降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源（A題）
【本科組】
1系統(tǒng)方案本設(shè)計以LM5117降壓控制器和CSD18532KCS NMOSFET場效應(yīng)管為核心器件，搭建一個DC-DC同步整流降壓拓撲變換電路。實現(xiàn)5 V 固定電壓輸出，最大3A 電流輸出，紋波小于50mV，效率高于85%。搭建DC-DC直流穩(wěn)壓器，并引入負載電阻測試功能，能識別電阻的大小來控制輸出電壓。
1.1 方案一本方案采用純硬件的方式來識別電阻大小以及控制輸出電壓。測電阻時，采用將外接負載識別電阻作為運放的反饋電阻，通過電阻值的變化調(diào)節(jié)輸出電壓。通過后級運放輸出的高低電平信號來控制LM5117 的反饋引腳FB（0.8V參考電壓，低于0.8V出電壓上升，高于0.8V，輸出電壓降低）。通過調(diào)節(jié)幾個運放之間的放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)輸出電壓與負載電阻的關(guān)系。
本設(shè)計采用純硬件方式，電路略微復(fù)雜，可靠性容易受運放影響，且在調(diào)試上會比較困難，識別控制精度較低。
1.2 方案二本方案采用DC-DC加MCU 的方式，使用德州儀器（TI）高性能超低功耗處理器MSP430F5438A為核心控制。將外接負載識別電阻與參考電阻R 串聯(lián)分壓后，用單片機內(nèi)部ADC 采集負載識別電阻兩端電壓大小，從而計算出該電阻阻值，之后配置外部DAC輸出相應(yīng)的電壓值用于作為參考電壓。將參考電壓與LM5117輸出的反饋電壓用比較器進行比較。將比較器輸出端連接到LM5117的反饋引腳FB ，從而根據(jù)負載識別電阻大小精確控制輸出電壓大小。
本方案引入了MCU，增加了系統(tǒng)設(shè)計難度，但是具有高可靠性，高控制精度，以及高效率。
綜上所述，選擇方案二。
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2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 DC-DC變換方法本設(shè)計中LM5117 采用的是同步整流，上管作為功率管，下管為續(xù)流管，在上管關(guān)閉后，由于兩端電流不突變，所以低管為電感續(xù)流，進而為外接負載續(xù)流。普通的開關(guān)電源芯片采用的是二極管續(xù)流，由于二極管有個PN結(jié)壓降（一般0.5V）, 輸出電壓較小時隨著輸出電流增大，，在二極管上的損耗將會很大，這將極大的影響整個電源供電的效率。LM5117 將續(xù)流二極管換成了超低導(dǎo)通內(nèi)阻NMOSFET，在大電流低電壓輸出時損耗會大大降低，從而提高電源系統(tǒng)的效率。
原理圖見附錄一。
2.2 穩(wěn)壓控制方法LM5117內(nèi)置誤差放大器，通過比較器輸出電平給LM5117反饋引腳，進而調(diào)節(jié)輸出占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。
本設(shè)計通過一個繼電器來選擇反饋電阻通道，根據(jù)外接是否有電阻來判斷默認選擇固定電壓反饋通道，在檢測到電阻后，控制DAC 的輸出電壓來與反饋信號進行比較，進而控制輸出電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓控制電路原理圖如圖2.1。
圖2.1 穩(wěn)壓控制電路
2.3 降低紋波方法由于開關(guān)管不斷導(dǎo)通關(guān)斷，電感電容不停的充放電，從而產(chǎn)生了輸出電壓的幅度波動，可以適當(dāng)提高開關(guān)頻率來降低紋波。本設(shè)計采用546KHz 開關(guān)頻率，為了達到較小的輸出紋波，選擇37uH輸出電感，并選擇了低ESR，470uF輸出電容來降低負載下的紋波，并通過合理的PCB 走線來降低走線紋波帶來的干擾。
原理圖見附錄一。
3電路與程序設(shè)計3.1系統(tǒng)總設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示：
圖 3.1 系統(tǒng)總體框圖
3.2主回路設(shè)計與器件選擇3.2.1主回路設(shè)計TI公司的降壓控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應(yīng)管為核心器件搭建DC-DC變換電路，作為負載主回路。
本設(shè)計采用LM5117做降壓控制器，輸出5V、3A 電流。開關(guān)頻率546KHz，開啟二極管仿真，相關(guān)參數(shù)計算見附錄二。
電路原理圖圖見附錄一。
3.2.2主要器件的選擇DC-DC主回路采用德州儀器官方提供的LM5117 同步降壓整流芯片和超低導(dǎo)通電阻，高速NMOSFET—CSD18532 ，搭建降壓直流穩(wěn)壓電源。以超低功耗單片機MSP430F5438A，為主控芯片，采用內(nèi)部ADC采樣。LM393高速比較器，進行過流保護比較和電壓調(diào)節(jié)比較。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用MCP4822為比較器反相輸入端提供參考電壓。XL4005作為輔助電源芯片提供3.3V供電系統(tǒng)。
原理圖見附錄一。
3.3可變電壓輸出設(shè)計此設(shè)計是電源電壓可調(diào)的關(guān)鍵，通過從輸出端串聯(lián)兩個電阻分壓后反饋給比較器同相輸入端，比較器反相輸入端接DAC輸出電壓，通過調(diào)節(jié)DAC 輸出電壓值，從而改變控制閥值，并將比較器的輸出端直接接到LM5117 反饋引腳FB。當(dāng)改變DAC 輸出電壓時，輸出電壓也會隨之改變。從而實現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)的功能，為外接負載識別電阻調(diào)節(jié)輸出電壓大小提供了基礎(chǔ)。
原理圖見附錄一。
3.4程序的設(shè)計3.4.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述
本設(shè)計采用MSP430F5434A內(nèi)置ADC采樣，根據(jù)公式（U0 = R / 1K）處理后，控制DAC輸出電壓作為參考電壓控制輸出電壓的大小，從而實現(xiàn)自動識別，自動控制的目的。不接負載識別電阻則默認選擇固定輸出電壓通道，當(dāng)ADC檢測到有允許范圍內(nèi)的阻值時，單片機控制繼電器選擇電壓可調(diào)通道，根據(jù)采樣的電阻值，來控制輸出電壓。
3.4.2程序流程圖1、主程序流程圖
圖3.2主程序流程圖
4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試
1）輸入輸出電壓電流
測試方法：通過四個六位半高精度數(shù)字萬用表同時測量總輸入和負載輸出點處的電壓及電流。并以這些數(shù)據(jù)計算效率。
2）電壓調(diào)整率測試
在滿載（3A）條件下，根據(jù)題目要求，輸入電壓Uin從17.6V 調(diào)至13.6V,測量負載兩端電壓變化。并根據(jù)以下公式計算電壓調(diào)整率。
公式（4-1）
3）負載調(diào)整率測試
在輸出電壓不變的情況下，
從滿載
變到輕載
時，測量輸出電壓的變化，并根據(jù)以下公式計算負載調(diào)整率：
公式（4-2）
4）紋波測試
用示波器交流檔測量輸出負載兩端，將負載加大至輸出電流3A，調(diào)節(jié)示波器電壓刻度，使測量到的信號（波形）在屏幕上占大約2/3 的比例，然后打開峰峰值監(jiān)測，觀察紋波大小。
5)過流保護測試
將負載加大，當(dāng)輸出電流達到3.2A ，輸出將會關(guān)斷，減小負載后，電流輸出又馬上恢復(fù)。
2、軟件仿真測試
1）測試ADC采樣是否正常。
2）測試DAC采樣是否正常。
3）根據(jù)ADC采樣值來控制DAC是否正常。
3、硬件軟件聯(lián)調(diào)
1）外加負載電阻時，能夠根據(jù)實際的阻值，輸出對應(yīng)的電壓（U0 = R/1K）。
2) 測試去掉外接負載電阻后能否自動調(diào)回固定電壓輸出檔。
4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。
測試儀器：高精度的數(shù)字萬用表，數(shù)字示波器，大功率負載電阻。
4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))測試結(jié)果好下表所示：
外接負載識別電阻與輸出電壓關(guān)系表：
4.3.2測試分析與結(jié)論分析：
- 輸出電壓誤差小于0.1V。
- 輸出電流具有過流保護，誤差低于0.1V。
- 調(diào)整電壓，輸出電壓變化0.02V 電壓調(diào)整率低于題目要求。
- 輸出電壓不變，輸出負載變化，負載調(diào)整率低于題目。
- 5.01V輸出時，3A 電流輸出，輸入16V 系統(tǒng)效率高于85%。
- 測試多個電阻值，均能按照題目公式輸出相應(yīng)電壓。
結(jié)論：
綜上述，原理圖跟實物一致，實測參數(shù)滿足題目要求。本設(shè)計滿足設(shè)計要求。
參考文獻[1]童詩白 第四版《模擬電路》
[2]北京航空航天大學(xué)出版社《MSP430超低功耗單片機開發(fā)實例》
[3]中國電力出版社《開關(guān)電源入門設(shè)計》
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和斜坡電容
的關(guān)系：
和自舉二極管
的關(guān)系：
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的啟動時間
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的啟動時間
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和
的關(guān)系：
2016四川省電子設(shè)計大賽電源題LM5117設(shè)計方案論文.rar
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