高效数控恒流源1.doc

四川省大学生电子设计竞赛报告 高效数控恒流电源 摘要： 本系统是以TI公司的MSP430F149单片机为核心控制器，可实现电流预置、电流检测、电流控制、电流显示，空载检测和过压保护及自动恢复等功能。利用MSP430F149内部自带的A/D转换器、通用运算放大器等器件形成闭环回路，A～2000A范围内步进小于等于10A恒定电流输出的功能，整个系统整机效率高，精度高，稳定性强，并且具有良好的人机交互界面。 关键字：恒流源 MSP430F149 闭环控制 IR2110 1 方案设计与论证 1.1 剖析赛题 本题要求设计一个以DC/DC变换器为核心的高效数控恒流电源，电路框图如图1所示。 图1 电路框图 本系统由DC/DC变换器模块，MSP430F149模块，驱动模块，取样放大模块和人机接口模块构成。 1.2 方案论证 1.2.1 控制核心的选择 方案一：采用目前比较通用的89S52单片机。该单片机优点是运算能力强，软件编程灵活，自由度大。它能够实现外围电路的智能控制，但核心控制部分使用89S52时，为达到设计精度的要求，外围电路必须加上12位的A/D转换器，这就使得整个系统硬件电路变得复杂。 方案二：采用美国TI公司的MSP430F149。此单片机功能较强、兼容性好、性价比高、超低功耗；并且具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、以及较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达10MHZ，运行速度快。而且，它内部集成12位A/D转换器，不需外加A/D转换器。此种方案既能实现智能化的特点，简化硬件电路，提高测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高，带来了极大的方便。 综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。 1.2.2 DC-DC主回路的方案选择 DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题要求整机效率高，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案： 方案一：串并联开关电路形式。串联开关电路如图2所示。实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂。 图2 串并联开关电路图 方案二：串联开关电路形式。串联开关电路如图3所示。开关管VT1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器后在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。该电路属于降压型电路。 由于本题只需降压，故选择方案二。 图3 串联开关电路图 1.2.3 开关电路控制方法的选择 方案一：采用恒频脉宽调制控制器TL494。TL494是美国德克斯州仪器公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，可作为单端式、推挽式、全桥式、半桥式开断电源控制器。此芯片工作频率为1--300KHz，内部有5V的电压基准。 方案二：采用TI公司MSP430F149芯片产生PWM控制场管。MSP430F149内部的Timer_A或Timer_B定时的模式下可以准确的产生频率很高的PWM信号，在频率一定的情况下，通过软件改变PWM信号的占空比，使输出电流稳定在设定值。此方案简单可行，精确度高，减少了外围器件，节约成本。 鉴于以上优点，我们最终选用方案二。 1.2.4 开关管驱动电路的选择 方案一：采用常用的“图腾柱”电路。图腾柱的开关管驱动电路如图4所示。图腾柱式的驱动方式，一方面增加了驱动能力，另一方面，当PWM的输出端为低的时候，下管为MOS的结电容提供放电回路关断时图腾柱输出会仍有一个等于Vgs电压的电压加在负载MOS上，如果这个电压高于负载MOS门槛具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端电压范围10～20V；逻辑电源电压范围3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。LED 数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。整个显示界面显得不太友好。 方案二：采用LCD1602A液晶显示器 1602A液晶显示器是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD。它能显示16*2的字符，即可显示两行，每行16个字符。模块最佳工作电压5V，此时工作电流为2.0mA。1602A液晶显示器显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。液晶显示是字符式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二1602A液晶显示器。 2 理论分析和计算 根据题目要求和以上论证，本设计的详细系统框图如图6所示。 图6 系