长春理工大学第八届电子设计大赛 之 开关电源（1）

电赛开关电源题技术报告

姜山 于策 万楚琦 

 一、 技术要求：

输入220V AC；

输出15~18V DC；

效率>70%；

Vpp<500mV；

Iout>1A；

过流保护：动作电流1.5A ±20%。

二、设计思路

First.

使用变压器，将市电转为18V AC，再经过整流桥后，转变为直流电。作为DC-DC转换器的输入。经过DC-DC转换器后，为输出。通过控制电位器，调节输出的电压。使用取样电阻，通过单片机，采集回路中的电流，并将此时的输出电压、电流显示到1602 LCD显示屏上，同时通过当前电流来控制芯片的使能，完成过流保护。

Second.

芯片选型：在德州仪器中国官方网站上，对集成开关的DC-DC转换器芯片进行选型，设置输入电压范围，输出电压范围，输出最大电流后。选取TPS5430。该芯片的输入电压范围5.5~36V，最大输出电流可达3A（峰值4A），具有使能功能。

The End.

将其设计实现

三、硬件部分的实现

1.输入端设计

设计中首先使用了功率为25W的变压器进行测试，经过3A整流桥后，通过示波器观察，此时的电压并不稳定，显示为多个正弦叠加的状态，通过电容的储能作用，使其电压稳定。电容应选择较大容值，并且多个电容并联，以达到增大容值，减小电容等效电阻的目的，设计中选择了耐压合适的铝电解质电容。再次通过示波器观察后，输出电压已经相对稳定，电压为26.5V。可以作为DC-DC转换器的输入端。电路图如图1所示

图1 输入端电路图

2.DC-DC转换器的设计

TPS5430的应用电路图如图2所示：图2 TPS5430 电路原理图

2.1输入电容的选择

根据TPS5430数据手册中的资料进行设计。首先对输入电容进行选取，输入电容的作用为去耦，使输入更稳定，数据手册中推荐使用10uF的陶瓷电容，设计中使用一个10uF和一个0.1uF的陶瓷电容并联。

2.2 电感的选择

电感的最小值，通过公式（1）给出： L_min=(V_(out（max）)×（V_IN（max） -V_OUT）)/(V_(IN（max）)×K_ind×I_out×F_sw )    （1）

 

其中：Vout（max）为设计要求18V，Vin（max）为实测27V，Vout为输出上下限的平均值17.5V，Kind为电感的一个系数，取0.2~0.3，计算中带入0.2.Iout为输出电流，取1.5A，Fsw为器件的开关频率，500kHz。

经过计算，Lmin的值为：42.22uH选取最接近的电感值，使用47uH的电感。

2.3输出电容的选择

输出电容的确定通过公式2给出：C_out=1/(3357×L_out×f_CO×V_out )    (2)

 

其中fco为闭环交叉频率，这里取18kHz,Lout为电感的值，Vout为输出电压。

经过计算，Cout的理论值为20.12uF

2.4 二极管的选择

.        二极管的最大反向电压必须大于PH引脚上的最大电压，二极管能承受的峰值电流必须大于最大输出电流。设计中使用B340A，该二极管反向电压为40V，正向电流为3A，压降0.5V。

2.5 输出纹波的计算

输出纹波的计算通过公式3给出：V_pp（max） =(〖ESR〗_max×V_out×（V_in（max） -V_out）)/(N_C×V_(IN(MAX))×L_OUT×F_SW )    (3)

其中Vpp为输出纹波，Nc为并联电容的数量， Fsw为开关频率。

通过公式（3）可以看出，并联电容的数量将会减小输出的纹波，设计中使用5个固态电解质电容作为输出电容，根据电容的数据手可知，ESR为45mohm。

通过计算，得出纹波的理论值为2.35uV。但是实际无法达到该值。

2.6 输出电压的确定

输出电压由芯片上的Vsense引脚的电压决定，该引脚连接一个从输出端到地的分压器，通过内部的误差放大和反馈来控制输出的电压，如图3所示。

图3 Vsense引脚控制输出原理图

分压器电阻的选择由公式4给出：R_2=(R_1×V_REF)/(V_OUT-V_REF )     (4)

其中Vref为芯片内部的参考电压，根据数据手册，得知该电压为1.221V。

我们设R1的阻值为10k通过计算，得出在输出为15V的情况下，R2的阻值应为886.131 ohm，在输出为18V的情况下，R2的阻值应为727.695 ohm，故使用一个1K的电位器来调节输出的电压。

2.7  PCB设计

PCB的设计应注意以下几点：

• 输入的电容应靠近芯片；
• TPS5430使用PowerPAD封装，芯片底部具有散热焊盘，温度会影响该芯片的工作，所以要尽量扩大散热面积；
• 电感和二极管应尽量靠近芯片；
• PH引脚，电感，输出电容和地之间的环路越小越好；
• Vsense引脚上的走线应在输出电容下，或在另一层。

PCB的顶层和底层如图4，图5所示：

图4 PCB Top Layer

图5 PCB Bottom Layer

3. 输出电压和电流的测量

输出端的电压和电流，使用由两个分压器和一个取样电阻来实现，原理图见图6：

图6 电压、电流的测量原理图

4.单片机及1602LCD的供电

4.1 1602LCD供电

         1602LCD的供电电压为5V，同样使用TPS5430，通过文中上述的设计，更改R2为3.24k，电感为15uH，输出电容为220uF，使输出为5V。

4.2 单片机最小系统的供电

单片机最小系统使用3.3V供电，使用LM1117-3.3将5V降压为3.3V为单片机供电。

上述部分的原理图如图7所示

图7单片机的供电

四、软件部分的实现

   程控主要实现电源电压和电流的采集和显示，以及在过流的情况下控制TPS5430的关断。该设计采用K60单片机作为控制单元，K60内部集成16位AD转换器。采样电阻的采样点电路如图6所示。单片机通过AD转换器将采样电阻前、后的并联电阻的R1和R4的电压转换数字信，后由计算转换为电压值U1，U2。由于分压电路中的电流很小，采样电阻前后的电压U1,U2与U1，U2近似存在如下线性关系：

U1=k1×U1,U2=k2×U2

式中k1=(R1+R2)/R2，k2=(R3+R4)/R4，由于系统存在误差，该理论值与实际值存在差异，所以需要通过标定来确定k1，k2的大小。电路中的电流I=(U1-U2)/R0。如果单片机计算出的电流值超过Imax，立即给出一个低电平型号给TPS5430的使能脚，芯片停止工作，达到过流保护的功能。同时，单片机给蜂鸣器发出信号，使蜂鸣器报警，1602屏显示“ERROR!”,提醒使用者过流。如果电流值小于Imax，则单片机给使能脚高电平信号，芯片正常工作，1602屏显示电流值和电压值。

 

参考文献：

 

Taxes Instruments TPS5430 data sheet

Taxes Instruments TPS5430 user’s guide

Sanyo SPV data sheet

 

附件1：元件清单

55W 220V-18V ACAC 变压器*1

3A整流桥*1

1000uF 35V 铝电解质电容*2

220uF 35V 铝电解质电容*2

47uF 50V 铝电解质电容*1

0.47uF 安规电容 *1

0.33uF 安规电容*1

TPS5430 DC-DC转换器 *2

LM1117-3.3 *1

10uF 25V 钽电容*1

100uF 16V 钽电容*1

10uF 陶瓷电容 X7R *2

0.1uF 陶瓷电容 X7R *2

0.01uF 陶瓷电容 X5R *2

1K 电位器 *1

10K 0.1% 精密电阻 *2

3.24K 电阻 *1

B340A 肖特基二极管*2

15uH 功率电感 *1

47uH 功率电感 *1

K60单片机最小系统板 *1

1.2R 5W 水泥电阻 *1

47uF 25V 固态电解质电容 *5

1602 LCD 屏幕 *1

排针 若干

杜邦线 若干

THE END，希望大家，能从中有所收获。

附：技术要求

基本要求

（1）输出电压 U 可调范围：15V～18V。

（2）最大输出电流 I：1A。

（3）输出噪声纹波电压峰-峰值 U ≤0.5V（U =18V,I =1A）

（4）DC-DC 变换器的效率 ≥70%（U =18V,I =1A）

（5）具有过流保护功能，动作电流 I=1.5±0.2A。