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高效数控恒流电源
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摘要
随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化的方向发展。电流源可以看作输出电压随着负载而变化，保证负载中的电流恒定不变。本设计根据题目要求，采用以TI低功耗单片机MSP430F247为核心控制电路，开关电源控制芯片TPS5430作DC-DC变换电路。该电路系统具有效率高、输出稳定、电流步进小、输出电流纹波小等特点，具有输入过压、输入欠压和输出过压保护功能，在故障排除后并能自动恢复。本设计采用彩色液晶显示、红外遥控，控制方便且具有环境温度检测和显示时间等功能。 关键词：
MSP430F247 TPS5430 高效率 彩色液晶 红外 时钟 温度检测
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目录
1. 前言........................................................................................................... 错误!未定义书签。 2. 总体方案设计 ........................................................................................... 错误!未定义书签。
1.1系统框图 ............................................................................................. 错误!未定义书签。 2.1方案论证与比较 ................................................................................. 错误!未定义书签。
2.1.1 主控电路CPU选择 ............................................................. 错误!未定义书签。 2.1.2 恒流源的设计 ....................................................................... 错误!未定义书签。 2.1.3 输出过压保护控制 ................................................................. 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。
3. 单元模块设计及理论分析 ....................................................................... 错误!未定义书签。
3.1 DC-DC控制电路 ............................................................................... 错误!未定义书签。
........................................................................................................... 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。 3.2 AD和DA电路 .................................................................................. 错误!未定义书签。
........................................................................................................... 错误!未定义书签。 3.2.2 DA输出电路 ........................................................................... 错误!未定义书签。 3.3 保护模块 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 .................................................................................................................. 错误!未定义书签。 .................................................................................................................. 错误!未定义书签。 3.4控制电路供电系统。 ......................................................................... 错误!未定义书签。 3.4.1 CLM7660正负电压转换。 ............................................................ 错误!未定义书签。 3.5人机互换显示控制 ............................................................................. 错误!未定义书签。 3.6 其它 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.提高效率(加入功耗计算各模块，各芯片器件功耗) ................................. 错误!未定义书签。 5.程序设计........................................................................................................ 错误!未定义书签。 6.系统测试........................................................................................................ 错误!未定义书签。
6.1测试方案 ............................................................................................. 错误!未定义书签。 6.2测试环境和仪器 ................................................................................. 错误!未定义书签。 6.3测试数据 ............................................................................................. 错误!未定义书签。 7．总结............................................................................................................. 错误!未定义书签。 9．参考文献 ..................................................................................................... 错误!未定义书签。
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1. 前言
现今社会，电源设备智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，电源设备的性能备受人们的关注，尤其是效率和稳定性。基于此．对更高性能的数控恒流源的开发和应用势在必行，本设计旨在设计一款具有高效率、高稳定度的数控开关恒流源。输出电流可在200mA~2000mA范围内任意设置，最小步进可达1mA，输出相对误差小于0.5%。
2. 总体方案设计
1.1系统框图
2.1方案论证与比较
2.1.1 主控电路CPU选择
方案一：采用传统的STC89C51单片机，价格便宜，使用简单，但是运行速度低，功能单一，RAM、ROM空间小。
方案二：采用升级版51单片机STC12C5A60S2，其相对于一般51单片机拥更高的速度，指令代码完全兼容。但其定时器、外部中断分别只有两个，不能满足本设计要求。
方案三：选用TI公司的超低功耗16位单片机MSP430F247，其具有强大的运算能力。可采用1.8-3.6v低电压供电，另外，采用矢量中断，支持多个中断源，可任意嵌套。芯片内部资源丰富。
结合本设计高效率、高速度和多控制接口的需求，采用方案三。 2.1.2 恒流源的设计
方案一：采用NE555产生固定频率的三角波。恒流源输出电流反馈和电压
基准源经误差放大器进行误差放大。放大的信号再与三角波比较产生占空比可调的方波。驱动MOSFET。形成闭环控制从而达到恒流输出的目的。
方案二：采用PWM控制芯片UC3843作DC-DC变换，引入电流反馈，达到恒流输出。UC3843具有低启动电流，关断延迟时间短等优点。但其需外加MOSFET管，若应用N沟道管，当负载和输出电流较大时，源极电压被抬高，则管子无法完全饱和，使电路性能变差。
方案三： 采用开关电源控制芯片TPS5430，输出端引入电流反馈达到恒流输出。输出电流可达到3A，符合题目要求。且输入电压范围为5.5-36v。内集成低阻抗N沟道MOSFET.开关频率达到500KHZ，工作效率高达95%。 综上所述，我们选用了方案三。
2.1.3 输出过压保护控制
方案一：通过软件实现，电路输出端并上两个大的电阻分压，所得的电压经主控板AD采集，可实时监测输出的电压值，这样在一定程度上减轻了硬件的负担。但是由于输出电压有一定的纹波，造成AD采集不精确，以致控制保护不理
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想。而且软件控制速度比硬件慢。
方案二：通过一般比较器进行控制。比较器正向端接基准电压，输出电压经大电阻分压接入比较器负向端。电压过大时，比较器输出低电平控制三极管导通取得继电器切换，负载回路断路达到保护目的。
方案三：将方案二的比较器换成迟滞比较器。由于电压输出会有一定的波动，在临界过压时，使用普通比较器会找出继电器不断切换。而迟滞比较器上门限和下门限比较大，可以避免方案二的不良结果。
选择方案三。
为了满足发挥部分整机效率达到80%以上的要求。应该慎重考虑控制电路供电系统的效率。
方案一：采用线性电源三端稳压芯片供电。线性电源输出电压纹波小，稳定性好，但是效率只有30%-40%，不能满足设计。
方案二： 选用开关电源降压芯片。这类芯片效率可以达到80%以上，但输出电压的纹波较大。
上述两个方案各有优缺点，但考虑到效率是我们设计的一个重点。选用高效率的DC-DC芯片更能满足这一要求。所以采用方式二。
方案一：输入采用独立键盘，显示输出采用数码管。控制简单，能满足系统功能要求。但数码管显示效果较差，功耗较大。
方案二：输入采用独立键盘，显示采用Mzt24-01彩色液晶。MzT24-01 是一块高画质的 TFT 真彩LCD模块，驱动较为方便、易于扩展等良好性能。MT24-01 内置专用驱动和控制 IC（SPFD5408），并且驱动 IC 自己集成显示缓存，无需外部显示缓存。 显示效果极佳。在功耗方面也满足设计要求。 综上所述：我们选择方案二。
3. 单元模块设计及理论分析
3.1 DC-DC控制电路
TPS5430是TI公司的一款降压开关控制芯片，具有5.5-36V的宽电压输入范围。最大输出电流高达3A,，工作效率可达95%。其内部集成的MOSFET拥有较低内阻110m?,芯片具有1.221V的基准电压，场效应管的工作频率为500KHZ。电源从芯片第7脚输入，芯片第5脚为使能端，该脚电压只有在0.5-7V或悬空时才能正常工作，低于0.5V芯片将停止工作，因此可利用此管脚做电源的输入过压和欠压保护。芯片的1和8脚之间接一只0.01uF的电容作场管驱动，4脚为反馈端，6脚为接地端，9脚可接地对芯片进行散热。
该电路引入电流反馈起到稳定输出电流的作用，电路中采用0.05?的康铜丝对输出电流采样，应用TI公司的INA143高速精密差动放大器对采样信号进行放大，再用INA2237运放作加法器把反馈信号和DA输出信号相加，通过控制DA输出即可控制PWM波的占空比，进一步控制电流输出。 (1).输出最小电感值计算： 经过计算得出
LMIN?15uH,此处我们选用电感值为22uH，可通过10A大电流
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