bào)告參賽題目：降壓型直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（A題）二零一六年八月摘 要本設(shè)計(jì)以Buck電路為主拓?fù)?，利用LM5117為主要控制核心，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊電路工作以實(shí)現(xiàn)題設(shè)功能。利用LM5117穩(wěn)定的3.3A峰值柵極時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和高達(dá)750kHz自由運(yùn)行或同步的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)CSD18532KCS構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路，利用其優(yōu)秀的電流反饋能力構(gòu)造了過(guò)流保護(hù)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?fù)淠K、過(guò)流保護(hù)電路、負(fù)載識(shí)別電路。主電路實(shí)現(xiàn)降壓，過(guò)流保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)流的保護(hù)，負(fù)載識(shí)別電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部可調(diào)負(fù)載的實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出。關(guān)鍵詞：Buck電路；LM5

2、117；過(guò)流保護(hù)；負(fù)載識(shí)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(fù)載識(shí)別電路方案51.3 過(guò)流保護(hù)方案62 理論計(jì)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(jì)算72.5 提高效率的方法93 電路與程序設(shè)計(jì)93.1主回路與器件選擇93.2 過(guò)流保護(hù)電路93.3 負(fù)載識(shí)別104 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果114.1測(cè)試方案及測(cè)試條件114.2測(cè)試結(jié)果114.3 測(cè)試結(jié)果分析134.4 實(shí)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(kāi)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(fù)載識(shí)別模塊和過(guò)流保護(hù)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(guò)控制單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波來(lái)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(jī)產(chǎn)生PWM波控制MOS管方案二：利用Buck斬波電路，通過(guò)穩(wěn)壓芯片LM5117 控制MOS管CSD18532KCS導(dǎo)通構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路來(lái)進(jìn)行降壓。充分利用LM5117的電壓反饋環(huán)和電流反饋環(huán)，實(shí)現(xiàn)電壓控制、電流檢測(cè)和保護(hù)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(jiǎn)單，但在高頻時(shí)開(kāi)關(guān)損耗大，降壓效率低。并且存在著紋波大，開(kāi)關(guān)噪聲以及高輻射的缺點(diǎn)。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(diǎn).,所以選用符合要求

7、的方案二來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。1.2 負(fù)載識(shí)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(yùn)放和減法器，將外接的負(fù)載電阻作為運(yùn)放的輸入電阻，改變負(fù)載阻值，就改變了運(yùn)放的增益，通過(guò)反饋到減法器來(lái)改變輸出電壓反饋到LM5117的控制口。如圖3 圖3 LM324組成的負(fù)載識(shí)別電路方案二：利用MSP430f149單片機(jī)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(jī)采集電壓值(AD1)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電阻值，并采集輸出端電壓，進(jìn)入主程序進(jìn)行計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)數(shù)字量，如果輸出端電壓未達(dá)到目標(biāo)值則配合外部DA芯片輸出一個(gè)低于或高于0.8V的電壓給FB腳，否則輸出一個(gè)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(yùn)放器件較多，而且電路相對(duì)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(jiǎn)單，出錯(cuò)后相對(duì)方案一好解決，同時(shí)MSP430特有的低功耗性能使得對(duì)于主電路的損耗相對(duì)較小，對(duì)效率影響較小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用符合基本要求的單片機(jī)控制電路的方案二來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。1.3 過(guò)流保護(hù)方案方案一：采用LM5117自帶的內(nèi)部電流檢測(cè)放大器，結(jié)合外部接入的檢測(cè)電阻，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)，根據(jù)給定的電流保護(hù)調(diào)節(jié)，算出檢測(cè)電阻Rs的阻值，通過(guò)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(shí)器。此電路大多數(shù)均采用內(nèi)部放置有的放大器和定時(shí)器，以及PWM比

9、較器，外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，使用集成電路，效率也能大幅提高。方案二：通過(guò)一路AD采集LM5117的CM端電壓并判斷電路電流，過(guò)流時(shí)通過(guò)一路DA給VCCDIS腳一個(gè)高于1.25V的電壓以關(guān)斷LM51117以實(shí)現(xiàn)限流，如圖4.開(kāi)始初始化獲取CM端電壓判斷是否過(guò)流給VCCDIS腳0.8V電壓否是結(jié)束圖4單片機(jī)過(guò)流保護(hù)流程方案一電路使用器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)，電路較復(fù)雜，但參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)單，所以選用含有單片機(jī)控制電路的方案二來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。2 理論計(jì)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(gè)1.0uF

10、的電容來(lái)消減紋波。加大電感和輸出電容濾波根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)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(dá)到更好的消除紋波效果。并且在PCB版布局時(shí)讓數(shù)字地和模擬地分開(kāi)接地也能降低電源紋波。2.2DC-DC變換方法該電路通過(guò)LM5117的HO和LO高低電平來(lái)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(guò)芯片自帶的FB腳控制。反饋端采集的輸出電壓值通過(guò)控制芯片的PWM波占空比，來(lái)改變MOS管Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)

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(shí)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(jì)算（1）芯片進(jìn)入正常工作需要給UVLO口提供一個(gè)高于1.25V、低于15V的開(kāi)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(jì)算并選擇可得RU2=100K，RU1=10K。經(jīng)過(guò)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(shí)電阻RT控制芯片

12、的工作頻率：RT=5.2*10E9FSW-948（4）采用250kHz的開(kāi)關(guān)頻率作為小尺寸和高效率之間的折中方案，計(jì)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(gè)電感：（5）最大電感紋波電流出現(xiàn)在最大輸入電壓時(shí)。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(gè)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(jì)算出L0=11.6uH。（4）電感峰-峰紋波電流：（6）通過(guò)計(jì)算峰-峰紋波電流來(lái)計(jì)算檢測(cè)電阻的大小，將計(jì)算出的輸出電感值帶入可計(jì)算出Ipp=1.185A，（5）檢測(cè)電阻：（7）（8）由以上兩個(gè)公式，可以導(dǎo)出電流檢測(cè)電阻

13、的計(jì)算公式：（9）檢測(cè)電阻為過(guò)流保護(hù)提供實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)算,（10）RRAMP選擇69.8 K 。(7)環(huán)路補(bǔ)償元件好的環(huán)路補(bǔ)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(guò)下方公式計(jì)算并根據(jù)實(shí)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(cè)和實(shí)際情況進(jìn)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(kāi)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(diǎn)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(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為250KHz,在設(shè)計(jì)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(lái)提高轉(zhuǎn)換效率，使得最終測(cè)試的DCDC變換器的效率達(dá)到89%以上。3 電路與程序設(shè)計(jì)3.1主回路與器件選擇DC-DC主電路采用Buck電路來(lái)配合LM5117完成降壓功能，當(dāng)UVLO接入高于1.25V的開(kāi)啟電壓，使得HO和LO被啟用并開(kāi)始正常工作，通過(guò)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(jìn)而使得QH和QL交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)Buck降壓。具體電路見(jiàn)附錄一。3.2 過(guò)流保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)通過(guò)單片機(jī)AD采樣獲取CM端電壓，計(jì)算得到電路中實(shí)際電流，當(dāng)電流超過(guò)閾值（3.2A）時(shí)，單片機(jī)通過(guò)DA給VCCDIS端一個(gè)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(hù)電路。3.3 負(fù)載識(shí)別對(duì)于外部負(fù)載檢測(cè)，直接利用LM5117內(nèi)部功能和外部運(yùn)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(jī)來(lái)控制，這樣控制電路簡(jiǎn)單，而MSP430特有的低功耗也能降低一部分功耗通過(guò)分壓電路采集電壓信

16、號(hào)。單片機(jī)來(lái)計(jì)算出R的阻值，從而得到目標(biāo)電壓值。再通過(guò)一路AD采集輸出端的電壓，通過(guò)一路DA給FB腳反饋來(lái)控制輸出電壓。軟件流程如圖5：開(kāi)始初始化AD1采集外部負(fù)載電壓，AD2采集輸出電壓恒定輸出0.8V是否到達(dá)目標(biāo)值數(shù)據(jù)運(yùn)算與分析DA輸出至反饋腳圖5負(fù)載識(shí)別流程圖4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案及測(cè)試條件測(cè)試方法：負(fù)載使用一個(gè)50的滑動(dòng)變阻器。（1） 在額定輸入16V電壓下，檢測(cè)輸出電壓UO，多次檢測(cè)求平均值；（2） 在額定輸入16V電壓下，不斷加大負(fù)載，檢測(cè)能否電流能否大于等于3A，多次測(cè)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(cè)量求平均值；（4） IO從滿載IOmax變到輕載0.2IOmax 時(shí)，負(fù)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(cè)試：設(shè)定負(fù)載IOMAX=3A，輸入電壓Uin=17.6-13.6V，測(cè)量UO值，計(jì)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(dòng)變阻器的阻值，改變負(fù)載，測(cè)量輸出電壓和輸出電流及輸入功率；（7） 檢測(cè)過(guò)流保護(hù)功能，用電流表串聯(lián)與負(fù)

18、載串聯(lián)，提高負(fù)載，檢測(cè)過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)時(shí)的電流值。（8） 給電路加入一個(gè)負(fù)載電阻，用電壓表檢測(cè)輸出電壓值。（9） 將電源放在天平上稱量電源的重量。測(cè)試儀器：萬(wàn)用表-DT9205,使用方便，測(cè)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(cè)輸出噪聲紋波電壓峰峰值。4.2測(cè)試結(jié)果（1）額定輸入電壓（16V）下，輸出電壓偏差為28mV100mV，達(dá)到設(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求； （3）輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP為mV(Uin=16V, IO=IOmax)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求；（4）IO從滿載IOmax變到輕載0.2IOmax時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為0.37%，達(dá)到設(shè)計(jì)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