高效直流穩(wěn)定電源new(2)

1、高效直流穩(wěn)定電源（C題）本科組摘要：本系統(tǒng)以可調(diào)降壓芯片 TPS5430為核心，以MSP430單片機(jī)為主控制 器，根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行可靠的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出、穩(wěn)流輸出。通過(guò) 控制TPS540的VSNS 端,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源輸出大小的控制。電壓檢測(cè)部分利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的范圍控制，電流檢測(cè)電路以TI高精度儀表放大器INA210和LM358組成電流取樣電路。雙向模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流和穩(wěn)壓之間的切 換。MSP430F149實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，1602液晶顯示器顯示出電壓、電流值。實(shí)現(xiàn) 了基本部分和部分發(fā)揮部分。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電 穩(wěn)流 TPS5430 數(shù)字電位器Abstract： the sytem

2、 with adjustable step-dow n TPS5430 chip as the core,which is give n priority to with MSP430 con troller,accord ing to the feedback sig nal is reliable closed-loop control,so as to realize stable voltage output,current output.By con trolli ng the TPS5430 VSNS en d,the size of the voltage source and

3、curre nt source output stabilization control.Voltage detecting part using the digital potentiometer voltage range con trol,curre nt detecti on circuit with TI high precisi on in strume ntati on amplifier LM358 and INA210current sampling circuit.Two-way between analog switch to tealize steady flow an

4、d voltage stability.MSP430F149 achieve A/D conv ersi on ,1602LCD shows the voltage and curre nt value .Im pleme nts the basic parts and play a part.Keyswordsstable voltage electric current TPS5430 digital potentiometer.I目錄1方案論證1.1.1穩(wěn)定電源主回路拓?fù)?.1.2穩(wěn)壓及穩(wěn)流的控制方法及實(shí)現(xiàn)方案11.3提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案1.2系統(tǒng)總體方案框圖設(shè)計(jì) 23電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

5、 2.3.1電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 2.3.1.1主回路器件的參數(shù)計(jì)算23.1.2控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 33.1.3效率的分析與計(jì)算 .4.3.1.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 43.1.5數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計(jì) 43.2軟件設(shè)計(jì)4.4測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果5.4.1測(cè)試儀器5.4.2測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)及處理54.3誤差分析7.5結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施7.6參考文獻(xiàn)8.附錄：9.II1方案論證1.1穩(wěn)定電源主回路拓?fù)浞桨敢唬嚎烧{(diào)電壓芯片輸出可調(diào)電壓，控制電壓范圍。再用另一芯片輸出 可調(diào)電流，控制電流范圍。方案二：使用降壓芯片輸出穩(wěn)定電壓，使用電位器分壓，控制電壓輸出為 5V10V，使用另一個(gè)電位器分壓，選用一

6、電阻轉(zhuǎn)化為電流輸出，使用檢流芯片 檢流，再經(jīng)放大芯片放大后反饋。綜合考慮，選用方案二。1.2穩(wěn)壓及穩(wěn)流的控制方法及實(shí)現(xiàn)方案穩(wěn)壓控制方案一：LDO芯片和穩(wěn)壓管聯(lián)合控制，使之輸出為 5V，再使用電位器調(diào)節(jié) 輸出電壓的范圍。方案二：高效率的TPS5430芯片和肖特基二極管B340A聯(lián)合控制，使之輸 出為5V，再使用電位器反饋回TPS5430的VSNS引腳調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍。綜合考慮，選用方案二。穩(wěn)流控制方案一：直接串連一個(gè)電阻，從電阻的兩端取出電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電流。方案二：電阻的電流經(jīng)210檢流后，經(jīng)過(guò)LM358放大，反饋回TPS5430的 VSNS引腳經(jīng)電位器調(diào)節(jié)輸出電流的范圍。1.3提高效率的方

7、法及實(shí)現(xiàn)方案方案一：選用普通型的降壓芯片低壓線性穩(wěn)壓器LDO，線性穩(wěn)壓器的工作 原理是通過(guò)消耗能量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓，在線性穩(wěn)壓器內(nèi)部有一個(gè)功率耗散管，通過(guò)輸出的反饋電壓，內(nèi)部參考電壓和誤差放大器產(chǎn)生一個(gè)控制電壓來(lái)控制功 率管的導(dǎo)通程度，使得功率耗散管呈現(xiàn)出不同的阻抗來(lái)消耗不同的功率，從而 得到穩(wěn)定的輸出電壓。但是效率不是很高，無(wú)法滿足要求。方案二：選用高效率的開(kāi)關(guān)型的降壓芯片，TI公司的TPS5430DD芯片，TSP5430是一種DCD開(kāi)關(guān)電源芯片，8個(gè)腳，工作溫度-40到125,底部帶散熱 片，輸入電壓為5.5V-36V。能在5V輸出時(shí)提供3A的最大負(fù)載電流，最高效率95%左右。溫度范圍-4

8、0-125，系統(tǒng)過(guò)電流限制保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)和熱關(guān)閉。只需 外接電感、電壓反饋電阻、肖特基二極管 等。根據(jù)效率要求，選用開(kāi)關(guān)式降壓芯片，即方案二。2系統(tǒng)總體方案框圖設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。輸入信號(hào)經(jīng)TPS5430輸出穩(wěn)定 電壓，經(jīng)電位器反饋調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定可調(diào)電壓，電壓轉(zhuǎn)換電流輸出可調(diào)穩(wěn)定電流?？傮w框圖如圖1所示。3電路設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1電路設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1主回路器件的參數(shù)計(jì)算輸出5V的主回路電路圖如圖2所示圖2 5V輸出主回路電路圖VSNS引腳電壓為最小為1.2V,通過(guò)R1和R2的選擇，使輸出電壓為5V, 電流最大達(dá)3A。為后續(xù)的電壓和電流調(diào)節(jié)提供電壓。3.1.2控制電路設(shè)計(jì)與參

9、數(shù)計(jì)算控制電壓調(diào)節(jié)電路如圖3所示。圖3:電壓范圍調(diào)節(jié)電路滑動(dòng)變阻器 W1阻值大小可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，電壓要求要控制在 5V10V，設(shè)計(jì)為范圍5V11V。芯片要求VSNS腳所接電壓為1.22V。根據(jù)公式R2/R1+W1+R2=1.22/11W+R2/R1+W1+R2=1.22/5當(dāng)滑動(dòng)變阻器電阻從0變到最大時(shí)，輸出電壓從5V變化到11V.計(jì)算出R1的 值為10k?？刂齐娏髡{(diào)節(jié)電路如圖4所示。圖4:電流范圍調(diào)節(jié)電路滑動(dòng)變阻器 W2阻值大小可以調(diào)節(jié)輸出電流的大小，電流要求控制在150mA1500mA。利用電阻將電壓轉(zhuǎn)化為電流，經(jīng)過(guò)210穩(wěn)流和LM538放大后引回TPS5430的VSNS引腳反饋，

10、使之輸出范圍控制在 150mA1500mA。電阻兩端只能測(cè)量電 壓，利用歐姆定律匸U/R(3)計(jì)算出電流的大小。3.1.3效率的分析與計(jì)算n二(Uo*Io)/( Uin*I in)(4)當(dāng)所需的電壓或電源確定時(shí)，所需輸入越小，則效率越高。3.1.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算根據(jù)芯片手冊(cè)得知TSP5430自帶保護(hù)電路，TSP5430正常工作所需電壓最低 為1.2v, ENA管腳電壓值大于1.3V時(shí)，芯片正常工作。電壓低于0.5V時(shí)，ENA 置零，TSP5430停止工作。3.1.5數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計(jì)顯示電路如圖5所示利用MSP430自帶的A/D轉(zhuǎn)換，采樣、換算輸出數(shù)字量。輸出輸入到1602中 顯

11、示。當(dāng)電位器變化為010k時(shí)，穩(wěn)壓的輸出范圍為5.00V10.00V,穩(wěn)流的輸 出范圍為 150mA1500mA。3.2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示，將電壓經(jīng)電阻分壓后，輸入單片機(jī) A/D部分，單片 機(jī)初始化后，進(jìn)行采樣處理，輸出數(shù)字信號(hào)，由液晶顯示。開(kāi)始初始化采樣A/D數(shù)字顯示結(jié)束圖6程序流程圖4測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試儀器電壓源 電壓表 DS1052示波器4.2測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)及處理穩(wěn)壓電源測(cè)試結(jié)果如表（1）所示表（1）:穩(wěn)壓電源測(cè)試結(jié)果a、輸出電壓范圍Ui (v)13.00514.00614.99916.005Uo(V)范圍5.232-10.1195.334-10.0435.156-

12、10.1605.213-10.044測(cè)量范圍為5.156V-10.160Vb、最大輸出電流Io次數(shù)1234lo(mA)1491148414731503最大輸出電流為1503mAC、電壓調(diào)整率輸出空載時(shí)Io=1AUi( v)13.00314.00615.01215.999Uo(V)7.9818.0128.0467.990電壓調(diào)整率0.5%d、負(fù)載調(diào)整率Ui=15V已調(diào)輸出空載Io=1A負(fù)載（歐）100200300400Uo（V）負(fù)載調(diào)整率1%8.0217.9908.0017.964e、輸出噪聲紋波Ui=15V Uo=5VIo=1.5A次數(shù)1234Um(70305060輸出噪聲紋波小于 100mV

13、1f、整機(jī)效率Ui=15V Uo=5VIo=1.5A次數(shù)1234效率80%87%79%84%整機(jī)效率大于70%穩(wěn)流電源測(cè)試結(jié)果如表（2）所示表（2）:穩(wěn)流電源測(cè)試結(jié)果a、輸出電流范圍Ui （v）13.00014.00315.00016.005Io范圍（mA）156-1488149-1398167-1476163-1498輸出電流范圍為149mA-1498mAb、最大輸出電壓次數(shù)1234Uo（ V）10.1608.9249.3449.625最大輸出電壓為10.160VC、電流調(diào)整率負(fù)載5歐 Io=1AUi（v）13.00814.00914.99816.002Io（A）0.9981.0041.00

14、11.003電流調(diào)整率為0.59%d、負(fù)載調(diào)整率Ui=15VIo=1A負(fù)載（歐）1234Io（A）0.9901.0080.9991.002負(fù)載調(diào)整率為1.8%e、輸出噪聲紋波 Ui=15VUo=5V Io=1.5A次數(shù)1234Im（ mA）20mA10mA15mA10mA輸出噪聲紋波小于70%f、整機(jī)效率Ui=15V Uo=10V Io=1.5A次數(shù)1234效率78%83%81%79%整機(jī)效率大于70%4.3誤差分析線路的連接，布線的方式，以及焊接的關(guān)系都影響了系統(tǒng)的精確性，使之與 理論值存在差異。5結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施結(jié)論:穩(wěn)壓電源在輸入電壓Ui=1316V波動(dòng)下，輸出電壓 Uo的可調(diào)范圍為5

15、.15610.160V。最大輸出電流lo=1.5O3A。電壓調(diào)整率 0.5%負(fù)載調(diào)整率 1%輸出噪聲紋波電壓 100mV 整機(jī)效率 70%穩(wěn)流電源在輸入電壓Ui=1316V波動(dòng)下，輸出電流的可調(diào)范圍為 149mA1498mA 最大輸出電壓U=10.160V。電流調(diào)整率1%負(fù)載調(diào)整率%輸出噪聲紋波電流 30rA整機(jī)效率 70%改進(jìn)措施：若位數(shù)更高的A/D芯片能夠提高數(shù)字輸出的精確度。若能改進(jìn)電流輸出方案, 則輸出會(huì)更加穩(wěn)定、精確。6參考文獻(xiàn)【1】全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程 M.北京電子工業(yè)出版社，2005年.【2】全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生

16、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品 匯編（第一屆第五屆）M.北京理工大學(xué)出版社，2014年.【3】童詩(shī)白等 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社 201212二亙附錄2 :器件清單TPS5432DAA一片B340一個(gè)LM358一個(gè)電位器兩個(gè)INA210一個(gè)TS5A3159DBVR一個(gè)線圈電感一個(gè)電容、電阻、導(dǎo)線若干附錄3:部分程序清單ADC10測(cè)量單通道單次模式float ad_value;float temp_value;int main( void )WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; / 關(guān)看門(mén)狗BCSCTL1 =CALBC1_1MHZ; / 設(shè)定 DCO 為 1MHZDCOCTL =CALBC1_

17、1MHZ;ADC10CTL1=INCH_10; / 選擇第 10 通道ADC10CTL0=REFON+SREF_1; /打開(kāi)1.5V正參考,地為負(fù)參考ADC10CTL0 |=ADC10ON+ADC10SHT_3+ADC10IE; / 打開(kāi) ADC10 內(nèi)核,設(shè)定采 樣保持時(shí)間為64個(gè)ADC10CLK,使能ADC10中斷ADC10CTL0 |=ENC+ADC10SC; / 啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換_BIS_SR(GIE+CPUOFF); 開(kāi)總中斷并進(jìn)入低功耗 temp_value=(ad_value*1.5/1023)-0.986)/0.0035; /計(jì)算電壓 / 電流 return 0;#pragma

18、 vector = ADC10_VECTOR /ADC10 中斷服務(wù)_in terrupt void adc_isr(void)廠_ad_value=ADC10MEM; /將 AD 采樣值存入 ad_value _BIC_SR_IRQ(CPUOFF); /退出低功耗 0 r定時(shí)器PWM輸出程序int main( void )WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; / 關(guān)看門(mén)狗 BCSCTL1 =CALBC1_1MHZ; / 設(shè)定 DCO 為 1MHZ DCOCTL =CALBC1_1MHZ;TACTL=TASSEL1+TAR; /SMCLK 為時(shí)鐘源，清 TARCCR0=512; 設(shè)定 PWM 周期CCTL1 |=0UTM0D_7; /CCR1 輸出為 re