2014年陕西工科五校联赛
大学生电子设计竞赛
设计报告
参赛序号西邮02
参赛题目直流稳压电源的设计与实现参赛队员
指导教师
报告日期2014年6月7日
摘要
本模块设计并制作一个升压型直流开关稳压电源。
核心器件采用的是升压控制器TPS40210DGQ芯片和CSD18534KCS MOS场效应管。
该系统包括流开关稳压电源和负载模块的设计。
经过电路仿真和实物测试，本模块满足题目的基本要求。
关键字：TPS40210DGQ CSD18534KCS MOS场效应管开关稳压电源
Abstract
This design is a booster type dc switching power supply，of which are consisted a booster TPS40210DGQ controller chip and CSD18534KCS MOS field effect tube.The design is a system which include dc switching power supply and load module.By circuit simulation and circuit testing,this design meets the basic requirements of subject.
Keywords: TPS40210DGQ CSD18534KCS MOSFET
dc switching power supply
升压型直流开关稳压电源
1.系统方案
本系统主要由直流升压模块组成，下面分别论证该模块。
1.1升压模块的论证与选择
题目要求用升压控制器TPS40210DGQ 芯片和CSD18534KCS MOS 场效应管为核心器件，设计制作一个升压型直流开关稳压电源。
2.系统理论分析与计算
2.1 转换器的输出电流OUT I
芯片内部存在一个170mv 的基准电压，通过一个运算放大器保证5引脚的输出点位保持在170mv ，要保持VOUT 的9v 输出就会在R2和R1之间存在一个比例关系。
具体的求解过程如下：
2
2)
()(2)()(L
f V V V V V V I SW D OUT IN IN D OUT crit OUT ⨯⨯+⨯⨯-+=
（1）
公式（1）参数说明如下。
OUT
V 是V 转换器的输出电压
D V 是在v 穿过整流器或二极管向前传导电压降 IN
V 是转换器的输入电压 OUT
I 是转换器的输出电流
L 是电感量
SW
f 是转换频率
2.2降低纹波的方法
滤波电容的作用就是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压，去掉信号中的
毛刺。
其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中，使输出电压基本稳定。
在电源两端添加一个15uF 的电容可以有效滤除纹波。
2.3 DC-DC 变换方法
①稳态下保证直流输出电压稳态输出误差为零。
②具有低输出阻抗和低音频衰减率，瞬态响应良好。
③控制系统对电路参数的不确定性具有强的鲁棒性。
2.4 稳压控制方法
电压采集回路电路图1如下。
图1 电压采集回路电路图
要想实现稳压，必须通过一个电压采集和芯片内部的基准电压进行比较。
如图1所示，从V out接回的回路，通过R1的分压，在5引脚的电压是从内部基准电压一样的，实现Vout保持在9V。
2.5振荡频率的分析
TI内部的振荡电路工作原理如下图2所示。
图2 振荡电路工作原理图
如图2所示，通过上下两个运算放大器和一个D触发器实现,芯片内部有个150mv的基准电压，通过对两个运放的输出和D触发器来控制电容的充放电来达到振荡电路的效果。
通过对振荡电路的电器特性曲线图可以初步得到RC端口接的电容参数和电阻与振荡频率的关系，如下图3所示。
图3 振荡电路的电器特性曲线图
2.6 限流控制（过流保护）分析
如图4所示，在芯片内部中存在一个150mv的基准电压，从外部分压的进入7号引脚的电压超过150mv时就会输出一个高电平（OC Fault），导致soft Start and Overcurrent的失能，芯片停止工作。
这样可以起到保护电路的效果。
图4 芯片内部功能示意图
2.7 软延迟启动的分析
如图5所示，在第二引脚外添加一个电容，利用电容的放电延时实现软延迟启动。
图5 软延时启动引脚连接图3.电路与程序设计
3.1系统电路设计
系统电路连接图如下图6所示。
图6 系统电路接线图3.2主回路控制
主回路控制电路如下图7所示。
图7 主回路控制电路图
主回路通过一个电感和功率管，电感和功率管将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当MOS开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当MOS断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁砀能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，既升压过程的完成；
3.3 控制回路
图8 控制回路示意图
如上图8所示，由功率管3端口出来通过一个保护电阻进入TPS40210DGQ 芯片的7引脚来提供电流反馈控制回路和检测过流条件。
电流的最大值是150mv。
3.4 电压采集回路
电压采集回路电路图如下：
图9 电压采集回路示意图
要想实现稳压，必须通过一个电压采集和芯片内部的基准电压进行比较。
上图为从Vout接回的回路，通过R1的分压，在5引脚的电压是从内部基准电压一样的，实现Vout保持在9V。
4.测试方案与测试结果
4.1 测试仪器
一个直流稳压电源12V、万用表1个、示波器1个和电阻负载若干个。
4.2 测试方法
①测试噪声纹波电压峰-峰值、负载调整率以及过流保护功能
接入电源，在负载两端接万用表测电压，并将电流表与负载串联测电流。
在输入电压U1=6V，输出电压U2=9V的时候，观察输出纹波电压峰-峰值。
设置输出电压为U2=9V，改变负载值，观察负载调整率。
负载调整率：电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低。
相反负载减少，输出升高。
②测试系统效率
电流表串入整流桥输出端，且处于控制电源引出脚之前；电压表测整流桥输出端电压。
同时，在负载端接电压、电流表，测量输出功率。
输出功率除以输入功率就是DC-DC变换器的效率。
③通过调节变位器的大小，来调节输出直流电压，用万用表来显示其输出电压大小。
4.3数据测量以及数据分析
表1 数据测量及分析。