司朝良，鐘凌惠

(山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357)

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基于TPS54340的多功能數(shù)控電源

司朝良，鐘凌惠

(山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于DC/DC轉(zhuǎn)換器的多功能數(shù)控直流電源，將12～30 V的輸入波動(dòng)電壓變換為3．3～10 V的穩(wěn)定電壓輸出，并通過(guò)電流串聯(lián)反饋實(shí)現(xiàn)恒流，使該電源具備穩(wěn)壓源和恒流源功能；單片機(jī)作為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，通過(guò)2片12位高精度D/A轉(zhuǎn)換器分別控制穩(wěn)壓源和恒流源的輸出，并可由鍵盤(pán)設(shè)定輸出數(shù)值，還能步進(jìn)調(diào)節(jié)。該電源輸出穩(wěn)定、紋波小、效率高，可作為中間級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換電源或特種電源使用，有較高的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)控電源；恒流源；穩(wěn)壓源；單片機(jī)；直流/直流轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

0 引言

傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源通常只具備穩(wěn)壓功能而沒(méi)有恒流源功能，并且穩(wěn)壓電源大多采用電位器連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓，不能步進(jìn)調(diào)節(jié)，也無(wú)法預(yù)置輸出大小[1]?，F(xiàn)有的獨(dú)立恒流源多為線性電源，其輸出電流通常由電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，精度較差，無(wú)法步進(jìn)調(diào)節(jié)和預(yù)置。

本文突破傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路設(shè)計(jì)思想，以TPS54340為功能核心，在輸出電壓采樣點(diǎn)與芯片反饋輸入端之間引入PI調(diào)節(jié)器，使電壓調(diào)節(jié)環(huán)路由電壓并聯(lián)負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)殡娏鞔?lián)負(fù)反饋，在單片機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓源和恒流源二合一功能的直流電源，并通過(guò)高精度串行D/A轉(zhuǎn)換器程控改變PI調(diào)節(jié)器的參考電壓，實(shí)現(xiàn)輸出電壓/電流的高精度步進(jìn)調(diào)節(jié)。該電源效率高，輸出紋波較小。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)組成

本數(shù)控電源由單片機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器、過(guò)壓保護(hù)、穩(wěn)壓源采樣與調(diào)節(jié)、恒流源采樣與調(diào)節(jié)、鍵盤(pán)和顯示器等部分電路組成[2]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多功能數(shù)控電源系統(tǒng)框圖

實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓范圍為12～30 V；穩(wěn)壓源輸出電壓為3．3～10 V；恒流源輸出電流為15 mA～1．5 A；穩(wěn)壓源電壓分辨率5 mV；恒流源電流分辨率10 mA；穩(wěn)壓源紋波電壓<10 mV；恒流源紋波電流<10 mA。

1．2 電路工作原理

DC/DC轉(zhuǎn)換器把波動(dòng)范圍12～30 V的輸入電壓變換為3．3～10 V的電壓。單片機(jī)接收鍵盤(pán)預(yù)置的功能和數(shù)據(jù)信息，控制數(shù)控電源工作在穩(wěn)壓源還是恒流源狀態(tài)，預(yù)置數(shù)據(jù)送去LCD顯示，還經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送到PI調(diào)節(jié)器反相輸入端，TPS54340的輸出電壓經(jīng)采樣后送到PI調(diào)節(jié)器的同相輸入端，經(jīng)比較放大后，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓反饋到TPS54340的FB端，與TPS54340片內(nèi)基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以穩(wěn)定輸出電壓。工作在恒流源狀態(tài)時(shí)，與負(fù)載電阻串聯(lián)的取樣電阻會(huì)將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，與預(yù)置的電流數(shù)據(jù)相減、放大后反饋至TPS54340的FB端，實(shí)現(xiàn)電流的恒定輸出。

輸出電壓經(jīng)過(guò)采樣、緩沖后，送至單片機(jī)P1．0引腳，經(jīng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換，監(jiān)視輸出電壓是否過(guò)高，一旦出現(xiàn)過(guò)壓，單片機(jī)P2．0引腳輸出低電平信號(hào)至TPS54340的EN端，使TPS54340停止工作，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 硬件電路與參數(shù)計(jì)算

2．1．1 DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

DC/DC轉(zhuǎn)換器選用降壓型芯片TPS54340，其內(nèi)部集成有MOSFET，只需要少量外圍元器件就可以構(gòu)成固定電壓輸出的高穩(wěn)定度電源[3]。

圖2為設(shè)計(jì)的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路。傳統(tǒng)用法是將FB直接與電源輸出端Vo的取樣點(diǎn)(即圖2中的A點(diǎn))相連，構(gòu)成反饋環(huán)路，此時(shí)的反饋類(lèi)型是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。輸出電壓的波動(dòng)反饋到FB端，由TPS54340內(nèi)部調(diào)節(jié)，以輸出穩(wěn)定的固定電壓。

圖2 DC/DC轉(zhuǎn)換器電路原理圖

通過(guò)改進(jìn)，將電源輸出端的電壓取樣點(diǎn)A點(diǎn)至FB的連接打開(kāi)，在A點(diǎn)和FB之間引入減法形式輸入的PI調(diào)節(jié)器(見(jiàn)圖3)，把輸出電壓的取樣值與單片機(jī)送來(lái)的設(shè)定電壓進(jìn)行比較、放大，得到誤差電壓信號(hào)，送到FB端，控制電源的輸出電壓使其穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)電壓的預(yù)置與步進(jìn)調(diào)節(jié)。此時(shí)，反饋類(lèi)型變?yōu)殡娏鞔?lián)負(fù)反饋[4]

圖3 穩(wěn)壓源PI調(diào)節(jié)電路原理圖

TPS54340內(nèi)部包含斜率補(bǔ)償電路，調(diào)整采用峰值電流控制模式，用于阻止當(dāng)PWM脈沖占空比所大于50%時(shí)可能引起的次諧波振蕩；且片內(nèi)誤差放大器為跨導(dǎo)型放大器，使得環(huán)路補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單，環(huán)路響應(yīng)更快[5]。但補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇必須嚴(yán)謹(jǐn)。

2.1.1.1 開(kāi)關(guān)頻率的確定

TPS54340的最高工作頻率由式(1)決定：

(1)

式中：Io為電壓源輸出電流最大值；RDC為儲(chǔ)能電感的電阻；Vimax是最高輸入電壓；Vd為續(xù)流二極管的正向壓降；RDS(on)為片內(nèi)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻，典型值是92 mΩ。

由式(1)，Vo和Io最小時(shí)，TPS54340的可用最高工作頻率最低。將設(shè)計(jì)參數(shù)RDC=120 mΩ、Vd=0．7 V、Iomin=0．015 A等代入式(1)，可得f≈965 kHz。

為保留一定余量，實(shí)際選取工作頻率為816 kHz。R1的阻值則按式(2)計(jì)算：

(2)

2.1.1.2 儲(chǔ)能電感與續(xù)流二極管的選擇

輸出儲(chǔ)能電感量的最小值按式(3)計(jì)算：

(3)

式中K為輸出電流紋波比，取0．2～0．3。

考慮最嚴(yán)重的情況，L大約為27 μH。實(shí)際選用33 μH貼片功率電感，其直流電阻值約為120 mΩ，最大工作電流2．4 A。

續(xù)流二極管D1選用反向耐壓60 V的肖特基二極管B560C，其5 A時(shí)的壓降為0．7 V。

2.1.1.3 濾波電容的選擇

輸出濾波電容C4影響系統(tǒng)傳輸函數(shù)的極點(diǎn)，其最小值的選擇與紋波電流IR有關(guān)。IR由式(4)決定：

(4)

C4的最小取值應(yīng)滿足式(5)的要求。

(5)

式中ΔVo為在電流變化范圍內(nèi)的允許電壓誤差。

設(shè)計(jì)中，要求電壓誤差為0．5%。C4實(shí)際選用220 μF/25 V的鋁電解電容，其等效串聯(lián)電阻RESR約為18 mΩ。

2.1.1.4 補(bǔ)償電路及其參數(shù)選取

TPS54340的COMP端所接元件R2、C5、C6用于改善頻率響應(yīng)特性，減少輸出電壓紋波，按照式(6)～式(11)取值。實(shí)際選取時(shí)，考慮輸出電壓Vo=10 V的最嚴(yán)苛情況。

極點(diǎn)頻率為

(6)

零點(diǎn)頻率為

(7)

則穿越頻率為：

(8)

(9)

式中：gmps和gmea分別是TPS54340片內(nèi)功率輸出級(jí)跨導(dǎo)和誤差放大器跨導(dǎo)，數(shù)值分別為12 A/V和350 μA/V；VREF為誤差放大器基準(zhǔn)電壓，VREF=0．8 V。

(10)

(11)

R2、C5、C6實(shí)際取值分別為9．1 kΩ、0．22 μF、47 pf。

2．1．2 PI調(diào)節(jié)器電路

本穩(wěn)壓源和恒流源分別采用了結(jié)構(gòu)相同的2個(gè)PI調(diào)節(jié)器，用于確保電壓、電流調(diào)節(jié)的精度。

圖3為穩(wěn)壓源的PI調(diào)節(jié)器。為保證環(huán)路的穩(wěn)定性，R7、R8分別選取為10 kΩ和5．1 kΩ，滿足(R8/R7)<1的條件；同時(shí)考慮響應(yīng)時(shí)間不要太長(zhǎng)，C8選擇0．1 μF。單片機(jī)設(shè)定的輸出電壓值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后從ADJ-U端送入LMV358的反相端。

穩(wěn)壓源輸出電壓Vo與VADJ-U的關(guān)系為

(12)

圖4為恒流源的誤差信號(hào)處理電路，IC3-1將取樣電阻R12的電流轉(zhuǎn)換為電壓并進(jìn)行放大；IC3-2構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器。恒流源輸出電流I與單片機(jī)設(shè)定值電壓VADJ-I之間的關(guān)系為

(13)

IC2和IC3選用軌到軌的低電壓雙運(yùn)放LMV358，使得極小的直流電壓變動(dòng)都可以被檢測(cè)、放大，從而確保輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。

圖4 恒流源誤差信號(hào)處理電路原理圖

2．1．3 單片機(jī)及外圍電路

STC15F2K60S2是51內(nèi)核的單片機(jī)，內(nèi)含8通道10位A/D和2 K字節(jié)的SRAM，并可在線編程。圖5是單片機(jī)的主要外圍電路連接圖。

圖5 單片機(jī)電路

單片機(jī)P1．1腳控制繼電器J1接點(diǎn)吸合與斷開(kāi)，分別實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓源和恒流源功能。

12位的串行D/A轉(zhuǎn)換器AD8320通過(guò)SPI接口與單片機(jī)連接，其輸出電壓為[6]

(14)

式中D為單片機(jī)送入的二進(jìn)制序列所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。

理論上，D/A輸出電壓的步進(jìn)量為1 mV。根據(jù)式(12)和式(13)，穩(wěn)壓源輸出電壓和恒流源輸出電流的分辨率分別為0．5 mV、2 mA。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括功能控制、電壓/電流數(shù)值的計(jì)算與送數(shù)、LCD顯示等，編程采用C語(yǔ)言。

穩(wěn)壓源狀態(tài)，P1．1輸出高電平，繼電器J1吸合；恒流源狀態(tài)，P1．1輸出低電平，J1斷開(kāi)。電壓/電流數(shù)值的設(shè)置由鍵盤(pán)輸入，單片機(jī)根據(jù)式(12)和式(14)算出對(duì)應(yīng)的電壓二進(jìn)制數(shù)，由SPI接口送往IC4?；蛘吒鶕?jù)式(13)和式(14)算出對(duì)應(yīng)的電流二進(jìn)制數(shù)，由SPI接口送往IC5。

鍵盤(pán)每次按下，單片機(jī)P1．0即采樣輸入電壓，一旦超過(guò)設(shè)定值，P2．0變?yōu)榈碗娖?，使TPS54340停止工作。

3 測(cè)試結(jié)果

輸入電壓由YB1731A型直流電源提供，測(cè)試儀器使用UT39E型4位半數(shù)字萬(wàn)用表和YB2172B型交流毫伏表。測(cè)試恒流源時(shí)，將負(fù)載電阻RL連接在輸出端子Vo和接線柱C之間。輸出性能測(cè)試時(shí)，負(fù)載電阻選取10 Ω；負(fù)載性能測(cè)試時(shí)，輸入電壓為15 V。電壓源和電流源的效率為間接測(cè)量結(jié)果，分別按式(15)、式(16)計(jì)算得到：

(15)

(16)

電壓源、電流源性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1～表4。

表1 電壓源輸出性能測(cè)試

表2 電壓源負(fù)載性能測(cè)試

表3 電流源輸出性能測(cè)試

表4 電流源負(fù)載性能測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的多功能數(shù)控電源基于單片機(jī)和降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片TPS54340，具備穩(wěn)壓源和恒流源功能。通過(guò)嚴(yán)格設(shè)計(jì)TPS54340電路，并在反饋環(huán)路中引入PI調(diào)節(jié)器，借助于12位D/A轉(zhuǎn)換器的高分辨率，使得輸出電壓和電流精密可調(diào)，整機(jī)功能多、效率高、調(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定可靠，有較高的實(shí)用價(jià)值。但實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，紋波電壓、步進(jìn)幅度等指標(biāo)略低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，需進(jìn)一步改進(jìn)PCB板設(shè)計(jì)，并對(duì)D/A轉(zhuǎn)換部分加強(qiáng)濾波，以使性能得到提高。

[1] 黃天辰，賈嵩，余建華，等．高精度數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(6)：27-29．

[2] 張玉寶，曹會(huì)云，張濱．基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)．電測(cè)與儀表，2011(6)：75-78．

[3] Texas Instruments Incorporated．TPS543_datasheet．[EB/OL]．(2014-03-01) [2015-01-27]．http://www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink．

[4] 王秀華．基于開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的數(shù)控恒流源．電源技術(shù)，2012(5)：738-739．

[5] MANIKTALA S．精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)．王志強(qiáng)，譯．北京：人民郵電出版社，2008．

[6] Analog Devices,Inc．AD8320_datasheet．[EB/OL]．(2005-06-08)[2015-01-27]．http://www．a(chǎn)nalogcom/zh/digital-to-analog converters．

Multifunction Digital Power Supply Based on TPS54340

SI Chao-liang，ZHONG Ling-hui

(College of Information Science and Electrical Engineering,Shandong Jiaotong University,Jinan 250357,China)

A multifunctional digital DC power supply based on DC/DC converter was designed and realized．The instable input voltage range of 12 V to 30 V was converted to regulated output voltage from 3．3 V to 10 V．Constant current was realized with current-series feedback．The power supply has functions of constant current source and stabilized voltage source．As the core of digital control set,MCU controlled the values of output voltage and current through two high-precision DAC of 12 bits．The values of output can be set by the keyboard,and adjusted by stepping．The output voltage & current is stability,low ripple,and with high efficiency．It can be used as an intermediate-level DC/DC converter power supply or special power,with high practical value．

digital power supply;constant current source;stabilized voltage supply;MCU;DC/DC converter;DAC

2015-01-27 收修改稿日期:2015-02-28

TN86

A

1002-1841(2015)07-0035-03

司朝良(1968—)，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、電子測(cè)量技術(shù)與儀器。E-mail：77chl@163．com 鐘凌惠(1978—)，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)樾畔⑻幚?、電源技術(shù)。E-mail：zlhzhh@126．com