“TI”杯四川省电子设计竞赛直流均流电源参赛人：杨毓俊周华张仁辉“TI”杯四川省电子设计一等奖作品题目：直流均流电源崔红玲队员及年级：杨毓俊2006级周华2006级张仁辉2006级微电子与固体电子学院集成电路设计与集成系统摘要: 采用TI公司的DC/DC芯片TPS5430设计并制作了两路BUCK型均流电源，均流误差在1%以内，电源总效率可达93%，两路电源负载调整率均在0.1%以内，并且输出电压 4.5V～5.5V可调，具有过流保护功能，过流保护点可调。
整个电源系统还外加控制器MSP430作为附加功能的控制核心，可实现遥控定时开关机，显示电源工作状态。
效率TPS5430 MSP430 Abstract: TI's DC / DC chip design and production of the TPS5430 two-BUCK power supply are all in the flow of error less than 0.5%, power efficiency up to92% of the total, two power load regulation are less than 0.1%, and output voltage 4.5V-5.5V adjustable, with over-current protection features,adjustable over-current protection point. The entire power system controllerMSP430 plus additional features as the core of the control,enables remotecontrol switch from time to time, show the work of state power.KEY WORD : BUCK Current Error Efficiency TPS5430MSP430一.作品简介：仔细阅读和认真分析题目内容后，对题目要求完成的功能和技术指标归纳如下：1、输入电压为市电，须经功率变换部分将其转换为较为稳定的直流信号作为后端直流均流电源模块的输入。
2、题目具体参数要求如下：( a )、直流均流电源由两路构成，基本要求单路输出电压为5V，+10%范围可调。
( b )、负载调整率+0.5%Vo，单路功率5W。
( c )、过流保护点 1.2A~1.3A,故障解除后能自恢复。
( d )、并联自动均流，均流电流相差+5%。
( e )、电源总效率大于80%。
( f )、要求输出纹波小于100mV。
( g )、可外加其他功能。
3、设计必用两种以上TI器件。
综合考虑，因题目要求较高的效率，且对纹波要求不高，所以采用高效率的BUCK型开关电源作为均流电源的基本模块。
同时，为了提高电源应用的灵活性，我们决定外加遥控定时开关机功能。
二、作品实现：1. .设计方案论证：（1）. BUCK型电路实现方案论证与选择方案一：采用PWM控制芯片采用TI公司的脉宽调制控制器TL494CN作为BUCK型拓扑的PWM控制芯片。
TL494的最高工作频率300KHz，内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，方便做过流保护；但由于BUCK 型拓扑的MOS 管驱动需外加上管驱动芯片IR2110，而IR2110 会有0.2W 左右的功耗，对于仅5W 输出的电源来说，会消耗掉 4 个百分点的效率。
方案二：采用TPS5430采用TI公司的BUCK型DC/DC芯片TPS5430，其最大输出电流3A，内部集成驱动电路和1.221V基准源，固定工作频率500KHz。
用TPS5430可使电路结构简单化，系统的可靠性高，且高的工作频率减小了对电容和电感的要求，使系统小型化。
综合考虑，为了使系统有较高的效率和可靠性，我们选择方案二。
（2）.均流方案论证与选择方案一：下垂法（Droop）（a）、电路结构（b）、特性曲线图一、Droop法及特性曲线下垂法（又叫斜率法）是最简单的一种均流方法，电路结构如图一（a）。
其原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。
由图一（b）可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。
但此方法小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善；对本系统而言，我们希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法只适合应用在均流精度大于或等于10％的场合；很难达到5%的均流效果。
方案二：最大电流法（自动均流法）图二所示为最大电流法控制框图，最大电流均流技术由环外调整和母线自主配置相结合而成，不改变模块基本单元的内部结构，只需在电压环外面叠加一个均流环，各模块间接一条均流母线CSB。
因为二极管单向性，只有电流最大的模块才能与均流母线相连，该模块即为图二、最大电流法主模块。
其余为从模块，比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差异，通过误差放大器输出来补偿基准电压达到均流。
这种均流方法有专门的均流芯片，如TI 公司的UCC29002，系统可靠性较高。
但由于二极管总存在正向压降，因此主模块的均流会有误差；而且均流是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程，系统中主、从模块的身份不断交替，各模块输出电流存在低频振荡，降低了均流的稳定性。
方案三：主从均流法主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号。
图五为采用电压图三、主从均流法环内调整结构的主从均流法。
主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。
因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。
采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少，易于拓展为多路。
缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将瘫痪。
综合考虑对于本系统只有两路电源，而且又采用 DC/DC 芯片设计，系统不 确定因素少，所以可靠性很高，又主从均流法精度很高，设计简单，成本低，所 以我们采用方案三实现均流。
2.理论分析（1）功率变换电路的设计及参数计算：认真分析题目后，我们决定经工频变压器整流滤波后，做两路对称的DC/DC 电源给后级供电。
因题目要求输出电压为 5V ，又 BUCK 电路输入输出压差较小 时可获得较高效率，所以将供电电压定在 7V 左右。
采用 TI 公司的开关电源芯 片 TPS5430，其开关频率为 500KHz ，内部基准电压 1.221V ，最大输出电流 3A 。
功率变换的单路电路图如下：Ton 公式一： Vo= ×Vin Ton+Toff图四、功率变换原理图上面的功率变换的功率变换电路做完后，为了增加作品亮点，我们又决定采 用 AC/DC 作为我们的功率变换部分，并且我们也做出来了，但是，在作品测试 的时，我们的误操作使大功率开关管烧掉了，只好用上面那个功率变换电路测试。
为了体现我们的思维，我还是将设计过程论证如下。
AC/DC 变换的设计及理论计算如下：图五、功率变换电路原理图如图五所示 RCC 反激式 AC/DC 原理图，输入为 220V 市电，经 EMI 滤波、整 流桥整流后送入变压器初级。
图中用光耦和三极管 Q1，开关管 Q2 构成电压反馈，当输出电压有增大趋势时，光藕上流过的电流增大，使三极管Q1的基极电流增大，Q1导通，开关管Q2截止，输出电压降低，开关管Q2再次导通，反之，当输出电压降低时，过程相反。
因题目要求输出电压为5V，又BUCK电路输入输出压差较小时可获得较高效率，所以将功率变换输出定在7V左右，此电路采用TL431作为输出基准源。
高频变压器的设计要求为开关频率为20KHz，占空比D=0.5，输出电压7.7V，输出电流要求能够达到3A，整流管正向电压降为0.5V。
具体设计过程为: （1）.整流输入电压最小值：Vin（DC）=Vin×1.2=265V考虑一定裕量，取Vin（DC）=250V(2).变压器的传输功率为：Po=(Vo+V F)Io(MAX)=10×3=30W考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率为η =70％则输入功率为P in= Po=43W η(2).由PQ 磁芯的最大传输功率（50KHz）关系可知，至少需要PQ20／20 型的磁芯。
由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ32/30 型磁芯。
其每伏输入电压对应的匝数2N it=0.278，绕线窗口面积A w = 149.6mm ，窗口有效利用系数=0.23。
(3).原边线圈的匝数N = N V = 0.278×265=73.67（匝），取整N =73 匝。
P 1T P(MAX) P(4).副边线圈的匝数V + VO ( MAX ) FN = ⨯ N = 4.41 （匝），取整为 5 匝。
S PV ⨯ D（MAX(5).根据趋肤深度和频率的关系可知穿透深度为66.1 66.1∆ H= = = 0.467 (mm)f 20000MIN（2）均流拓扑的设计及参数计算：如图六，图中R7、R8、R9均为防噪电阻，D1、D2是续流二极管，L1、L2 为储能电感，R1和R2为电流取样电阻，阻值均为0.05欧的低温漂金属膜电阻，电流信号通过电阻转换成小电压信号后经运放放大一定倍数，然后分别送到OP37的正负输入端进行进一步误差放大。
OP37的输出端反馈到从电路的电压反馈端，由于OP37低失调电压，所以理论上可以将两路的电流差控制在5mA以内。
当并联时，将开关S1闭合，如果某个时刻从电路电流增加，运放的电压正图六、均流源拓扑结构图端(3端)与负端（2端）的电压差增大，运放的输出端（6端）电压升高，此信号可以起到调制从电路占空比，使其减小以达到减小从路输出电流，即均流的目的；反之，当从路电流减小时，运放输出电压减小，调制从路电流增加。
储能电感设计要求轻载时电源工作在电流连续方式；因为若轻载时工作在电流断续方式，则输出电压会升高，会影响电源的负载调整率。
具体设计步骤如下：(1)设Imin为临界电流，Iv为电感的谷点电流，要使电流在整个周期都不为零，则需Iv>0;所以Vo ×T o ff Vo ×ToffIm in = 即，L =2 L 2 Im i n(2)因Imin=0.1A,(Vo)max=5.5V,f=500KHz,Toff=(1-Vo/Vin)/f;算出L>37uH，取L=100uHR 3R 3输出电压的计算公式：Vo = (1 + ) * V ref = = 1.221*(1 + )R 5R 5（3）.过流保护电路设计：过流保护及自恢复实现原理如图七。