TPS5450数控DCDC电源.docx
- 文档编号:10751708
- 上传时间:2023-02-22
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:112.86KB
TPS5450数控DCDC电源.docx
《TPS5450数控DCDC电源.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《TPS5450数控DCDC电源.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
TPS5450数控DCDC电源
开关稳压电源(E题)
摘要
本系统以BUCK斩波电路为核心,以MSP430G2553单片机为主控制器,以TI电源管理芯片TPS5450为核心DC-DC芯片,根据反馈信号对PWM信号做出调整,进行硬件闭环控制,单片机通过DA控制反馈段,从而实现可调稳压输出。
系统输出直流电压0V~20V可调,可以通过键盘设定和步进调整,最大输出电流达到2A并实现2.2A过流保护,电压调整率和负载调整率小,DC-DC变换器的效率达到93.4%(10V2A情况下测定)。
能对输出电压输出电流和输出功率进行测量和显示。
方案论证
1.1DC-DC主回路拓扑
方案一采用单片机产生PWM波控制MOS的开关,AD采样进行反馈,形成软件闭环控制系统,通过调整占空比稳压和调节输出电压。
方案二采用集成电源管理芯片,单片机控制DA经过电阻送至芯片反馈端,通过硬件欺骗的方法控制输出电压。
基于对电路结构和效率的考虑,我们选择方案二。
1.2系统总体框图
图1-1系统总体框图
1.3提高效率的方法及实现方案
1)选择合适的开关电源控制芯片:
集成开关电源芯片的MOS内阻对整机的效率有较大的影响,TI公司的TPS5450内部导通电阻110mΩ,工作频率500KHz,有较高的转换效率,并且带有使能端,输入最大电压36V,持续最大输出电流5A,适合本设计要求。
2)BUCK斩波电路中二极管的选取:
本电路工作频率高,电压低,对二极管的开关速度要求高,对反向耐压要求不高。
与快速恢复二极管相比,肖特基二极管正向压降更小、恢复时间更短;反向耐压也已经满足要求。
故选择肖特基二极管。
本设计要求输出电流2A,可选用最大持续电流3A的1N5822二极管。
3)BUCK斩波电路中电感的选取:
本设计电流较大,又由于开关频率较高,普通绕线电感会产生较大EMI,对输出电压有较大的影响,会产生较大的纹波,因次选用TDK屏蔽式额定电流4A的电感,能有效减少EMI的产生并能满足设计的电流需求。
4)控制及保护电路:
MCU选用超低功耗单片机MSP430G2553,其工作电流仅280μA;显示用低功耗LCD;控制及保护电路的供电采取了降低功耗的措施;MCU需要的3.3V电压由开关电源芯片LM2596降至5V,再由AMS-1117降至3.3V以控制开关电源产生的噪声,以免单片机工作不稳定。
2电路设计与参数计算
2.1BUCK电路器件的选择及参数计算
2.1.1肖特基二极管的选择
由于输出最大电压2A,最大输入电压25V,为留有裕量,选用耐压40V平均通过电流3A的1N5822,。
2.1.2电感的参数计算
1)电感值的计算:
根据芯片手册的设计参考,
其中KIND是减少输出纹波而增大电感的补偿系数,推荐取0.1到0.3,为了是输出纹波更小,这里去0.1,计算得电感值L=44uH,取47uH。
2.1.3电容的参数计算
根据芯片手册的
其中,LOUT为输出电感,取47uF。
fCO=500kHz,VOUT=20V时,CB=316μF。
取CB=330μF,用多只低串联等效电阻(ESR)的电解电容并联,进一步减小ESR,以减小输出电压的纹波。
再并联CBB电容以增加高频响应,减少毛刺。
2.2控制电路的设计与参数计算
MCU根据设定值给定DA值从而控制输出电压。
根据硬件电路设计(图2-1),可得:
VOUT=
其中VFB为芯片内部调整的参考电压1.223V,最后计算可得VOUT=
,经过实际电路测试后进行软件修正,修正后得出VOUT=
。
图2-1
2.3保护电路的设计与参数计算
2.3.1过流保护
输出端串接电流采样电阻RTEST2,材料选用温漂小的康铜丝。
电压信号放大后送给单片机进行A/D采样。
当电流大于2.2A时,单片机控制电源失能,蜂鸣器报警,过流故障解除后,系统将自动恢复正常供电状态。
.5数字设定及显示电路的设计
分别通过键盘和LCD实现数字设定和显示。
键盘用来设定和调整输出电压;设定电压、输出电流和输出功率的量值通过LCD显示。
.6效率的分析及计算(UIN=25V,输出电压UO=10V,输出电流IO=2A)
1)BUCK电路中电感的损耗:
其中,DCR1为电感的直流电阻,取为50mΩ,代入可得PDCR1=0.68W
2)BUCK电路中开关管的损耗
1、开关损耗PSW=0.5*UIN*IIN(tr+tf)*f
其中,tr=190ns,tf=110ns,f=500kHz,代入可得PSW=0.216W
2、导通损耗
其中,RDS(on)=110mΩ,电流感应电阻RSNS取0.05Ω,代入得PC=0.23W
3)肖特基二极管的损耗
当二极管导通时流过二极管的电流等于电感电流,约为IO=2A,查伏安曲线得VD=0.42V,占空比取50%。
所以,二极管的损耗
=2A*0.42V*0.50=0.42W
4)采样电阻上的总损耗为0.01W,其他部分的损耗约为0.01W,
综上电路总损耗P损耗=0.96W,故DC-DC变换器的效率η=PO/(PO+P损耗)=93%
.7系统特色:
1.通过电阻讲DA值穿入反馈端,精确控制输出,并且实现了从0V输出的宽输出范围。
2.采用多种措施降低系统的电磁干扰(EMI),如:
合理布局PCB,降低经过二极管电流的快速强烈变化对系统的干扰;使用TDK屏蔽式电感,使电感在高频工作时,对电路有较小的电磁干扰。
3.具有多重保护措施,保证了系统的高可靠性。
3软件设计(主要流程图如图3-1所示)
图3-1
4系统测试及结果分析
4.1测试使用的仪器(如表4.1所示)
表4.1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
UNI-T万用表
2
2
MPS-3005L直流电源
1
3
Tekironix示波器
1
带宽50MHz
4.2测试方法(连接如图4-1所示)
图4-1测试连接图
4.3测试数据
4.3.1DC-DC转换器效率η测试(测试条件:
IO=2A,UO=20V,UI=25V)
UIN=25V,IIN=1.71A;UO=20.00V,IO=2.005A。
DC-DC转换器效率η=UOIO/UINIIN=93.57%。
4.4测试结果分析
4.4.1测试数据与设计指标的比较(如表4.2所示)
表4.2测试数据与设计指标的比较
测试项目
基本要求
发挥要求
电路测试结果
输出电压可调范围
0V-320V
实现
最大输出电流
2A
实现
DC-DC变换器效率
≥70%
≥85%
93.97%
过流保护
动作电流
2.2±0.2A
故障排除后自动恢复
动作电流2.23A,
可以自动恢复。
输出电压设定和步进调整
步进0.1V,测量和显示电压电流
实现,步进可达0.1V。
其他
完整可靠的保护电路
1电路原理图:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- TPS5450 数控 DCDC 电源