高效直流稳定电源

高效直流稳定电源（C题）

《本科组》

摘要：本系统以可调降压芯片TPS5430为核心，以MSP430单片机为主控制器，根据反馈信号进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出、稳流输出。通过控制TPS540的VSNS端，实现稳压源和稳流源输出大小的控制。电压检测部分利用数字电位器实现稳压的范围控制，电流检测电路以TI高精度仪表放大器INA210和LM358组成电流取样电路。双向模拟开关实现稳流和稳压之间的切换。MSP430F149实现A/D转换，1602液晶显示器显示出电压、电流值。实现了基本部分和部分发挥部分。

Abstract:the sytem with adjustable step-down TPS5430 chip as the core,which is given priority to with MSP430 controller,according to the feedback signal is reliable closed-loop control,so as to realize stable voltage output,current output.By controlling the TPS5430 VSNS end,the size of the voltage source and current source output stabilization control.Voltage detecting part using the digital potentiometer voltage range control,current detection circuit with TI high precision instrumentation amplifier LM358 and INA210current sampling circuit.Two-way between analog switch to tealize steady flow and voltage stability.MSP430F149 achieve A/D conversion,1602LCD shows the voltage and current value.Implements the basic parts and play a part.

Keyswords: stable voltage  electric current  TPS5430  digital potentiometer.

              目录

1 方案论证        1

1.1 稳定电源主回路拓扑        1

1.2 稳压及稳流的控制方法及实现方案        1

1.3 提高效率的方法及实现方案        1

2 系统总体方案框图设计        2

3电路设计与计算        2

3.1电路设计与计算        2

3.1.1主回路器件的参数计算        2

3.1.2 控制电路设计与参数计算        3

3.1.3 效率的分析与计算        4

3.1.4 保护电路设计与参数计算        4

3.1.5 数字设定及显示电路的设计        4

3.2软件设计        5

4 测试方案和测试结果        5

4.1 测试仪器        5

4.2 测试方法与测试数据及处理        6

4.3 误差分析        7

5 结论与系统改进措施        7

6 参考文献        8

附录：        9

1 方案论证

1.1 稳定电源主回路拓扑

  方案一：可调电压芯片输出可调电压，控制电压范围。再用另一芯片输出可调电流，控制电流范围。

  方案二：使用降压芯片输出稳定电压，使用电位器分压，控制电压输出为5V~10V，使用另一个电位器分压，选用一电阻转化为电流输出，使用检流芯片检流，再经放大芯片放大后反馈。

  综合考虑，选用方案二。

1.2 稳压及稳流的控制方法及实现方案

  稳压控制

  方案一：LDO芯片和稳压管联合控制，使之输出为5V，再使用电位器调节输出电压的范围。

  方案二：高效率的TPS5430芯片和肖特基二极管B340A联合控制，使之输出为5V，再使用电位器反馈回TPS5430的VSNS引脚调节输出电压的范围。

  综合考虑，选用方案二。

  稳流控制

  方案一：直接串连一个电阻，从电阻的两端取出电压，进而转化为电流。

  方案二：电阻的电流经210检流后，经过LM358放大，反馈回TPS5430的VSNS引脚经电位器调节输出电流的范围。

1.3 提高效率的方法及实现方案

  方案一：选用普通型的降压芯片.低压线性稳压器LDO，线性稳压器的工作原理是通过消耗能量的方式来实现降压，在线性稳压器内部有一个功率耗散管,通过输出的反馈电压，内部参考电压和误差放大器产生一个控制电压来控制功率管的导通程度，使得功率耗散管呈现出不同的阻抗来消耗不同的功率，从而得到稳定的输出电压。但是效率不是很高，无法满足要求。

  方案二：选用高效率的开关型的降压芯片，TI公司的TPS5430DDA芯片，TSP5430是一种DCDC开关电源芯片，8个脚，工作温度-40到125，底部带散热片，输入电压为5.5V-36V。能在5V输出时提供3A的最大负载电流，最高效率95%左右。温度范围-40-125，系统过电流限制保护，过压保护和热关闭。只需外接电感、电压反馈电阻、肖特基二极管 等。

  根据效率要求，选用开关式降压芯片，即方案二。

2 系统总体方案框图设计

     根据题目要求，系统总体方案如图1所示。输入信号经TPS5430输出稳定电压，经电位器反馈调节输出稳定可调电压，电压转换电流输出可调稳定电流。

  总体框图如图1所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61B5.tmp.png        

Ui

图1 总体框图

3电路设计与计算

3.1电路设计与计算

3.1.1主回路器件的参数计算

     输出5V的主回路电路图如图2所示。

     file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61C6.tmp.png

                图2  5V输出主回路电路图

   VSNS引脚电压为最小为1.2V，通过R1和R2的选择，使输出电压为5V，电流最大达3A。为后续的电压和电流调节提供电压。

3.1.2 控制电路设计与参数计算

   控制电压调节电路如图3所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61D6.tmp.png

         图 3：电压范围调节电路

   滑动变阻器W1阻值大小可以调节输出电压的大小，电压要求要控制在5V~10V，设计为范围5V~11V。

芯片要求VSNS脚所接电压为1.22V。根据公式

         R2/R1+W1+R2=1.22/11                                 (1)

         W+R2/R1+W1+R2=1.22/5                               (2)

  当滑动变阻器电阻从0变到最大时，输出电压从5V变化到11V.计算出R1的值为10k。

  控制电流调节电路如图4所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61D7.tmp.jpg

          图 4：电流范围调节电路

    滑动变阻器W2阻值大小可以调节输出电流的大小，电流要求控制在150mA~1500mA。

  利用电阻将电压转化为电流，经过210稳流和LM538放大后引回TPS5430的VSNS引脚反馈，使之输出范围控制在150mA~1500mA。电阻两端只能测量电压，利用欧姆定律

                           I=U/R                                  (3)

计算出电流的大小。

3.1.3 效率的分析与计算

        n=（Uo*Io）/（Uin*Iin）                             (4)

  当所需的电压或电源确定时，所需输入越小，则效率越高。

3.1.4 保护电路设计与参数计算

  根据芯片手册得知TSP5430自带保护电路，TSP5430正常工作所需电压最低为1.2v，ENA管脚电压值大于1.3V时，芯片正常工作。电压低于0.5V时，ENA 置零，TSP5430停止工作。

3.1.5 数字设定及显示电路的设计

  显示电路如图5所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61D8.tmp.jpg

               图5：显示电路

  利用MSP430自带的A/D转换，采样、换算输出数字量。输出输入到1602中显示。当电位器变化为0~10k时，稳压的输出范围为5.00V~10.00V，稳流的输出范围为150mA~1500mA。

3.2软件设计

软件设计如图6所示，将电压经电阻分压后，输入单片机A/D部分，单片机初始化后，进行采样处理，输出数字信号，由液晶显示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61E9.tmp.png

                  图6     程序流程图

4 测试方案和测试结果

4.1 测试仪器

  电压源 电压表  DS1052示波器

4.2 测试方法与测试数据及处理

  稳压电源测试结果如表（1）所示

           表（1）：稳压电源测试结果

  稳流电源测试结果如表（2）所示

           表（2）：稳流电源测试结果

4.3 误差分析

  线路的连接，布线的方式，以及焊接的关系都影响了系统的精确性，使之与理论值存在差异。

5 结论与系统改进措施

结论：

  稳压电源

  在输入电压UI=13~16V波动下，输出电压U0的可调范围为5.156~10.160V。

  最大输出电流I0=1.503A。

  电压调整率≤0.5%

  负载调整率≤1%

  输出噪声纹波电压≤100mV

  整机效率≥70%

  稳流电源

  在输入电压UI=13~16V波动下，输出电流的可调范围为149mA~1498mA。

  最大输出电压U0=10.160V。

  电流调整率≤1%

  负载调整率≤2%

  输出噪声纹波电流≤30mA

  整机效率≥70%

改进措施 :

  若位数更高的A/D芯片能够提高数字输出的精确度。若能改进电流输出方案，则输出会更加稳定、精确。

6 参考文献

【1】全国大学生电子设计设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛训练教程  

[M].北京电子工业出版社, 2005年.

【2】全国大学生电子设计设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品   汇编（第一届~第五届） [M]. 北京理工大学出版社,  2014年.

【3】童诗白等  模拟电子技术基础   高等教育出版社  2012  

附录：

附录1：系统原理图

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps61FA.tmp.png

附录2：器件清单

  TPS5432DAA      一片

   B340              一个

   LM358            一个

   电位器            两个

   INA210            一个

   TS5A3159DBVR     一个  

   线圈电感           一个

   电容、电阻、导线若干

附录3：部分程序清单

ADC10 测量单通道单次模式

float ad_value;

float temp_value;

int main( void )

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //关看门狗

BCSCTL1 =CALBC1_1MHZ; //设定DCO 为1MHZ

DCOCTL =CALBC1_1MHZ;

ADC10CTL1=INCH_10; //选择第10 通道

ADC10CTL0=REFON+SREF_1; //打开1.5V 正参考,地为负参考

ADC10CTL0 |=ADC10ON+ADC10SHT_3+ADC10IE; //打开ADC10 内核,设定采样保持时间为64

个ADC10CLK,使能ADC10 中断

ADC10CTL0 |=ENC+ADC10SC; //启动AD 转换

_BIS_SR(GIE+CPUOFF); //开总中断并进入低功耗

temp_value=((ad_value*1.5/1023)-0.986)/0.0035; //计算电压/电流

return 0;

}

#pragma vector = ADC10_VECTOR //ADC10 中断服务

__interrupt void adc_isr(void)

{

ad_value=ADC10MEM; //将AD 采样值存入ad_value

_BIC_SR_IRQ(CPUOFF); //退出低功耗0

}

定时器PWM 输出程序

int main( void )

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //关看门狗

BCSCTL1 =CALBC1_1MHZ; //设定DCO 为1MHZ

DCOCTL =CALBC1_1MHZ;

TACTL=TASSEL1+TAR; //SMCLK 为时钟源,清TAR

CCR0=512; //设定PWM 周期

CCTL1 |=OUTMOD_7; //CCR1 输出为reset/set 模式

CCR1=384; //CCR1 的PWM 占空比设定

CCTL2 |=OUTMOD_7; //CCR2 输出为reset/set 模式

CCR2=128; //CCR2 的PWM 占空比设定

P1SEL |=BIT2+BIT3; //TA1,TA2 输出功能

P1DIR |=BIT2+BIT3;

TACTL |=MC0; //启动定时器A 增计数模式

_BIS_SR(CPUOFF);

return 0;

}

定时器A 比较模式

int main( void )

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //关看门狗

BCSCTL1 =CALBC1_1MHZ; //设定DCO 为1MHZ

DCOCTL =CALBC1_1MHZ;

P1DIR |=BIT0; //LED 使能

TACTL=TASSEL1+TACLR; //定时器A 时钟源为SMCLK,并清TAR

CCTL0 |=CCIE; //CCR0 中断使能

CCR0 =50000; //计数值为50000 个SMCLK 周期

TACTL |=MC1; //启动定时器A 为连续计数模式

_BIS_SR(GIE+CPUOFF);

return 0;

}

#pragma vector = TIMERA0_VECTOR //ccr0 中断服务

__interrupt void ta0_isr(void)

{

P1OUT ^=BIT0; //LED 翻转

CCR0 +=50000; //定时补偿

}