1、2016 年 全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛2016 年 7 月 28 日II摘 要 本设计以 TI 公司的 MSP430G2553 单片机作为控制核心，设计制作了一种降压型开关稳压电源。该电源主电路为同步整流 BUCK 电路，通过 LM5117 驱动 CSD18532KCS MOS 场效应管实现稳压输出， 电流检测电路使用 TI 的高精度检流芯片 INA282 实现对电路的保护，系统效率可达到 89%。达到了设计要求中的各项指标。关键词：LM5117 同步整流 BUCK 电路 MSP430G2553 INA282III目 录一、系统方案 41.1 DC-DC 驱动模块的比较与选择
2、 .41.2 主控制器的比较与选择 41.3 过流保护方案的比较与选择 41.4 单片机供电模块的比较与选择 5二、系统理论分析与计算 52.1 主要器件参数选择及计算 52.1.1 定值电阻 RT 的计算 52.1.2 输出电感 L0的选取 .52.1.3 电流检测电阻 的选取 .52.1.4 输出电容 Co的选取 .52.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取 62.2 提高效率的方法 62.3 降低纹波的方法 62.4 DC-DC 变换方法 .62.5 稳压控制方法 7三、电路与程序设计 73.1 主回路与器件的选择 .73.1.1 电路主回路 .73.1.2 电路器件选择 .73.2 控
3、制电路及程序 83.2.1 控制电路 83.2.2 主程序流程图 83.2.3 部分源程序代码 8四、系统测试 84.1 测试方案及条件 84.1.1 测试仪器 84.1.2 测试方法 84.2 测试过程及结果 84.3 测试结果分析 9附录 1：程序流程图 .10附录 2：部分源代码 .124VIN一、系统方案本设计采用 BUCK 电流斩波电路，单片机控制输出两路 PWM 信号经过 TI 芯片IR2110 驱动高端和低端 N 沟道 MOSFET，通过控制 PWM 的占空比来控制两个 MOSFET 导通和关断的时间进而调节输出电压。当高端 MOSFET 导通时，低端 MOSFET 断开；同理当
4、低端 MOSFET 导通时，高端 MOSFET 断开，从而实现了同步整流效果。ADPWM 识别图 1.1 系统设计方案总体框图1.1 DC-DC 驱动模块的比较与选择方案一：采用 TI 芯片 IR2110 直接驱动 MOSFET，它属于自举升压原理的驱动。单片机控制输出两路 PWM 信号经过 IR2110 驱动高端和低端 N 沟道 MOSFET，通过控制 PWM的占空比来控制两个 MOSFET 导通和关断的时间进而调节输出电压。方案二：采用TI公司生产的LM5117同步降压控制器，它具有5.5V-65V宽电压工作范围，工作频率可以在50kHz到750kHz范围内设定。包含几个大电流 NMOS
5、驱动器和一个相关的高边电平转换器，可自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管。经比较，LM5117Z控制器集成了高边和低边NMOS驱动器可以自适应死区时间，LM5117自带同步整流功能，更易于提高效率。故采用方案二，使用TI公司的LM5117作为DC-DC驱动控制模块。1.2 主控制器的比较与选择方案一：采用通用的 MCS-51 系列单片机，由于不带 A/D 和 D/A 转换器且运算速度较慢，外围电路使得整个系统硬件电路变得复杂，同时 51 单片机获得 PWM 较为复杂，使得系统的性价比偏低。方案二：采用德州仪器（TI）的 MSP430G2553 为主控制器。MSP430 拥有
6、丰富的片内资源，内置 16 位定时器具有捕获和比较功能，内置 10 位的数模转换器，可以输出PWM 信号。430 独特的超低功耗设计，可以显著降低系统功耗提高效率。经比较，MSP430 单片机可以满足系统控制的要求，并且其具有超低功耗的特点可以显著降低电源损耗提高系统效率。所以选用 MSP430G2553 单片机作为系统的主控制器。 降压稳压直流电源负载 RLMCU单片机供电模块阻抗 R51.3 过流保护方案的比较与选择方案一：采用 AD620 运放，AD620 是一个低成本、高精度的仪表放大器，使用方便。但输入共模电压范围太小且静态功耗较大，无法满足题目要求中的电压及功耗要求。方案二：采用专
7、用 TI 检流芯片 INA282 进行电流检测，INA282 是 TI 的电流分流模拟输出型电流感应放大器，其电压增益为 50 倍，共模抑制比较高，测量准确。利用INA282 实现检流功能，电路简单，且静态功耗较小。经比较，由于 AD620 的电压范围不能满足题目要求，故采用方案二，使用 TI 的高精度检流芯片 INA282 作为电流检测的方案。1.4 单片机供电模块的比较与选择方案一：以 MP2307 芯片为电源供电芯片，使用一体成形功率电感和同步整流控制芯片，体积更小，效率更高。方案二：用 lm7805 三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少。但当稳压管温度过高时，稳压性能将变差
8、，甚至损坏。需安装足够大的散热器。综合以上两种方案，由于本设计对重量选择方案一。 二、系统理论分析与计算2.1 主要器件参数选择及计算 2.1.1 定值电阻 RT 的计算较高频率的应用体积较小，但损耗也较高。在我们方案中，选定330kHz作为小尺寸和高效率之间的合理折中方案。用公式（2-1）可以计算出330kHz开关频率下RT的值：（2-1）=5.21099482.1.2 输出电感 L0的选取最大电感纹波电流出现在最大输入电压时，电感值计算公式如下，（2-2）=()(1()()已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压，代入公式（2-2）可计算出（2-3）=530.4230(151
9、7.6)12.92.1.3 电流检测电阻 的选取考虑到误差和纹波电流，最大输出电流应高于所需输出电流的20至50。电流检测电阻值可以用如下公式计算：（2-4）= ()()+2()62.1.4 输出电容 Co的选取输出电容器可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源。具有最大 ESR 的输出纹波电压的基本元件近似值为：（-5）=2+( 18)2.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取采用 TI 公司高精度检流芯片 INA282 进行电流检测，INA282 的增益为 50 倍，共模抑制比比较高，只需外接 10m电阻便可完成测量并且非常准确。此外，INA282 共模范围
10、为-1480V。利用 INA282 实现检流功能，电路简单，能耗较小。单片机最高可输入信号的最大电压为 3.3V，且降压电路输出电流最大为 3A，故采用 0.01电阻进行电流检测。（2-6 ）0.13.20.V56RADRU2.2 提高效率的方法采用低导通电阻的 MOSFET 降低导通损耗。斩波电路的主要损耗是开关的损耗，通过采用导通电阻很低的 CSD18532KCS MOS 管可以明显提高效率。优化 PCB 布线。在进行 PCB 布线时，尽量使布局紧凑，走线短且直，主电路使用大面积覆铜代替走线。2.3 降低纹波的方法（1）加大输出滤波的电容、电感参数.通过输出纹波与输出电容的关系式：Vrip
11、ple=Imax/(Cof) (2-7)可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。或者考虑采用并联的方式减小ESR值,或者使用LOWESR电容。低边NMOS器件两端的电阻-电容缓冲网络可减少开关节点的振铃和尖峰。其他低ERS/ESL陶瓷电容器可以与主输出电容并联起来，以进一步降低输出电压纹波和尖峰。（2）提高开关电源工作频率，其纹波电流I 可由下式算出：(2-8)=（ ） 可以看出，增加 L 值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。但是提高频率可能降低电源的效率，通过测试选取合适的频率。（3）采用多级滤波。2.4 DC-DC 变换方法采用同步整流的 buck 电路，图 2.1 所示为 BUC
12、K 变换器基本结构图。在同步 Buck电路工作方式中，使用一个开关管替换基本 Buck 电路中的续流二极管。Q1 作为主开关管，Q2 起续流作用。Q1 导通时，Q2 关断，电流通过电感 L 到达负载，并将电能储存在 L 和 C2 中（电流方向如图中虚线所示） ；Q1 关断时，Q2 导通，起续流作用，储存在L 和 C2 上的电能转化为电流继续向负载输出（电流方向如图中实线所示） 。7Q1Q2LC2C1+_Vi n 1+_Vo 1图 2.1 BUCK 变换基本结构图2.5 稳压控制方法采用反馈电阻和单片机 PWM 共同构成的软硬件结合的反馈方式，单片机通过内置AD 对反馈电阻处电压和输出电压采样，
13、通过对比两处电压单片机输出 PWM 信号。单片机输出的 PWM 信号与反馈电阻处电压共同作用于 LM5117 形成反馈。这种控制方法可以加速系统调节速度，改善系统调节品质，提高系统稳定性。从而实现更稳定的电压输出。三、电路与程序设计3.1 主回路与器件的选择3.1.1 电路主回路电路中有两个 MOSFET，其中 Q1 和 Q2 均为 NMOS，通过控制 MOSFET 的关断来让电路工作在 Buck 电路状态。图 3.1 电路主回路3.1.2 电路器件选择根据公式（2-1） =21.7K，我们选取 21k的电阻。=5.2109230948根据公式（2-2） ，选取 的输出电感 。=530.433
14、0(1517.6)12.9 15 根据公式（2-4） ，经过计算选取了 0.005 的 。= ()()+2() 8根据公式（2-5） ，选取了 0.47 F 的输出电容。=2+( 18) 3.2 控制电路及程序3.2.1 控制电路单片机供电电路和控制电路如图 3.2 和 3.3 所示。图 3.2 单片机供电电路 图 3.3 单片机控制电路 3.2.2 主程序流程图见附录 13.2.3 部分源程序代码见附录 2四、系统测试4.1 测试方案及条件4.1.1 测试仪器表 4.1 测试所用仪器仪器名称 具体型号100MHz 双通道数字示波器 DSO-X 2002A（升级带宽）可调直流稳压电源 SK17
15、31台式万用表 Agilent 34401A函数信号发生器 F10 DDS4.1.2 测试方法硬件调试：可以通过示波器观察 MOS 开关处波形及输出电压波形观察电压纹波。改变输入电压和负载，通过万用表记录电源的电压电流参数。软件调试：程序调试无误后下载至单片机，将单片机 PWM 输出端口接至示波器，调节占空比，使用示波器观察。可以通过显示屏程序测试 AD 采样是否正常。完成系统软硬件各单元测试后，进行系统联调，验证各模块之间交互的正确性和接口的兼容性，按照题目要求测试整体功能并调整参数，填写测试表格并撰写设计报告。4.2 测试过程及结果（一）将可调直流电源输出调至 16V，调节负载至 1.67
16、 ，测试数据见表 4.1。表 4.1 =16 时的参数 9() () () () () ()1.67 16.00 1.074 5.060 3.020 88.93% 391.67 16.00 1.070 5.055 3.033 89.55% 42（二）将直流电源输出调至 16V，调节负载阻值至 7.5 ，可得到负载调整率。表 4.1 负载调整率的测量参数() 轻载 () 满载 () 16.00 5.008 5.080 1.41%16.00 5.021 5.072 1.00%（三）将负载调整至 1.67 ，调节电源输出分别为 17.6V 和 13.6V，可以得到电压调整率。测试数据如下 4.3 表
17、。表 4.3 电压调整率的测量参数() 17.6 13.6 16.00 () 5.071 5.051 5.060 0.2%() 5.073 5.051 5.061 0.23%（四）将直流电源输出调至 16V 恒流 3A，改变 R，测试数据如下 4.4 表。表 4.4 负载识别功能的测量参数() () ()1k 16.00 1.0095.1k 16.00 5.00510k 16.00 9.992表 4.4 动作电流及电源质量的参数 () 3.22 3.21 3.22m() 178 178 1784.3 测试结果分析（1）额定输入电压下输出最大电压偏差为 0.06V，最大输出电流为 3.03A，符
18、合题目要求。（2）额定输入电压下，最大输出噪声纹波电压峰峰值为 42 ，符合题目要求。 （3） 从满载 变到轻载 时，负载调整率为 1.41%，符合题目要求。 0.2（4） 变化到 17.6V 和 13.6V，电压调整率为 0.23%，符合题目要求。（5）效率 ，符合题目要求。88%（6）具有过流保护功能，动作电流 ，符合题目要求。=3.2（7）电源具有负载识别功能。电源根据通过测量端口识别电阻 R 的阻值，确定输出电压，符合题目要求。10（8）整个系统的重量为 178g，符合题目要求。附录 1：程序流程图是否否是否是附图 1.1 主程序流程图开始初始化检测 UCM 大小向 UVLO 输出低电
19、平计算出 R 值和需要输出的 VOUT调节 PWM 占空比是否达到过流门限值值？ 结束是否加入端口检测电阻 R检测 VOUT 是否达到预定电压R11附图 1.2 电流采样电路12附录 2：部分源代码#include unsigned int a9,P10,P11,P12;void main()WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;P1DIR|=BIT7 ;P1OUT=BIT7;P1SEL|=BIT1+BIT2+BIT0;/P1.1 和 P1.2 设置为 ADC 功能 A1 和 A2ADC10CTL1|=CONSEQ_3+INCH_2;/序列通道多次转换+最大通道为 A2ADC10C
20、TL0|=ADC10SHT_2+MSC+ADC10ON+ADC10IE;ADC10DTC1|=0x09;/一共采样 8 次ADC10AE0|=BIT0+BIT1+BIT2;/打开 A0 和 A1 的模拟输入通道while(1)ADC10CTL0/关闭采样使能while(ADC10CTL1/检测 AD 是否繁忙ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;/启动 ADCADC10SA=(unsigned int)a;/获取 a的首地址。首先对 A1、A0 采样，放入 a0和 a1中。再对 A1、A0 采样，放入 a2和 a3中，如此循环下去。_BIS_SR(LPM0_bits+GIE);/低功耗模式 0，开中断P10=a0 + a3 + a6;P11=a1 + a4 + a7;P11=a2 + a5 + a8;P10=P10/3;P11=P11/3;P12=P12/3;/if (P10 0x166) P1OUT|=BIT7;/P1.2/else P1OUT/if (P11 0x166) P1OUT|=BIT7;/P1.0/else P1OUTif (P12 0x166) P1OUT|=BIT7;else P1OUT#pragma vector=ADC10_VECTOR13_interrupt void ADC(void)LPM0_EXIT;/退出低功耗模式
