高效直流稳定电源new2

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。关键词：稳压电 稳流 TPS5430 数字电位器Abstract： the sytem 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 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 and 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11.3提高效率的方法及实现方案1.2系统总体方案框图设计 23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23.1.2控制电路设计与参数计算 33.1.3效率的分析与计算 .4.3.1.4保护电路设计与参数计算 43.1.5数字设定及显示电路的设计 43.2软件设计4.4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54.3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.II1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 5V10V，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TPS5430DD芯片，TSP5430是一种DCD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。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。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 5V10V，设计为范围5V11V。芯片要求VSNS脚所接电压为1.22V。根据公式R2/R1+W1+R2=1.22/11W+R2/R1+W1+R2=1.22/5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。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150mA1500mA。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 150mA1500mA。电阻两端只能测量电 压，利用欧姆定律匸U/R(3)计算出电流的大小。3.1.3效率的分析与计算n二(Uo*Io)/( Uin*I in)(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010k时，稳压的输出范围为5.00V10.00V,稳流的输 出范围为 150mA1500mA。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。开始初始化采样A/D数字显示结束图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a、输出电压范围Ui (v)13.00514.00614.99916.005Uo(V)范围5.232-10.1195.334-10.0435.156-10.1605.213-10.044测量范围为5.156V-10.160Vb、最大输出电流Io次数1234lo(mA)1491148414731503最大输出电流为1503mAC、电压调整率输出空载时Io=1AUi( v)13.00314.00615.01215.999Uo(V)7.9818.0128.0467.990电压调整率0.5%d、负载调整率Ui=15V已调输出空载Io=1A负载（欧）100200300400Uo（V）负载调整率1%8.0217.9908.0017.964e、输出噪声纹波Ui=15V Uo=5VIo=1.5A次数1234Um(70305060输出噪声纹波小于 100mV1f、整机效率Ui=15V Uo=5VIo=1.5A次数1234效率80%87%79%84%整机效率大于70%稳流电源测试结果如表（2）所示表（2）:稳流电源测试结果a、输出电流范围Ui （v）13.00014.00315.00016.005Io范围（mA）156-1488149-1398167-1476163-1498输出电流范围为149mA-1498mAb、最大输出电压次数1234Uo（ V）10.1608.9249.3449.625最大输出电压为10.160VC、电流调整率负载5欧 Io=1AUi（v）13.00814.00914.99816.002Io（A）0.9981.0041.0011.003电流调整率为0.59%d、负载调整率Ui=15VIo=1A负载（欧）1234Io（A）0.9901.0080.9991.002负载调整率为1.8%e、输出噪声纹波 Ui=15VUo=5V Io=1.5A次数1234Im（ mA）20mA10mA15mA10mA输出噪声纹波小于70%f、整机效率Ui=15V Uo=10V Io=1.5A次数1234效率78%83%81%79%整机效率大于70%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=1316V波动下，输出电压 Uo的可调范围为5.15610.160V。最大输出电流lo=1.5O3A。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=1316V波动下，输出电流的可调范围为 149mA1498mA 最大输出电压U=10.160V。电流调整率1%负载调整率%输出噪声纹波电流 30rA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 201212二亘附录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 1MHZDCOCTL =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_in terrupt void adc_isr(void)厂_ad_value=ADC10MEM; /将 AD 采样值存入 ad_value _BIC_SR_IRQ(CPUOFF); /退出低功耗 0 r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 TARCCR0=512; 设定 PWM 周期CCTL1 |=0UTM0D_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 1MHZDCOCTL =CALBC1_1MHZ;P1DIR |=BIT0; /LED 使能TACTL=TASSEL1+TACLR; / 定时器 A 时钟源为 SMCLK,并清 TARCCTL0 |=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_in terrupt void ta0_isr(void)厂_P1OUT A=BIT0; /LED 翻转CCR0 +=50000; 定时补偿12