高效率数控电源设计报告

高效数控恒流电源摘要随着低碳经济时代的到来，提高能源利用率对工业和社会发展起着重要的作用。基于此本文描述了高效率数控恒流电源的设计原理和实现方法，本系统采用DC/DC变换器芯片TPS5430，它是一款高效的电源开关控制芯片，输入电压范围宽，输出电流高达3Ａ。以MSP430F247单片机为主控制器，通过键盘来设置电源的输出电流，设置步进等级为1mA，并可由液晶显示器显示实际输出电流值和负载功率。本系统还具有开路检测和过压保护功能，可广泛应用于需要高效恒流源的领域。关键词：MSP430F247单片机DC/DC变换器高效恒流源AbstractThispaperdescribesthedesignofhigh-powerLEDpowersupplyprincipleandmethodtoMSP430F247microcontroller-basedcontroller,DCpowerthroughthekeyboardtosettheoutputcurrent,setthesteplevelas1mA,andtheactualoutputcurrentvalueandloadpowercanbedisplayedbytheLCD.ThissystemusesDC/DCconverterchipTPS5430,theoutputpowerMOStubecanexpansionthecurrent.SingleChipProgrammableoutputdigitalsignal,throughD/Aconverter(TLV5618)outputanalog,throughtheoperationalamplifierisolationamplifier,andprecisionvoltagesamplingresistorcollectionenlargedcomparedtocontrolDC/DCconverter'sfeedbackside,toachievetheoutputcurrentcontrol.Outputcurrentthroughthecurrent/voltagechanges,theadoptionofA/Dconverterchip,real-timeintotheanalogdata,andthenanalyzedbymicrocomputerprocessing,thefeedbackthroughtheformofdatalinks,sothatcurrentismorestable,itconstitutesastablevoltage-controlledcurrentsource.Actualtestresultsshowthatthesystemoutputcurrentstability,withtheloadandambienttemperaturechangesandhighJingDu,outputcurrenterrorof±5mA,outputcurrentat20mA~2000mAFanWeicanbearbitrarilysetwithin,outputefficiencyupto90%,andthustheactualapplicationsrequiringhighstabilityandhighefficiencyconstantcurrentfield.Keywords:MSP430F247MCUDC/DCconverterefficiencyconstantcurrentsource目录一：方案设计与论证1.1总体设计方案与比较：方案一：采用以89C51为核心的单片机系统来控制12位AD7521的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电流送数码管显示，再根据输出的电压量来控制电流的变化，此方案的优点是输入的预值电流信号稳定且避免了大量的数据存储，缺点是电路效率低。其电路方框图如图1.2所示：图1.2方案二方框图方案二：采用开关电源控制芯片TPS5430，该芯片其内部集成110毫欧的MOS开关管，效率高达95%，输出电流最高3A,能够满足题目的要求。该芯片固定为500KHZ开关频率，可采用较小的滤波电感，电容消除纹波。用单片机输出数字量经过D/A变换和采样比较可以对输出电流程控。此方法优点是可以对输出电流预置和显示，而且效率高，所以电路和设计采用方案二，其电路方框图如图1..2所示：输入UiDC/DC变换器预置和输出显示负载MSPF430F247单片机图1.2方案二方框图二模块电路设计及比较本系统以MSP430F247单片机为核心，外围包括DC/DC变换器模块，数模和模数转换模块，液晶显示模块，电流采集模块。2.1DC/DC变换器模块TPS5430是一款输入电压范围宽，工作频率高，转换效率高的直流变换器件，可做升压和降压之用，本系统用做降压输出，输出经电感电容滤波，可得到稳定的电压，引入电流反馈可得稳定电流。电路原理图如下图2.1所示图2.1DC/DC变换器模块键盘12J10CON2J90.05C231043261874U3OP07+5-5R120k+5C150.1uFC330.1uFC362KC172KC162KC321K+5-5R22.7kC210.1uFC430.1uFBOOT1PH8VSENSE4POWERPAD9GND6NC3NC2ENA5VIN7U1TPS5430C3103D11N5819L115uh+15C5220uC610kC72kC182k1J4CON11J2CON132618745C20AD620+C4447u+C2247u+C1447u+C3547u12J1C13300uC2104C623300u1J17CON1D/A输入图2.1TPS5430原理图2.2数模转换模块TLV5618是TI公司生产的12位数模转换芯片，它采用串行输入数据，转化后的模拟电压可通过2个通道输出，采用此芯片可以简化硬件电路设计，而且其转换精度高。其管脚如图2.2所示BIT1—BIT12为数字量输入，Rfe为模拟量输出，Vref为参考电压Vdd为+5V电源。数模转换公式：)2222(2)(2001110101111121212ddddVrefDVrefVo（2-1）例如:BIT1—BIT12为（111111111111）且Vref为-5V，则：VVo5)2222(2501101112（2-2）当BIT1—BIT12为（100000000000）且Vref为-5V,则：VVo5.2)22222(2500001112（2-3）由于该设计要求输出电流步进10毫安，基与此，本设计将采TLV561812位数模转换器。图2.2TLV5618芯片管脚图2.3电压采集与放大模块考虑温度和其它因素变化对电阻阻值的影响，系统采用精密康铜丝为采样电阻，考虑系统效率因此选择阻值为0.1欧姆。采样电压放大10倍和单片机给定的电压通过加法器相加后送给TPS5430的第4脚，整个系统构成一个负反馈，能够保证输出电流恒定。电路参数计算如下：2.3模数转换模块采用TLC2543模数转换芯片，该芯片具有11个模拟通道输入端，转换结果有8位，12位，16位并可编程配置，其转换速率快，线性误差小。本系统采用其模拟通道0采集输出电流，模拟通道1采集输出电压。并分别用跟随器可保证采集的数据稳定。将转换后的数据送给单片机实现电流和输出功率的显示。转换结果为12位，满足系统精度要求，原理图如图2.3IN01IN12IN23IN34IN45IN56IN67IN78IN89GND10IN911IN1012REF-13REF+14CS15Dataoutput16Datainput17CLK18EOC19VCC20J14TLC2543V_IN1V_IN2V_IN3V_IN4V_IN5V_IN6V_IN7V_IN8V_IN9V_IN10V_IN11SCLKDATA_INDATA_OUTCS+5C50104C51103E1100uE2100uC611033261874C47OP07R1220k+5-5+5C59104C45104+C4647u+C6047u3261874C28OP07-5+5C25104C24104+C2747u+C2647uU7TL431R830012345J15CON5+C4910u+C4810u电流采集电压采集图2.3模数转换模块2.4单片机最小系统与液晶显示和键盘连接模块本系统用MSP430F247为主控制器，该单片机静态工作电流小，功耗低，满足该系统高效的要求。其P3口作为液晶的数据端口，P2口为控制口，P1口高4位为键盘接口，原理图如下图2.412345678910111213141516JA1HEADER8X212345678910111213141516JA3HEADER8X212345678910111213141516JA2HEADER8X212345678910111213141516JA4HEADER8X2DV3.3VVref+Veref+P63P64P65P66P67P10P11P12P13P14P15Vref-P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P40P41P42P43P44P45P46P47P50P51P52P53P54P55P56P57RSTTCKTDITDOTMSP60P61P62AVSSDVSSAV3.3VXOUT1234567891011121314JTAG1HEADER7X2XOUTTDOTDITMSTCKRSTR3100kC13104DV3.3VDV3.3VK1R22K3.3VC610uC8104C510uC7104F10R10DV3.3VAV3.3V12345678J9CON812345678J3CON812345678J2CON812345678J4CON812345678J10CON812345678J11CON8P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P40P41P42P43P44P45P46P47P50P51P52P53P54P55P56P57P60P61P62P63P64P65P66P67D1DIODEVSS1VDD2NC3RS4WR5CS6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714RD15NC16RST17NC18NC19NC20J5LCDGND1EN21IN32IN42OUT51OUT6SENSE7RESET8J1TPS7333C2104+C1220u+5+C3220uC4CAP3.3VK2K3K4K5C122KC112KC101KC91KP14P15P16P17LS1SPEAKERQ2NPNQ11K1k3.3VDV3.3VP60SSS1P30P31P32P33P34P35P36P37P24P25P26P27DV3.3V2.5集成运放和单片机供电模块2.5.1采用TPS5430,通过调节反馈电压，可得到5V的稳定电压，原理图如图2.5.1图2.5.15V电源模块2.5.2-5V电源模块，系统采用MC34063电源芯片，得到-5V电压，原理图如下图5.2.2图2.5.2—5V电源2.5．3单片机用3.3V供电，系统用TPS733芯片得到3.3V电压，原理图如下图2.5..3BOOT1PH8VSENSE4POWERPAD9GND6NC3NC2ENA5VIN7U2TPS5430C10103D21N5819L215uh+15C11220uC1210k1J6CON112J5CON2+5C83300uC910412J7CON2c135kSE2DRI8TC3IPK7GND4VCC6FB5SC1J12MC3406312J11CON2C293300uFR50.25R71KR63KC306