“TI”杯 四川省电子设计竞赛
直流均流电源
参赛人：参赛人：杨毓俊
周华 张仁辉
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“TI”杯四川省电子设计一等奖作品
题目：题目：直流均流电源 指导老师：指导老师： 钟洪声 杨忠孝 崔红玲 队员及年级：队员及年级：杨毓俊 2006级 周华 2006级 张仁辉 2006级 学校级院系：学校级院系：电子科技大学 微电子与固体电子学院 集成电路设计与集成系统集成电路设计与集成系统
摘要: 采用TI公司的DC/DC芯片TPS5430设计并制作了两路BUCK型均流电源，均流误差在1%以内，电源总效率可达93%，两路电源负载调整率均在 0.1%以内，并且输出电压4.5V～5.5V可调，具有过流保护功能，过流保护点可调。整个电源系统还外加控制器MSP430作为附加功能的控制核心，可实现遥控定时开关机，显示电源工作状态。
关键词：关键词： BUCK型 均流误差 效率 TPS5430 MSP430
Abstract: TI's DC / DC chip design and production of the TPS5430 two-BUCK power supply are all in the flow of error less than 0.5%, power efficiency up to 92% of the total, two power load regulation are less than 0.1%, and output voltage 4.5V-5.5V adjustable, with over-current protection features, adjustable over-current protection point. The entire power system controller MSP430 plus additional features as the core of the control,enables remote control switch from time to time, show the work of state power.
KEY WORD : BUCK Current Error Efficiency TPS5430
MSP430 一.作品简介：作品简介：仔细阅读和认真分析题目内容后，对题目要求完成的功能和技术指标归纳如下：
1、输入电压为市电，须经功率变换部分将其转换为较为稳定的直流信号作为后端直流均流电源模块的输入。 2、题目具体参数要求如下：
( a )、直流均流电源由两路构成，基本要求单路输出电压为5V，+10%范围可调。
( b )、负载调整率+0.5%Vo，单路功率5W。
( c )、过流保护点1.2A~1.3A,故障解除后能自恢复。 ( d )、并联自动均流，均流电流相差+5%。 ( e )、电源总效率大于80%。
( f )、要求输出纹波小于100mV。 ( g )、可外加其他功能。
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3、设计必用两种以上TI器件。
综合考虑，因题目要求较高的效率，且对纹波要求不高，所以采用高效率的BUCK型开关电源作为均流电源的基本模块。同时，为了提高电源应用的灵活性，我们决定外加遥控定时开关机功能。
二、作品实现：作品实现： 1.设计方案论证 1.设计方案论证：设计方案论证：
（1）. BUCK型电路实现方案论证与选择 方案一：方案一：采用PWM控制芯片
采用TI公司的脉宽调制控制器TL494CN作为BUCK型拓扑的PWM控制芯片。TL494的最高工作频率300KHz，内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，方便做过流保护；但由于BUCK型拓扑的MOS管驱动需外加上管驱动芯片IR2110，而IR2110会有0.2W左右的功耗，对于仅5W输出的电源来说，会消耗掉4个百分点的效率。 方案二：方案二：采用TPS5430 TPS5430
采用TI公司的BUCK型DC/DC芯片TPS5430，其最大输出电流3A，内部集成驱动电路和1.221V基准源，固定工作频率500KHz。用TPS5430可使电路结构简单化，系统的可靠性高，且高的工作频率减小了对电容和电感的要求，使系统小型化。
综合考虑，为了使系统有较高的效率和可靠性，我们选择方案二。 （2）.均流方案论证与选择 方案一：方案一：下垂法（下垂法（Droop）
（a）、电路结构 （b）、特性曲线 图一、Droop法及特性曲线
下垂法（又叫斜率法）是最简单的一种均流方法，电路结构如图一（a）。其原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。由图一（b）可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。但此方法小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善；对本系统而言，我们希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法只适合应用在均流精度大于或等于10％的场合；很难达到5%的均流效果。 方案二：方案二：最大电流法（最大电流法（自动均流法）自动均流法）
图二所示为最大电流法控制框图，最大电流均流技术由环外调整和母线自主配置相结合而成，不改变模块基本单元的内部结构，只需在电压环外面叠加一个均流环，各模块间接一条均流母线CSB。
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因为二极管单向性，只有电流最大的模块才能与均流母线相连，该模块即为
图二 、最大电流法
主模块。其余为从模块，比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差异，通过误差放大器输出来补偿基准电压达到均流。
这种均流方法有专门的均流芯片，如TI公司的UCC29002，系统可靠性较高。但由于二极管总存在正向压降，因此主模块的均流会有误差；而且均流是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程，系统中主、从模块的身份不断交替，各模块输出电流存在低频振荡，降低了均流的稳定性。 方案三：方案三：主从均流法
主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号。图五为采用电压
图三、 主从均流法
环内调整结构的主从均流法。主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少，易于拓展为多路。缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将瘫痪。
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综合考虑对于本系统只有两路电源，而且又采用DC/DC芯片设计，系统不确定因素少，所以可靠性很高，又主从均流法精度很高，设计简单，成本低，所以我们采用方案三实现均流。
2.理论分析
（1）功率变换电路的设计及参数计算：功率变换电路的设计及参数计算：
认真分析题目后，我们决定经工频变压器整流滤波后，做两路对称的DC/DC电源给后级供电。因题目要求输出电压为5V，又BUCK电路输入输出压差较小时可获得较高效率，所以将供电电压定在7V左右。采用TI公司的开关电源芯片TPS5430，其开关频率为500KHz，内部基准电压1.221V，最大输出电流3A。功率变换的单路电路图如下：
Ton
×Vin公式一：Vo=
Ton+Toff
图四、功率变换原理图
上面的功率变换的功率变换电路做完后，为了增加作品亮点，我们又决定采用AC/DC作为我们的功率变换部分，并且我们也做出来了，但是，在作品测试的时，我们的误操作使大功率开关管烧掉了，只好用上面那个功率变换电路测试。 为了体现我们的思维，我还是将设计过程论证如下。 AC/DC变换的设计及理论计算如下：
图五、功率变换电路原理图
如图五所示RCC反激式AC/DC原理图，输入为220V市电，经EMI滤波、整流桥整流后送入变压器初级。图中用光耦和三极管Q1，开关管Q2构成电压反
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馈，当输出电压有增大趋势时，光藕上流过的电流增大，使三极管Q1的基极电流增大，Q1导通，开关管Q2截止，输出电压降低，开关管Q2再次导通，反之，当输出电压降低时，过程相反。因题目要求输出电压为5V，又BUCK电路输入输出压差较小时可获得较高效率，所以将功率变换输出定在7V左右，此电路采用TL431作为输出基准源。
高频变压器的设计要求为开关频率为20KHz，占空比D=0.5，输出电压7.7V，输出电流要求能够达到3A，整流管正向电压降（1）.整流输入电压最小值：
Vin（DC）=Vin×1.2=265V 考虑一定裕量，取Vin（DC）=250V (2).变压器的传输功率为：
Po=(Vo+VF)Io(MAX)=10×3=30W
考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率为η=70％则输入功率为
Pin=
Po=43W
为0.5V。具体设计过程为:
η(2).由PQ磁芯的最大传输功率（50KHz）关系可知，至少需要PQ20／20型的磁芯。由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ32/30型磁芯。其每伏输入电压对应的匝数Nit=0.278，绕线窗口面积Aw=149.6mm2，窗口有效利用系数
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图六、均流源拓扑结构图
端(3端)与负端（2端）的电压差增大，运放的输出端（6端）电压升高，此信号可以起到调制从电路占空比，使其减小以达到减小从路输出电流，即均流的目的；反之，当从路电流减小时，运放输出电压减小，调制从路电流增加。
储能电感设计要求轻载时电源工作在电流连续方式；因为若轻载时工作在电流断续方式，则输出电压会升高，会影响电源的负载调整率。具体设计步骤如下：
(1)设Imin为临界电流，Iv为电感的谷点电流，要使电流在整个周期都不为零，则需Iv>0;所以
Vo×ToffVo×Toff
Imin= 即，L=
2L2Imin
(2)因Imin=0.1A,(Vo)max=5.5V,f=500KHz,Toff=(1-Vo/Vin)/f;算出 L>37uH，取L=100uH
R3R3
输出电压的计算公式： Vo=(1+)*Vref==1.221*(1+)
R5R5
（3）.过流保护电路设计：过流保护电路设计：
过流保护及自恢复实现原理如图七。图中X、Y端口接采样电阻R1或R2两端，INA128是高精密仪表放大器，电阻R11可调整过流保护点的电流值，继
图七.过流保电路原理
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电器的3端接TPS5430的使能端ENA和蜂鸣器。当电流达到保护点时，仪放输出高电平，三极管导通，继电器打到3端，TPS5430使能端低电平停止工作，同时蜂鸣器接通发出警报；当故障解除后，由于三极管的基极电流非常小，电容C11的放电速度很慢。C11的放电电流继续维持三极管导通一段时间。当C11提供电流，三极管截止继电器打到2端，TPS5430使能有效，电源恢复正常。 该过流保护电路的过流点可设定，过流点电流计算公式为：
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Imax=A
50（1+）R11
（4） 、附加功能设计：附加功能设计：
1、思想提出：因实际应用中负载工作在一定的时间范围内，如学生公寓的供电系统定时供电或断电，所以模块 MSP430 1602液晶 时钟 我们加入了时钟控制功能以达到功耗 0.03W 0.3W 0.01W 定时开启/关断该电源的目的。又为
便于操作该系统，所以加入了遥控设备。
2、功能实现：右图为软件流程图，当电源开启的时候，系统进入低功耗的静态
开始 初始界面，若要使用该附加功能，则按
任意键将其唤醒。然后进行操作方式选择，其中1为用遥控操作，2为用按键操初始界面 作。然后，进行功能选择：1为定时开关机，2为设置并显示时间，此时，也可按操作选择 用键盘 3进入自由开关机的模式。当完成一项具体的功能后，可通过对应的提示按键使单片机重新返回低功耗模式，以节约电用遥控 源能量的消耗。
功能选择 为减少电源的电能消耗，使系统有较高
效率，制作中选择了微功耗的MSP430单片机、1602字符型液晶和RM-139C万
定时开关机 设置并显示时间 能遥控器。我们对内部各部分电路功率
损耗进行了简单的估算，结果参看左表。功率损耗大约为0.34W，满载输出功率退出 为10W，则系统效率减小3.4%。实测中电源效率为94.6%，加入此模块后系统效
选择 率为91.1%，能达到要求。在退出时
MSP430进入低功耗。
结束 3、功能电路的设计：设置
MSP430FG4618的P1.0为遥控信号的输
入端。P7.0为电源开启/关断的控制端，其与TPS5430的ENA相连，当P7.0输出高电平时，光偶三极管导通，LED指示灯发光，TPS5430的ENA引脚电平被拉低而停止工作，电源关断；P7.0输出低电平时，光偶三极管断开，LED熄灭，ENA恢复高电平，电源开启。定时开关机功能电路的电路图见图八。
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图八、图八、定时开关机功能电路图
3．系统框图如下：
图九、系统框图
4、选用TI器件的依据，器件的依据，选型理由
TPS5430：他是TI公司设计的一款可以大电流输出的DC/DC电源芯片，
最大输出电流3A,因题目要求单路输出电流1A，效率80%以上，
而TPS5430效率可达90%以上，所以我们采用它作为电源的主
芯片。
INA128：再设计过流保护电路时，因我们需要精确的控制过流保护点，就
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要求所用放大器能够精确放大，且为了使系统有较高的效率，要求放大器有很低的功耗；综合考虑，我们选择能精确放大、低功耗仪放INA128。
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）、为了防止电流过大将TPS5430的输出引脚（8脚）烧坏，它的8脚因 用较粗的铜导线单独引出。同时，为了使芯片散热良好，因将9脚与
电源地接起来。
(2)、焊接电路时，反馈信号所对应的第与大电流地要一点接地，否则电源 负载调整率将不理想；且为了减小干扰对反馈小信号的影响，反馈线 要用屏蔽线，同时，为了减小噪声影响反馈信号，反馈线上要串接电
组。
（3）、为了提高系统效率，电路中使用的电容都是等效电阻小的，在TPS5430 （开关频率500KHz）附近的电容要是高频特性好的。 （4）、为了减小导线的功耗，焊接电路时焊锡要走的比较粗。
（5）、绕储能电感时，要用储能比较多，不开气隙的磁芯，不开气隙是为了
减小电感的辐射，储能多是为了防止磁芯饱和。为了减小铜损，绕制电感的铜线要多股并绕。
2、软件设计注意事项及小窍门：
在程序中，MSP430接口的使用时，务必先设置好其对应的寄存器，再对其进行操作，否则就达不到所需的结果，甚至会出现错乱。 四、MSP430FG4618的使用
1、硬件设计接口概况：MSP430FG4618有着丰富的内部资源和外部接口，设计中选用了其P1、P2口与液晶1602相连，P3、P5与时钟BQ4802相连，P4作为按键输入口，P1.0作为遥控器信号接收端，P7.0为电源开关信号输出端；同时，选用了定时器A为遥控信号解码。BQ4802及1602的接口原理图如下：
图十、BQ4802的接口原理图
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图十一、1602液晶接口电路原理图
2、定时器A的应用：当单片机P1.0接收到遥控器脉冲信号（总长为40-50ms）时，由第一个下降沿触发中断，定时器A做长25ms的定时，以屏蔽遥控信号的地址码。然后，设置定时器A为计时模式，测信号数据部分中每两相邻下降沿的宽度，其中宽脉冲为1，窄脉冲为0，测8个即可。遥控信号的接收函数由P1.0的中断触发执行，最后获得的8位数据即为遥控信号。
3、低功耗实现：当电源开启、液晶显示静态初始界面时，单片机处于低功耗状态；当单片机完成选定的功能（退出时间显示、定时开关机）后，自动转入低功耗状态。即单片机在除了执行选定功能过程外的所有时间里，都处于低功耗状态。 4、编程感想：
( 1 )、MSP430FG4618的P1、P2口的每只引脚均具有的中断功能，方便于对多路随机信号的输入和采集。
( 2 )、MSP430FG4618有丰富的定时器资源，方便于对多路信号的测量。 ( 3 )、在利用低功耗时，务必根据不同的需要设置不同的低功耗方式。如：设计中需要单片机ACLK活动、DC产生禁止，则可用语句LPM3，而语句LPM2、 LPM4都不满足条件。
五、作品达到的性能指标：作品达到的性能指标： 1.测试仪器：测试仪器：我们整个测试用到了以下仪器： （1）、MASTECH公司的MY-65型万用表 （2）、TDS1012B双踪示波器 （3）、变阻器BC1—300W 2、测试步骤及测试方法：测试步骤及测试方法：
（1）.输出电压测试方法：电源输出端接上50欧变阻器，工频变压器插上电，用MY-65型万用表测量输出电压值，分别调节反馈电阻值，测量单输出电压变化范围；然后两路并联测量。测试结果见表一。 （2）.负载调整率测试方法：负载调整率测试方法：先测时的调整率，用MY-65型万用表测空载电压并调至5V附近并记录电压值，然后再用一个MY-65型万用表作为电流表与变阻器串联接入电源输出端，将负载阻值由50欧匀速变化至满载，记录输出电压，计算出负载调整率；并联时方法与时相同测试结果见表二。假设空载电压为V1，满载电压V2，则负载调整率计算公式为：
2V1-V2
负载调整率=×100%
V1+V2
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（3）.过流保护及自恢复测试方法过流保护及自恢复测试方法：测试方法：分别测试两路的过流保护，将变阻器与电流表串联接入输出端，上电后，匀速减小负载阻值至过流，蜂鸣器报警，记下该点电流值，然后增大负载阻值，解除过流状态，电路能否恢复工作。 2）测试结果：测试结果：主路过流保护点1.213A，故障解除10秒后恢复；从路过流保护点1.272A, 故障解除10秒后恢复。实现了过流保护和自恢复功能。 （4）、电源总效率测试方法电源总效率测试方法：测试方法：效率从功率变换后端算起。为了减小由于表的差异对测试结果的影响，我们决定用两个万用表先测量输出端功率，再测量输入端功率。两路并联，用两个MY-65型万用表，一个作为电压表，一个作为电流表，变阻器与电流表串联，接到输出端，上电后，调节负载，测量输出的电压Vo，记录电压、电流值；然后断电，负载值不变，将电流表串接在功率变换与均流电源之间，再上电，用电压表测量输入电压，记录输入电压与输入电流。如此重复再测几个点。测试结果见表三。 （5）、纹波、纹波测试方法纹波测试方法：测试方法：电源工作，上电后接上负载，将TDS1012B型示波器探头分别接到电源的输出的正负端，调节示波器至2mV档，然后将负载从轻载缓慢的调至重载，记录下示波器显示的最大峰峰值Vpp，即最大纹波。测试结果见表四。 （6）、均流测试方法均流测试方法：测试方法：用两个MY-65型万用表都调到电流档，分别串接到主从路的输出端，然后将主从路并联接上变阻器，调节阻值从50欧姆匀速的变化至满载，观察两个电流表显示的电流值，记录下0.1A～1A之间十个点的电流值，计算出均流偏差。测试结果见表五。均流偏差计算公式如下：I1、I2分别为主从路电流。
∆=2
I1−I2I1+I2
×100%
3、测试结果： （1）、输出电压调节范围： 最小输出电压 主路 1.706V 从路 1.715V
表一、输出电压调节范围测试结果
（2）、负载效应测试结果： 空载电压 满载电压 主路 5.007V 5.004V 从路 5.006V 5.004V 表二、负载效应测试结果
（4）、电源总效率测试结果： 测试点 输入电压输入电流输出电压
(V) (A) (V)
0.2A 7.623 0.169 5.007 0.6A 7.622 0.437 5.007 1.0A 7.622 0.735 5.005
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最大输出电压
12.385V 12.763V
负载调整率 0.06% 0.04%
输出电流电源效率 (A) 0.233 90.5% 0.610 91.6% 1.023 91.4%
1.6A 7.620 1.146 5.005 1.599 91.6% 2.0A 7.620 1.518 5.003 2.127 92.0% 表三、电源总效率测试结果
（5）纹波： 测试点 214mA 678mA 1034mA 1621mA 2011mA 主路 2mV 2mV 3mV 4mV 4mV 从路 3mV 3mV 3mV 4mV 4mV 并联均流 3mV 3mV 4mV 4mV 5mV 表四、电源纹波测试结果
（6）、均流偏差测试结果： 测试点(A) 主路电流I1（mA） 从路电流I2(mA) 均流偏差∆ 0.1 101 101 0% 0.2 213 214 0.46% 0.3 317 318 0.26% 0.4 406 408 0.49% 0.5 523 525 0.38% 0.6 610 613 0.48% 0.7 718 719 0.14% 0.8 804 806 0.25% 0.9 901 902 0.11% 1.0 1007 1007 0% 1.1 1102 1103 0.091% 1.2 1199 1200 0.083% 1.3 1311 1312 0.076% 1.4 1419 1419 0% 表五、均流偏差测试结果 3、误差分析误差分析：分析：从测试结果来看，我们设计的作品所有指标都已超过了题目要求，我们的均流偏差在0.5%以内，超过了题目要求的5%；效率在91%左右，超过了要求的80%；同时，题目要求纹波小于100mV，我们做到了5mV以内。但是我们电源均流时两路的电流仍有一定的误差，并非绝对均流；而且均流偏差变化不是线性的，即输出电流增大时，均流偏差不是单调变化。主要原因是由于我们均流方法是主从均流法，通过运放OP37调制实现的，而运放两个输入端不能真正做到“虚短虚断”，会存在30uV左右的失调电压，导致两路电流必定有一定的误差；若需要进一步减小误差，则需采用更为精确的平均电流均流法。均流误差的非单调变化，主要是由于采样电阻等分立元件的温漂及杂散噪声引起，当温度变化或工作频率变化时，电阻会偏离原来的阻值，导致运放两端输入电压偏离理论计算值，从而使调制信号变化，均流偏差波动。 4.进一步改进：进一步改进：
本系统利用TI公司的DC/DC芯片TPS5430以及运放OP37、OP277的反馈调制达到了很好的均流效果，并且其他指标都超过题目要求；而且还具有遥控定时开关机的功能，可随心所欲的设定电源的工作时间。但由于能力及时间的，
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我们的系统还有不完善的地方。具体改进的地方有： （1）、增加电源的过压和欠压保护功能。 （2）、增设掉电保护功能。 （3）、更科学的电路布局，将系统做的小型化。
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附录：附录：作品照片
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