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““““TITITITI””””杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品杯四川省电子设计竞赛一等奖作品题目：直流电源的均流指导教师：钟洪声杨忠孝、崔红玲队员及年级：郭继舜、姜振宇、王尚2006级学校及院系：电子科技大学电子工程学院摘要本文介绍了直流稳压电源的原理和设计：市电经功率变换后，分成既可相互独立又可并联组合的两路直流稳压电源。该系统具有电路简洁，输出电压可调，负载效应很小，电源效率高，稳定可靠的特点；当两路并联使用时能过自动均衡电流，并具有由MPS4301611单片机实现的过流保护及自动恢复功能。在芯片选择上，我们选用了开关电源芯片TPS5430和loadsharing芯片UCC29002。利用TPS5430的4脚VSENSE对地电压值能够稳定在1.221V的特性，将4脚作为电压参考点，通过与串联电阻分压网络相连接，实现5V稳压输出。使用5毫欧采样电阻对两路并联电路进行电流采样，并选用两片loadsharing芯片UCC29002的配合使用，通过调节上路电路中连接在UCC29002的1脚与8脚之间的电位器，使上下两路对称，实现自动均流。AbstractInthispaper,theprincipleofdirectcurrentvoltage-stablepowersupplyisintroduced，alongwiththedesignofit:afterthepowerconversion,commercialpowerwillbedividedintotwoDCpowersupplies,whichcanbeusednotonlyinanindependentway,butalsoparallelandcombined.Thesystemhasasimplecircuit,anadjustableoutputvoltageandtheloadeffectisverysmall,thepowerefficiencyisparticularlyhigh,stableandreliable;WhenoneDCpowersupplyparallelstheother,thesystemiscapableofachievingcurrent-sharefunction,withsinglechipMPS430F1611toachievetheover-currentprotection,aswellasautomaticrestorationoffunction.Asforthechipstochoose,weselecttheswitchingpowersupplychipsTPS5430andloadsharingchipsUCC29002.WemakeuseofthefeaturesofTPS5430thattheVSENSEpinisabletobeadjustabledowntothevalueofthevoltageof1.221V,andchoosetheVSENSEpinasareferencepoint,withtheseriesresistancedividernetworkconnectedtothechip,toachieve5Voutputregulator.Withtheuseof5milliohmsamplingresistancetothetwoparallelcircuitsforcurrentsampling,coupledwiththechoiceoftwoloadsharingchipsUCC29002,weachievethetwo-waysymmetryandautomaticcurrentsharingbyregulatingthepotentiometerconnectedtotheCS-pinandtheCSOpin.一、作品简介1、设计目标设计并制作直流稳压电源，两路，并联输出，自动实现输出电路均衡。2、详细指标要求(1)输出特性要求单路输出电压Vo:+5V;输出电压范围:±10%；负载效应：±0.5%Vo（10%~100%满负载，典型输入电压）；输出纹波：基本部分要求不大于250mV,发挥部分要求不大于100ｍV;单路输出功率：5W;(2)保护功能要求单路输出过流保护点:1.2~1.3A，故障解除后能够自动恢复。(3)均流特性要求两路并联使用时，能够实现自动均恒电流。发挥部分对均流控制的要分电流相差±15%与±5%两个级别。（4）发挥部分对电源总效率（满载时）的要求分为大于70%和大于80%；两个级别。二、作品实现1、设计方案论证本系统的核心是能够实现自动均衡电流的两路并联输出的直流稳压部分，并要求实现过流保护功能，有如下方案：方案一方案一方案一方案一：：：：采用线性稳压电源。经过220V交流整流稳压滤波后，进入线性稳压电路。该电源的特点是输出电压稳定性较好，负载调整率高，可使纹波电压大大减小，不过效率难以保证。由单片机通过软件实现过流保护以及故障解除后自动恢复的功能。实现过流保护的原理是A/D采样回来，与预设过流保护参考相电位比较，然后断开D/A等。方案二：采用开关稳压电源。使用开关稳压器后，输出电压和输出电流范围能大大提高，而且此种电源效率较高。但一般也同时具有纹波电压较大的弱点。由硬件电路实现过流保护以及故障解除后自动恢复的功能。其保护的原理大都是在控制回路中串入取样电阻，以该取样电阻上的压降而反映出该回路电流的大小，一旦电流大于额定值时，就会使相应的“电子开关”电路动作，对电流过大的电路进行分流或是切断该回路中的电流，以达到保护的目的。此方案响应时间、有效保护、自动纠错都较理想。通过继电器或MOSFET管的开关性能和多级比较器实现故障解除后的自动恢复功能。方案三：综合以上两种设计方案，采用开关稳压电源保证系统有较高的总效率，采用单片机来完成题目要求的保护功能，使保护功能能够做到精准稳定。比较以上三种电路方案：方案一采用线性电源，效率不高，难以达到达到本系统要求的技术指标。方案二，由硬件电路实现过流保护及故障解除后自动恢复的保护功能，可靠性不高，稳定性不好。方案三综合了二者的合理选择，采用开关稳压电源，保证整个系统有较高的总效率。采用单片机，通过软件实现题目要求的保护功能。2、理论分析（1）供电系统：市电经过变压器分成两路12V的直流，其中一路经过整流滤波后达到18V左右，为开关电源模块供电；另一路经过整流滤波稳压，最后通过1117芯片来实现输出3.4V，为单片机供电。Fig.1为AC/DC转换网络示意图。Fig.1Fig.1Fig.1Fig.1(2）单片机系统：本系统采用TI公司的高速单片机MSP4301611作为主控制器。该单片机具有功耗超低、处理能力强大、片内外设丰富、系统工作稳定、开发环境便捷等显著优势。活动模式时电流280μA,待机模式时电流为1.1μA，关机模式（RAM保持）时电流仅为0.1μA。MPS4301611具有12位A/D带采样保持，足以满足功能实现要求。(3）开关电源模块：开关电源芯片TPS5430要求的输入电压范围很大，为5.5V-36V。并且能够在-40摄氏度-125摄氏度温度范围内正常工作。芯片的4脚VSENSE的电压值（相对于六脚GND而言）能够稳定在1.221V,因而可以为整个系统提供精确的电压参考信号。假定要求输入电压的范围为10.8V-19.8V,输出电压为5V，输入电压纹波为300mV，输出电压纹波为30mV,最大输出电流为3A，芯片工作频率为500kHz。我们计算设计的电路的某些参数如下。输入电压纹波近似为为ΔVIN=)(25.0)()(ESRIfCIMAXMAXOUTSWBULKMAXOUT×+××输出电感的最小值为fIKVVVVLSWOUTINDMAXINOUTMAXINMAXOUTMIN×××−×=)()()()(RMS电感电流满足)8.0)(()()(12122)()(×××−××+=fLVVVVIISWOUTMAXINOUTMAXINOUTMAXOUTRASL电感峰值电流fLVVVVIISWOUTMAXINOUTMAXINOUTMAXOUTPKL×××−×+=)()()()(6.1)(综合考虑，选用电感的取值范围为10微亨-100微亨，我们在电路中选用了100微亨的带磁屏蔽的电感。系统的输出电压由由R1和R2组成的电压分配器决定。由4叫对地电压值为1.221V，有221.1221.112−×=VOUTRR我们将R1选为10k欧，则R2应为3.24k欧。Fig.2为使用开关电源芯片TPS5430实现5V稳压输出的电路示意图Fig.2Fig.2Fig.2Fig.2(4)均流模块：Loadsharing芯片UCC19002的精度很高，满载时均流误差小于1%，通过单线loadshare总线，采用8脚MSOP封装尽可能地减小占用空间。芯片采用高增益、高精度的放大器电流检测低值电阻两端的电压。芯片电流读出放大器超低的输入补偿电压使得对通过低值电阻的电流信息的检测更加适宜。为防止错误的输出调整信号，在误差放大器的反向输入端加一个比同向输入端高25mV的固定偏置，当连输入端输入相等时不会做出调整。当芯片不能正常工作时调整放大器的同向输入端将被下拉到地（相当于误差放大器输出为零），防止该单元被错误调整，此外，误差放大器的两个输入端还可作为使能。鉴于篇幅限制，参数计算部分从略。3、系统框图和软件流程（1）系统框图5V5V开关电源UCC29002UCC29002AC/DC转换TPS5430TPS5430市电MPS4301611实现均流(2)软件流程图4、选用TI器件的依据，选型理由尽管开关电源的纹波较高，我们通过在DC/DC转换电路的输入输出端口附近增加较大的滤波电容，并使电路布局更加合理、紧凑，缩短板上反馈线的长度来尽可能地减小纹波。综合题目要求考虑，我们选择了方案三，选用了TI公司的开关电源芯片TPS5430。为了进一步地提高电源的总效率，我们选用了TI公司的功耗低、速度快的MSP430单片机来实现过流保护及故障解除后自动恢复的功能。为了实现两路自动均衡电流，选用TI公司的loadsharing芯片UCC29002。三、所使用TI模拟器件简介1、硬件设计注意事项及小窍门(1)硬件的选择:等待6秒钟后，赋予5430高电平，使之输出电压赋予5430低电平，使5430不输出电压YN平均值参考电压?设定负载电流为1.2A时29002CSO脚的电压为参考电开始对2900CSO脚进行实时采样三次取平均值首先我们将将市电整流稳压滤波后输出两路，分别为主电路和单片机供电，其中主电路的要求是5.5V到36V比较宽，而单片机需要3.4V，由芯片1117实现。我们采用TI公司的TPS5430开关电源来实现输入一较大范围，4脚VSENSE能够在1.5%的精度范围内稳定在1.221V的功能，随后通过一升压电路将其抬到5V稳压输出，在反馈线上串联一4K7的滑动变器可使输出电压调节范围为+10%。我们采用TI公司的LoadsharingUCC29002来实现均流的功能，通过5毫欧的采样电阻将电压采样输入29002的差分放大器中，调节一２Ｋ的电位器来实现起两路并联使用时的均流功能。为了实现过流保护的功能，我们采用TI公司的MSP430F1611单片机（功耗也很小），当电路输出的电流达到1.2A的时候，切断电路，故障解除后，能够自动恢复。（2）此题目要求输出纹波能达到100ｍｖ以下（但29002输出的纹波比较大），为此我们采取了一些措施。例如反馈线尽量短，减少交叉，多采用跳线，布局紧凑，输入输出都有很好的滤波电路。实践证明，这些措施对减少纹波起到了很好的效果。（3）由于本题中负载要求比较高，所以对于60欧的反馈电阻一定要越接近输出越好。四、MSP430使用在本比赛作品中，我们使用MSP430实现了过流保护的功能，并且通过算法的改善实现了两路分别设定掉电保护值的功能。由于对作品整体的工作效率有较高