直流均流电源

题目：题目：直流均流电源 直流均流电源

指导教师：钟洪声 崔红玲 杨忠孝

队员及年级：2006级 管锐2006级 黄柯 2006级

学校及院系：电子科技大学 微电子与固体电子学院

摘要: 摘要: 系统采用开关电源芯片TPS5430为核心制作两路稳压电源.两路电源可、并联使用。两路电源并联时，利用电流反馈控制技术，通过运放的动态调节实现自动均流。采用超低功耗单片机MSP430FG4618作为系统主控制电路。

系统输出电压在4.5V～5.5V之间连续可调；两路电源并联，在满载时,电流差低于0.1%；单路、双路并联时工作效率可达90%；满载时纹波均低于15mV；具有过流保护，无线电发射、接受模块，实现报警功能，故障解除后电路自动恢复正常工作；系统具有液晶实时显示电流、环境温度、时间等功能。

关键词：关键词：电流反馈，MSP430FG4618，TPS5430

Abstract：Abstract：Switching power supply system is based on TPS5430, a TI switching power supply chip. This system has two independent power supply, which enables it to work independently and parallelly. When in parallel, it uses operational amplifier to reach the goal of adjusting the load current automatically. It adopts the low-costing MSP430FG4618(an MCU) to be the main control part of the system.

The output voltage of this power supply can be adjusted between 4.5V and 5.5V constantly.When working in parallel, it can reach the functions as below. The difference between the current is below 0.1%(full load). The efficient can reach 90% when working either indepently or in parallel. And the output ripple is below 15mV(full load). In addition, the system has the functions of over current protection, radio emission and receiver module, which can warn people if there is an emergency. Once the problem has been settled, the system can go back to normal automatically. This system has an LCD to show the current, ambient temperature and time.

Keyword: Current Negative Feedback, MSP430FG4618，TPS5430

一、 作品简介 作品简介

本作品实现两路电源均分电流，具有均流效果好、电源效率高、纹波小等特点。

指标要求：1.单路工作时，输出电压4.5V-5.5V可调，最大输出电流1A。 2.单路工作时，负载调整率低于0.5%。。（典型输出5V时，负

载从10%到100%）

3.单路工作时，电源效率在80%以上（80%负载时测量），纹波

低于100mV（满载时测量）。

4.两路并联工作时，最大输出电流2A。

5.两路并联工作时，可实现自动均分电流，两路相差低于5%。 二、作品实现

1. 设计方案论证1. 设计方案论证 设计方案论证

如图1，系统总体结构。根据题目要求，电路分为三部分：功率变换、DC/DC转换、并联均流控制。

第1路 DC/DC转换 并联时 均流控制 第2路 DC/DC转换 单路5V 双路 5V 单路5V 220V/50Hz 功 率 变 换 图1 系统结构

(1) 主回路方案选择与论证 主回路方案选择与论证

方案一：方案一：反激式DC/DC变换器 变换器 T+ 如图2，开关管（Tr）导通时，变压+D1器蓄积能量，截止时输出能量。反激式C1Vo1RL1电路优点是：结构简单、外围元件少，

Vin+不需要扼流圈和续流二极管。输出电压TrD2可通过公式（1）求得。并联时，由于是Vo2C2RL2利用一个PWM控制器（如TL494）同时控

制了两路，两路的开关管在高频下始终

图2 反激式DC/DC 是同时导通和关断的，所以电容上始终

保持同时充电和放电，因此并联时两路电流始终保持相等；缺点是：变压器存 在漏感，将在原边形成很大电压尖峰，可能击穿开关器件；负载调整率差；电源效率低；能量由变压器T储存，体积较大，而且需要开气隙。

v=0

RLTON⋅⋅Vin ……公式（1） 2LPTON+TOFF

方案二：方案二：非隔离式降压型DC/DC变换器（变换器（BUCK）BUCK）

如图3，开关管（Tr）导通时，对电感进行充电；开关管（Tr）断开时，通

过续流二极管向负载供电，输出电压可通过公式（2）求得。两路并联使用时，由于储能电感是绕在同一磁芯上，所以两电感上电流会在磁芯中磁场的作用下始终保持相等。该方案较方案一在负载调整率上有了很大提高，而且均流效果好、效率高。但是两路是由同一个PWM控制器（如TL494）控制一个开关管，而且两路电流通过磁芯锁在一起，所以两路工作时彼此会相互影响。

v=n

0

TON⋅⋅Vin ……公式（2） npTON+TOFF

s

+VinTrT+C1Vo1RL1D+C2RL2Vo2

图3 降压型DC/DC

方案三：方案三：开关电源芯片TPS5430

DC/DC转换电路使用开关电源芯片TPS5430,其输出电压可调，最大输出电流可达3A，电源效率在90%以上，负载调整率低于0.1%,纹波低于30mV。TPS5430可接入电压负反馈，使输出电压稳定。同时它的使能端ENA，可以用来做过流保护。TPS5430外围连接电路简单、稳定性好，对器件和环境的依赖性小。 综合考虑，我们选择了方案三制作主电路。

(2) 均流控制方案选择与论证(2) 均流控制方案选择与论证 均流控制方案选择与论证

方案一：方案一：均流芯片UC3902 UC3902

如图4，UC3902是在两路地线上各串联一精密采样电组Rsence，再将其两端电压供给各自电路的均流芯片。均流芯片的反馈脚ADJ与各自电路TPS5430的反馈脚VSNS相连，通过ADJ引脚来调整各自电路，实现自动均流，电路简单。但是，地线上串接的电阻会严重影响电路的负载调整率，而芯片内部结构决定了采样电阻只能接在地线上

方案二：方案二：均流芯片UCC29002 UCC29002

UCC29002与UC2902的功能以及性能上基本一致，不同的是采样电阻可以接在TPS5430调节输出电压的电位器之前，因而不会影响电路的负载调整率。但UCC39002外部电路复杂，需要连接的外围元件较多，对器件有很大的依赖性，因此存在的很多不稳定因素。

+OUT1U1VSENSE1Radj11234GNDVCC8765SENSESHARE+ADJADJRSHARE-COMPRsense1GND+OUT2VSENSE2UC3902Radj2U21234GNDVCC8765SENSESHARE+ADJADJRSHARE-COMPRLoadRsense2GNDUC3902

图4 均流芯片(UC2902)

方案三：方案三：运放反馈实现均流

如图5，两路并联使用时，电路可分为主从两路。在两路的输出端各串接一精密采样电阻，用低功耗精密仪放INA118将两电阻两端电压进行放大后供给运放两输入端，运放输出端反馈到从路TPS5430反馈脚VSNS。通过运放的比较、反馈实现自动均流。为了不影响负载调整率，采样电阻必须接在TPS5430调节输出电压的电位器之前。运放的失调电压是影响均流效果的主要因素，所以应使用低失调电压运放。

前前Rsense1R1U112341KRGV+VoRef8765VCC(7V)RGVin-Vin+V-VCC(7V)5VVoutR31K23U3OP3771, 5, 86INA118前前Rsense2R2U212341KRGV+VoRef8765RGVin-Vin+V-R441KINA118VSENSE2 图5 运放比较、反馈实现均流

综合考虑，我们选择了方案三。方案三电路简单、均流效果好、功耗低，而且电路性能稳定。

（3） 提高效率的方法 提高效率的方法

A. 选用阻值较小的采样电阻，减小采样电阻上的损耗。 B. 续流二极管选用低压降的肖特基二极管，降低续流损耗。

C. 改善电感的绕制工艺，使用多股铜线并绕，降低趋肤效应和铜损。

D. 在调试的过程中发现较高或较低的供电电压都会降低DC/DC转换的效率，经过反复测试，选定输入电压为7.9V。

（4） 改善负载调整率的方法 改善负载调整率的方法

A. TPS5430的输出电压是相对于它芯片的地而言，所以输出端的地要和芯片的地(V-)直接用导线连接，而且导线上不能流有大电流。

B. TPS5430外围连接电路具有很强的电压反馈，输出电压非常稳定。改善负载调整率的方法是加粗输出端导线、地线，减小它们阻值，从而减小导线损耗。

2. 理论分析2. 理论分析 理论分析

（1） 前端供电系统 前端供电系统 前端供电系统

应题目要求，通过工频变压器将市电转为直流为后端供电，考虑到DC/DC转换后纹波和均流效果，供电部分使用了纹波系数很小的EZ1084。市电经变压器、整流桥后作为EZ1084的输入端，通过电位器调节EZ1084输出电压，为后端供电。

（2） DC/DC转换系统 转换系统

如图6，本系统中使用了TI公司提供的开关电源芯片TPS5430，将前端电压装换为4.5V～5.5V连续可调的稳压电源。两路中的元器件应尽量一样，续流二极管选用低压降1N5822型肖特基二极管。 图6中的电感L1可通过公式（3）计算:

L1≥

Vout(max)×(VIN(max)−VOUT)VIN(max)×KIND×IOUT×FSW

IND

……公式（3）

公式（3）中的K=0.2

，

FSW=500KHz是开关电源的工作频率。

5×(15−5)

≈18uH

15×0.2×2×5×105

这里电感起储能作用，电感量不能太小，太小会引起电感的磁饱和；电感量太大电感上会有很大的铜损和铁损，而且电感大，铜线匝数多，电阻大，损耗也大。综合考虑，这里电感量取45uH。

输出纹波峰峰值可通过公式（4）计算：

L1≥

ESR×VOUT×(VIN(MAX)−VOUT) ……公式（4） V2IN(MAX)×LOUT×FSW

公式（4）中ESR=40mΩ、LOUT=45 uH、FSW=500KHz，可求得VPP≈5mV。

VPP=

输出电压Vout可通过公式(5)计算：

Vout=

1.221

×(R2+R3) ……公式（5） R2

R2、R3如图所示，由公式（5）可知输出电压在1.221V～6.308V连续可调。

（3） 均流系统 均流系统

如图5,当两路并联使用时，电路分为主从两路，通过利用电流反馈控制技术实现自动均流。使用精密采样电阻采集各路电流，再用低功耗、精密仪放INA118进行放大。将主路仪放输出端送到运放的同向端，从路仪放输出端送到运放的反向端，运放的输出端反馈到从路TPS5430反馈脚VSNS，通过仪放放大，运放比较、反馈实现自动均流。这里运放是开环，起比较器功能，两端电压基本上始终

保持相等，通过它来比较两路电流，实现动态均流。本电路是对各路电流进行比较，所以即使各路的负载不同也能实现均流。运放使用失调电压低于25uV的OP37，运放输出端与TPS5430反馈脚VSNS之间通过抗干扰性非常强的屏蔽线连接，从而可以减小外界噪声干扰。

U1VinEN75VINENAPHNCPwPdNCGNDVSNS4R12KBOOT18C20.01uFL145uHRsenseC3220uF5VVoutD11N5822C110uF236R3R2100K9TPS543024K 图6 TPS5430

（4） 过流保护系统 过流保护系统

如图7，通过精密采样电阻，采集各路的电流，再通过TI公司提供的精密、低功耗仪放INA118放大采样电阻两端电压，供MSP430 AD模块进行采集。INA118的放大倍数通过公式（6）计算：

G=1+

50K ……公式（6） Rg

考虑到MSP430 AD的采集最大电压为2.5V，所以选择Rg=1K,G=51。当电流在1.2A-1.3A之间时，通过MSP430拉低TPS5430 ENA引脚关断电路，同时控制无线电发射装置向远处的接受装置发出过流报警信号。一旦故障解除后，电路能自动恢复正常工作。另外各路的过流保护值可通过按键调节。

前前Rsense1Vout1R1U11KRGV+VoRef8765无无无无无无无S1Vcc(7V)VCC(5V)SW-PBS2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBIO3IO4IO5IO65678R31KR41KR51KR61K1234RGVin-Vin+V-按按按按过过过过过INA118前前Rsense2Vout2R2U21KRGV+VoRef87651234RGVin-Vin+V-U3AD0AD1IO1IO21234INA118MSP430FG4618

图7 过流保护

R1U11234RGVin-Vin+V-INA118RGV+VoRef1K8765无无无无无无无S1Vcc(7V)VCC(5V)SW-PBS2SW-PBS4R2U312341KRGVin-Vin+V-INA118RGV+VoRef87651234U2AD0AD1IO1IO2MSP430IO3IO4IO5IO65678SW-PB2Vin1C310uF236NCPwPdNCGNDEN5ENA7VINBOOTPHVSNS184C10.01uFL145uHD11N58221Rsense1C2220uFR10100KR112kS5SW-PBR91K23R1224KR131K7VCC(7V)U51, 5, 8OP3794

3. 系统框图和软件流程系统框图和软件流程 软件流程

A. 系统框图A. 系统框图

U6TPS5430Vin2ENC610uF75236VINENAPHNCPwPdNCGNDVSNS4BOOT18S6C40.01uF2L245uHD21N58221Rsense2C5220uFR17R162K9100KR1824KSW-PB

单单单单单单双双单双6单单单单U4TPS5430调调调调调调调通通调通SW-PBS3R31KR41KR51KR61KVout1VOUTVout2

B. 软件流程B. 软件流程

开始 是否有键按下 否 采集各路电流 是 进行按键处理， 调节过流保护点 显示各路电流、 环境温度、时间 否 判断是否过流 是切断电路，发出报警信号 延时5秒，导通电 路，停止发出报警信号 结束

三、 所使用TI模拟器件简介

1. TPS5430 1. TPS5430

这是一款性能优秀的开关电源芯片，它总共有9个引脚，有两个引脚为无效引脚。最大输出电流可达4A。其输入电压范围大：5.5V-36V；输出电压可调，最低1.22V。其内部使用MOSFET做开关管，导通电阻小，上升、下降时间短，高频特性好，损耗极小，电源效率高达95%。开关频率为固定的500kHZ，适合小型化的电源设备。负载调整率低于0.1%,纹波低于30mV。通过接入电压负反馈，可使输出电压稳定。同时它具有使能端ENA，可以用来做过流保护。TPS5430使用起来极为方便。典型电路见它的PDF（可从TI官方网站上下载）。

小窍门：这款芯片稳定性高，外边接的电感对输出纹波，负载调整率有很大影响。要将电感绕制紧密，选用较粗的铜线，最好用铜皮，将电感稍绕大一点。是电路性能更好。

2. INA118 INA118

这是一款低功耗、精密仪表放大器。输入电压范围大。

小窍门：使用时将INA118电源电压设置高一点，才能够使它在5V左右的共模输入下工作。如果过于低，则不能工作。这一点很重要。鉴于输出电压5V，将电源电压设置为7.9V（TPS5430输入电压，容易获取）。

将所有的小信号地，如仪表放大器INA118、运算放大器OP37的地接到一点，再接回到输入7.9的地，因为的线上电流大。如果接在后面会使小信号地被抬高电压。

四、 MSP430使用 使用 1. 外设接口概况1. 外设接口概况，外设接口概况，硬件设计注意事项

MSP430的外部接口丰富，使用方便。硬件电路设计时一定要注意电平，MSP430输出该电位3.3V，悬空时为1.7V。MSP430内部资源丰富，内部集成有AD、DA、实时时钟以及比较器等模块。同时还可以利用内部AD模块来检测外部温度。 2.低功耗实现2.低功耗实现 低功耗实现

MSP430的最大优点是功耗低，当MSP430处于等待状态时，可以通过程序让MSP430处于关闭状态，当需要430工作时可以通过中断唤起MSP430，从而降低功耗。

3. 编程感想及软件设计注意事项3. 编程感想及软件设计注意事项

在程序设计时，一定要注意程序的条理性，同时由于程序量较大，所以在写程序时应多加注释，以便出现问题时进行检查。 五、 作品达到的性能指标。作品达到的性能指标。

1. 测试方法1. 测试方法 测试方法

功 率 变 换 Ａ V 220V/50Hz DC/DC 转 换 V Ａ 负载 效率测试框图

2. 测试仪器2. 测试仪器 测试仪器

整个测试用到的仪器有：Error! Reference source not found.TDS 1012B型双踪示波器，Error! Reference source not found.UT56 MULTIMETER型四位半万用表，Error! Reference source not found.BX7-14型滑式变阻器。

3.测试性能概览3.测试性能概览

（1） 负载调整率测试。负载调整率测试。如表1

表1 负载调整率

单路 单路I=0.1A时输出电单路I=1A时输出电负载调整率

压（V） 压（V）

1路 Vout=5.054 Vout=5.051 0.06% 2路 Vout=5.054 Vout=5.052 0.04%

双路并联 Vout=5.054 Vout=5.052 0.04% （2）纹波测试。纹波测试。调节变阻器，使电路达到满载，用示波器测得1路和2路纹波分别9mV、7mV、并联时纹波为14mV。

（3）单路效率测试。单路效率测试。如表2（电表为四位半万用表）

表2 电路效率

单路/双路 输入电压输入电流 输出电压输出电流效率

（V） （A） （V） （A）

1路 7.921 0.578 5.051 0.820 90.47% 2路 两路并联

7.1 7.902

0.580 1.173

5.054 5.053

0.822 1.652

90.56% 90.06%

表3 均流测试 1路电流2路电流电流差

（4）两路并联使用均流测试。两路并联使用均流测试。如表3，测I1(mA) I2(mA) D 量时在各路输出端串联同一型号电流表，调节104 102 1.94% 滑式变阻器，得到11组数据。 207 204 1.45%

注：D=2︱I1-I2︱／( I1+I2 )×100%

303 302 0.33%

402 403 0.24%

508 511 0.58%

609 612 0.49%

（5）过流保护测试。过流保护测试。调节单路负载，当

711 715 0.56%

电流达1.23A时，电路自动被切断，并且通过

815 817 0.24%

无线电发射装置发出报警信号；当电流减小后

908 910 0.22%

电路自动恢复正常工作，并停止发射报警信

1017 1020 0.27% 号。

4. 结果及误差分析4. 结果及误差分析

（1） 实测的纹波比公式（4）求得的结果大点，这可能是测量时示波器的表笔和电路形成了环路，从而会受到电感发出电磁波的影响。

（2） 续流二极管（肖特基）正向压降0.4V,流过的平均电流约为输出电流一半0.42A，损耗为0.168W,占输出功率的4%。

（3） 由于电路中两采样电阻不可能完全一样、所以两路的电流不可能被调制的完全相等。特别是小电流时，由于电流较小，所以器件造成的相对误差较大。

（4） 仪表放大器放大倍数不可能完全相同、而且存在一定的输入失调电压，使得输出电流不可能完全相同。下面对仪表放大器输入失调电压差异进行分析。仪表放大器存在输入失调电压，具有较大离散型，再由其供给下一级运算放大器两输入端时，就会造成较大电流误差。例如，INA118P的输入失调电压典型值为(+25+100/G)uV，放大倍数为51，OP37的放大倍数为1000000.假设其中一个INA118P的输入失调电压为25uV，另一个为-25uV，则即使两个采样电阻两端电压一样，OP37输出为:

[25−(−25)]×10−6×106V=50V。

当然这是不可能的，输出电压为OP37电源电压7.8V，从而调节使得两路电源输出电流不相等。当然这只是极端条件，两个INA118P的输入时调电压相差没有那么大，但这足以说明两个运算放大器的输入时调电压不同对电路的影响。

（5） 当然OP37的输入失调电压也会对均流效果造成影响。

5. 进一步改进5. 进一步改进

A. 使用压降更小的二极管，效率还可以提高； B. 使电感绕制工艺更好，效率也可以提高；

C. 减小采样电阻阻值上也可以提高效率，但这样会影响均流效果；

D. 使用输入失调电压更小的仪表放大器和运算放大器，并通过调整端接电阻（有的运放有调整端）；

E. 改进电路的走线，如使小信号的地接在同一个点，在接到公共地，地线使用更粗的线，均可以提高负载调整。改变走线的方式，避免形成地线回路，可以减小纹波。

六、 附录：附录：

作品照片