1、TI杯省级电子设计竞赛题TI杯大学生电子设计竞赛A题：降压型直流开关稳压电源【本科组】7月27日星期三摘要随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高规定。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在诸多方面逐渐取代了效率低、又笨又重线性电源。本系统是以TI公司降压控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件设计而成一种降压型直流开关稳压电源。该系统能实现16V到5V直流电压转换，输出电流范畴是0，且电源有辨认负载功能。本系统具备调节速度快，精度高，电压调节率低，负载
2、调节率低，效率高，体积小，重量轻，输出纹波小等长处。核心词：LM5117；CSD18532KCS；稳压电源；负载辨认。一、方案论证本系统重要由DC-DC变换电路模块、控制模块、过电流保护模块、负载辨认模块构成，下面分别论证这几种模块选取。1.1电源变换电路方案论证通过度析题目任务与规定，将输入16V直流电转换为稳定5V直流电源，即实现直流-直流电压变换。方案一：间接直流变流电路：直流通过逆变电路之后成为交流再经变压器后整流滤波得到所规定直流电源。该方案可以实现输入与输出隔离，合用于输入电压与输出电压之比远不大于或不不大于1 状况，但由于采用多次变换，电路中损耗大，效率低，并且构造较为复杂。方案
3、二：直接直流变流电路，Buck变换器：也称降压式变换器。电路图如图1-1所示。开关通断受外部PWM信号控制，输出电压与输入电压关系为E,通过变化占空比可以相应实现输出电压变化，该电路采用直接直流变流方式实现降压，电路构造较为简朴，损耗较小，效率较高。综合比较，咱们选取方案二。1.2稳压控制办法方案选取方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关导通与截止。依照A/D后反馈电压程控变化占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案重要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，实现起来比较复杂。方案二：采
4、用品有模仿电流监视器宽输入范畴同步降压控制器LM5117，合用于高电压或各种输入电源降压型稳压器应用。其控制办法基于采用仿真电流斜坡电流模式控制。电流模式控制具备固有输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿功能。使用仿真控制斜坡可减少脉宽调制电路对噪声敏感度，有助于实现高输入电压应用所必须极小占空比可靠控制。工作频率为50 kHz 至 750 kHz，5.5V 至 65V 宽工作电压范畴，LM5117 独特模仿遥测功能可提供平均输出电流信息。其她功能还涉及热关断、频率同步、断续 (hiccup) 模式电流限制和可调输入欠压锁定。鉴于芯片优秀功能以及上面分析以及题目规定，咱们选取方案二。1.3
5、过电流保护模块根据系统题目规定，设定系统动作电流，当系统输出值不不大于该值时，可以关断电路。方案一：限流法：使得输出电流无法高于动作电流；方案二：关断法：当电流高于设定动作电压时，关断电路。这里方案二更符合题目，可以当过流时把电路关死，因此咱们选取方案二作为咱们过电流保护。1.4负载辨认模块方案一：采用稳压芯片和定值电阻获取恒流源，以获取辨认电压输出至运算放大器闭环放大系统，输出至FB端口。方案二：采用LM324反相放大器，将输出电压至运算放大器，接入不同电阻，通过运算放大器运算，使输出0.8V至FB。电路较简朴，但是存在供电问题，但运用辅助电源模块可以轻松解决。因而咱们选取方案二作为咱们负载
6、辨认。 二、理论分析与计算2.1减少纹波办法纹波定义是指在直流电压或电流中，叠加在直流稳定中交流分量。本电路中输出电容器可以平滑电感纹波电流引起输出电压纹波，对于这个设计实例， 选取了一种最大 ESR 为 20 m 470 F 电解电容作为主输出电容。具备最大ESR输出纹波电压基本元件 近似值为本系统中过输出电容器平滑电感纹波引起输出电压纹波。并加入两个22uf陶瓷电容并联，进一步减少输出电压纹波和尖峰。在最后输出加入了LC滤波电路，大大减少了稳压电源纹波。本电路中输入电容 CIN 在开关频率下，使用质量好输入电容来限制 VIN 引脚纹波电压。应依照 RMS 电流额定值和 最小纹波电压选取输入
7、电容。所需纹波电流额定值适当 近似值是 IRMS IOUT/2。在这个例子中，使用了 7 个 3.3 F 陶瓷电容器。使用陶瓷电容器，输入纹波电压将为三角波。输入纹波电压可近似表达为：减少纹波办法尚有：开关电源滤波电容优选X7R或X5R电容与钽电解组合。做好PCB设计。储能电感在工作频率下Q值越大越好，诸多人只注意到电感量，其实Q值影响要大得多，电感量只要满足规定容许在很大范畴内波动。2.2 DC-DC变换办法 采用同步降压斩波变换办法，详细实现电路见附录图1开关场效应管选取：选取导通电阻小CSD18532KCS MOS场效应管，这款 VGS 栅源电压 20 V 60V，3.3m导通内阻 功率
8、MOSFET 被设计成在功率转换应用中最大限度地减少测得功率损耗，完全满足电路规定。肖特基二极管选取：选取4819型肖特基二极管，其导通压降小，通过1A电流时，仅为 V并且恢复时间短。2.3稳压控制办法LM5117采用对输出电流取样后，反馈到芯片FB端，与基准电压进行比较放大后控制PWM占空比从而进行稳压控制。若从输出端取样信号经片内比较放大后对PWM控制是相称慢(注意片内运放输出端到FB引脚所谓频率补偿元件)，而经 Rs电流取样内环反馈速度不久，这某些电路是对PWM每个周期中电流进行比较。因而输入电压Vin突然变化时，电流反馈 内环在一种PWM周期后就会动作而变化PWM占空比，而外环速度慢，
9、要通过几十个甚至几百个PWM周期才会使输出(电压或电流)稳定。但内环速度虽然快，却不能使输出(电压或电流)稳定在一种最后误差很小数值。因而选取使用Rs取样反馈进行稳压控制。2.4系统电路各参数设计在该电路中咱们依照输入16V输出5V，3A状况下进行参数计算，电路图见附录一方面选定 230 kHz 作为小尺寸和高效率之间合理折中方案。用如下公式可以计算出 230 kHz 开关频率下 值： 因此 选定了 22.1 k 原则值。最大电感纹波电流出当前最大输入电压时。普通状况下， 20 至 40 满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一种 较好折中方案。较高纹波电流可以使用较小尺寸电感器， 但为了平滑输出
10、纹波电压，输出电容要承担更大负荷。 对于这个例子，选取纹波电流为 9A 40+Lo 选取25.9H时 在最小输入电压时 0.53A电流检测电阻： 通过增并联0.1 检测电阻，可实现Rs值。电感电流斜坡信号是通过 Rramp 和 Cramp仿真。对于这个例子，Cramp值设立在 820 pF 原则电容值。运用电感器可选取检测电阻和 K 系数，Rramp值可以计算如下：自举电容 CHB这个设计选取值为 0.47 FVCC 电容这个设计选取了 1 F 值。VIN 滤波器 RVIN、CVINVIN 上 R-C 滤波器 (RVIN、CVIN) 是可选。滤波器有助于防止注入到 VIN 引脚高频开关噪声引起
11、故障。在这个例子中，CVIN 使用了 0.47 F 陶瓷电容器。RVIN 选定为 3.9。 对于这个例子，软启动时间为 8 ms，CSS 选取值为 0.1 F. RCOMP 选取原则值为 27.4 k。 =8.2nf =49pf输出分压器 RFB1 和 RFB2 设立输出电压电平。这些电阻比值计算公式为：选用RFB2为5.25千欧 FB1为1千欧姆。三、硬件电路单元设计3.1过电流保护电路原理简述：规定电源具备过流保护功能，动作电流；咱们采用办法是运用LM5117芯片CM端口输出电压与输出平均电流成正比。采用带正反馈比较器将CM端电压与基准电压比较，当输入电压高于动作电压时，运放输出电平由低电
12、平翻转成高电平，使三极管导通，从而将UVLO引脚拉低，使芯片关断。3.2负载辨认电路原理简述：题目中规定电源依照通过测量端口辨认电阻R阻值，拟定输出电压，即； 咱们所采用办法是依照反馈电压端口电压为0.8V,可以得出公式：f(x)=0.8/Uo。 0.8=f(x)Uo=f(x)R (R为千欧) 即： R为1K Uo=1V f(X)=0.8 ；R为5K Uo=5V f(X)=0.16 ； R为10K Uo=10V f(X)=0.08 ； 因此可以将输入电压先通过反向比例放大器放大使输出为-0.8V，在通过运放来反向使输出为0.8V.3.3 LC滤波电路单元四、测试方案与测试成果4.1 测试仪器与
13、测试条件4.1.1测试仪器序号名称、型号、规格数量1TDS210数字存储示波器（60MHz、1.0GS/s）12UT70A数字万用表14.1.2测试条件检查多次、硬件电路必要与系统原理图相似，并且检查无误、硬件电路保证无虚焊。4.2测试成果4.2.1电压偏差测试序号额定输入电压V额定输出电压V实际输出电压v偏差115.874.964.9420mv满足条件4.2.2额定输入电压下，最大输出电流测试序号额定电压最大输出电流115.3.26 满足条件4.2.3纹波电压测试序号电压峰峰值110mv ；满足条件4.2.4负载调节率测试序号IomaxUo满载IominUo轻载负载调节率13A5.00V0.6A4.96V0.8%；满足条件4.2.5电压调节率测试序号Uo变化电压调节率1 4.944.93v0.2%2 4.93 4.94v0.2% 满足条件4.2.6效率测试； =85.4%；满足条件4.2.7过电流保护功能实际测动作电流I=3.26A；满足条件4.2.8负载辨认测试通过辨认电阻R阻值，拟定输出电压序号测试电阻值/千欧输出电压/V12225531010 计算得；满足条件4.2.9电源重量测试该系统电源最后实际重量为132g，满足题目所规定不大于200g。测试结论：通过以上测试，发现成果在诸多状况下可以超过题目所给规定，在某些状况下基本满足题目规定。附图一：
