王軍 季春華 徐元平

【摘要】本設(shè)計(jì)采用TI公司超低功耗單片機(jī)MSP430F5529A作為系統(tǒng)主控芯片，以TI公司Boost型升壓電源芯片TPS61040為主要電源芯片。本設(shè)計(jì)利用MSP430內(nèi)部的PWM發(fā)生器產(chǎn)生PWM信號(hào)，將其接入的電源芯片的使能端，通過控制該P(yáng)WM信號(hào)的占空比來控制一定周期內(nèi)電源電路工作的時(shí)間，使LED負(fù)載兩端的平均電壓按預(yù)定規(guī)律變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為負(fù)載電流的變化。通過大量測(cè)試得到各工作電流下對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)占空比信息，存儲(chǔ)到單片機(jī)中供程序調(diào)用以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的穩(wěn)定控制。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，本設(shè)計(jì)工作穩(wěn)定，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，達(dá)到了預(yù)期效果。

【關(guān)鍵詞】MSP430;PWM信號(hào);占空比

1.系統(tǒng)方案論證與分析

1.1 系統(tǒng)控制方式選擇

方案一：精密開環(huán)控制。首先通過大量實(shí)驗(yàn)，建立起LED負(fù)載電流和PWM占空比之間的映射關(guān)系，作為已知知識(shí)存儲(chǔ)到程序中供查詢。當(dāng)需要某一指定大小的電流時(shí)，即查表確定相應(yīng)的PWM占空比參數(shù)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，代碼量較小。缺點(diǎn)是精度有限，對(duì)系統(tǒng)各元件的參數(shù)敏感性較高。

方案二：閉環(huán)控制。通過傳感器等采集LED負(fù)載回路的電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的電壓，將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與預(yù)設(shè)值（數(shù)字量）相比較，利用該偏差調(diào)整PWM占空比參數(shù)，使其按指定規(guī)律變化，進(jìn)而控制負(fù)載電流向使偏差值減小的方向調(diào)整，直至進(jìn)入誤差允許范圍，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。此方案的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，對(duì)閉環(huán)內(nèi)各種干擾均有較強(qiáng)的抑制能力。缺點(diǎn)是需要額外的反饋回路及其它器件，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及程序均較復(fù)雜，穩(wěn)定性下降。

結(jié)論：考慮下述原因，本設(shè)計(jì)選擇方案一。

由于不提供大電容及大電感，根據(jù)電路實(shí)測(cè)，Boost型升壓芯片TPS61040的輸出電壓無法較好地穩(wěn)定，且輸出電流無法保持較好的連續(xù)性。這給傳感器采樣帶來較大困難，從而A/D轉(zhuǎn)換過程無法完成，閉環(huán)也就無法實(shí)現(xiàn)。而開環(huán)系統(tǒng)則相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)指標(biāo)要求，需要測(cè)試的數(shù)據(jù)量很少，實(shí)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到要求。因此，選擇方案一。

1.2 電容供電模式下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方案一：該方案是指只用一片TPS61040為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，包括五顆白光LED、MSP430單片機(jī)、顯示模塊等。由于TPS61040的輸入電壓低至1.8V，所以當(dāng)斷電后電容電壓可以跌到1.8V單片機(jī)仍然能夠獲得足夠的工作電壓。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于只用一片芯片，可以在較低的輸入電壓工作。缺點(diǎn)是輸入電壓不是最低的，輸出電壓的范圍太寬。

方案二：直接PWM調(diào)制。直接利用該電路本身高效率的特點(diǎn)，不在加入其他電源管理的條件下，讓電容放電，通過選擇合適的起始電流，配合PWM調(diào)制可以達(dá)到比較理想的效果。此方案優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單易行。缺點(diǎn)是可能不會(huì)達(dá)到最高的效率。

結(jié)論：考慮以下因素，本設(shè)計(jì)選擇方案二。

對(duì)第一種方案測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)：五顆LED的供電電壓遠(yuǎn)高于單片機(jī)的工作電壓，導(dǎo)致必須加入降壓穩(wěn)壓拓?fù)洌豢尚小?/p>

由于高效的二級(jí)電源管理模塊設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，需要計(jì)算的參數(shù)較多，很難簡(jiǎn)單地得出最高效的方案。而該電路本身在輸入電壓為3.3V時(shí)效率高達(dá)85%，在輸入電壓2.4V時(shí)效率仍可達(dá)到77%-82%，即在無其他電源管理電路時(shí)，該電路效率已經(jīng)是較高水平。因此，選擇方案二。

2.理論分析與計(jì)算

2.1 負(fù)載電壓范圍

單個(gè)白光LED的導(dǎo)通壓降約為2.5V，欲驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的5個(gè)白光LED需要至少12.5V的電壓，加上肖特基二極管的結(jié)壓降，所設(shè)計(jì)的電路輸出電壓需高于12.7V。

2.2 限流電阻的選擇

為方便測(cè)試、簡(jiǎn)化計(jì)算，與LED串聯(lián)的電阻選100歐姆，該電阻上的電壓除以100歐姆即可得出此時(shí)流過LED的電流，既滿足設(shè)計(jì)要求，又可方便地監(jiān)視電流。

3.系統(tǒng)硬件及程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3-1-1所示，主要包括MSP430主控制器和TPS61040升壓主電路兩部分。

圖3-1-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

如圖所示，正常工作模式下，LED負(fù)載由直流穩(wěn)壓電源（設(shè)定為3.3V）供電，利用MSP430內(nèi)部的PWM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率可調(diào)占空比的PWM信號(hào)，作用于升壓芯片使其輸出電壓達(dá)到預(yù)定值，從而使負(fù)載電流達(dá)到要求值。由理論計(jì)算可知，LED燈串負(fù)載所需導(dǎo)通壓降需在12.5V以上，因此升壓電路為必須的電路部分，是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分。

3.2 系統(tǒng)升壓主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)升壓主電路如圖3-2-1所示，主要功能芯片為TI公司生產(chǎn)的Boost型升壓電路芯片TPS61040。

圖3-2-1 TPS61040升壓主電路圖

如圖所示，DC-DC芯片的使能端EN接MSP430的P2.4引腳，該引腳輸出的是固定頻率（100～500Hz）可調(diào)占空比的方波，通過控制該方波的占空比即可控制DC-DC芯片的輸出電壓，進(jìn)而控制流經(jīng)LED的電流。通過精確控制PWM信號(hào)的占空比即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的開環(huán)恒定控制。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖3-3-1所示。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)執(zhí)行初始化函數(shù)，初始化lcd、按鍵、led等外圍設(shè)備，然后在lcd上顯示歡迎界面;利用定時(shí)器產(chǎn)生250Hz的PWM，調(diào)節(jié)其占空比使I=1mA;然后程序進(jìn)入主循環(huán)，檢測(cè)按鍵：若按鍵s1被按下，則依次將I_set遞增3mA（I_set代表設(shè)定電流值），并在lcd上顯示，同時(shí)調(diào)節(jié)PWM占空比，使電流達(dá)到I_set，繼續(xù)循環(huán)。

圖3-3-1 系統(tǒng)軟件流程圖

4.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試儀器

測(cè)試中用到的儀器儀表主要包括萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器以及信號(hào)發(fā)生器，具體信息見表4-1-1。

表4-1-1 測(cè)試中用到的儀器儀表信息

4.2 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

（1）恒流模式下的精度測(cè)試

根據(jù)要求，系統(tǒng)需要工作在一系列恒流值下，通過調(diào)整對(duì)應(yīng)電流下的PWM信號(hào)的占空比，即可使輸出電流達(dá)到所需精度。部分測(cè)試結(jié)果如表4-2-1所示。

表4-2-1 恒流模式下的精度測(cè)試結(jié)果

如上表所示，設(shè)定值與測(cè)量值間的絕對(duì)誤差均遠(yuǎn)小于要求的0.2mA，完全達(dá)到目標(biāo)要求。

（2）步進(jìn)模式下的精度測(cè)試

根據(jù)要求，系統(tǒng)需要以至多3mA的步距步進(jìn)設(shè)定負(fù)載電流值，并能循環(huán)設(shè)定電流值。本設(shè)計(jì)通過按鍵來控制電流的步進(jìn)，測(cè)試結(jié)果如表4-2-2所示。

表4-2-2 步進(jìn)模式下的精度測(cè)試結(jié)果

表4-2-3 電容供電系統(tǒng)工作時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由表4-2-2可知，步進(jìn)模式下連續(xù)測(cè)量各電流值穩(wěn)定情況，發(fā)現(xiàn)其誤差仍在允許范圍內(nèi)，達(dá)到目標(biāo)要求。

（3）電容供電模式下系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間測(cè)試

根據(jù)要求，系統(tǒng)需在僅由電容供電情況下使LED工作在0.5mA以上的時(shí)間盡量延長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)采用電容自然放電方式，?。ㄏ罗D(zhuǎn)第181頁）（上接第179頁）當(dāng)選擇初始電流，加以PWM調(diào)制，使LED電流保持在稍高于0.5mA的值，直至放電結(jié)束。沒有加其它元件以節(jié)約電能，藉此增加LED工作時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如表4-2-3所示。

由表4-2-3可知，系統(tǒng)工作時(shí)間和初始電流有一定關(guān)系，通過調(diào)試可以得到最佳的初始電流。

5.遇到的問題及解決辦法

閉環(huán)A/D采樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)采樣電阻上的電壓不穩(wěn)定，采樣值跳躍。原因是PWM頻率較低，且電源芯片輸出端沒有加電感和電容進(jìn)行濾波，導(dǎo)致電流不連續(xù)、電壓不平穩(wěn)。受限于時(shí)間，經(jīng)過計(jì)算及分析，決定將系統(tǒng)改為開環(huán)控制，在保證精度的前提下盡量提高系統(tǒng)性能，使其達(dá)到盡可能多的指標(biāo)。

6.總結(jié)

本系統(tǒng)以MSP430為主控制器，利用其內(nèi)部PWM發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制升壓電路的輸出電壓，從而達(dá)到對(duì)負(fù)載電流的控制。系統(tǒng)采用了較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的開環(huán)控制算法，利用大量測(cè)量值建立起來的占空比-負(fù)載電流關(guān)系曲線來確定各電流值下的PWM占空比參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的恒定控制。

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作者簡(jiǎn)介：王軍（1979—），男，江蘇寶應(yīng)人，大學(xué)?？?，助理工程師，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)的應(yīng)用及移動(dòng)通訊技術(shù)研究。