高效數控恒流電源設計

覃智廣 陳洪容 串俊剛

【摘要】本系統采用精密低功耗儀表運放INA118和DC-DC變換器及低功耗單片機MSP430F149結合，實現了數控恒流電源的設計，其輸出電流變化范圍在200mA～2000mA，電壓輸出值小于10V，輸出噪聲紋波電流小于等于30mA，整機效率達到70%以上。

【關鍵詞】數控恒流電源；MSP430F149；DC/DC變換電路

一、系統總體方案

該高效數控恒流電源由電源電路、整流濾波電路、DC/DC轉換電路、采樣電路、放大電路、負載電路、鍵盤、液晶顯示、單片機控制電路等組成。其系統框圖如圖1示。

二、系統設計

（一）主控芯片

本系統中采用了超低功耗單片機MSP430做主控芯片，其集成度高、體積小、功能強大、可靠性高、兼容性好、性價比高，并且具有較高的數據處理和運算能力，系統最高時鐘頻率為8MHz，一個時鐘周期為一個機器周期，運算速度快。內部集成12位A/D，指令精簡，代碼轉換效率高，有利于提高電源系統的整體轉換效率。

（二）整流濾波電路

電源整流濾波電路由電源變壓器電路、整流電路、濾波電路組成。電源變壓器將交流電網220V的電壓降壓變為5V，然后通過整流電路將交流電壓變為直流電壓，最后通過濾波電路得到平滑的直流電壓。

（三）DC/DC變換電路

本設計由TPS5450及外圍電路構成DC/DC變換電路。開關電源芯片TPS5450要求的輸入電壓范圍很大，為5.5V～36V，工作電壓范圍在500KHz。并且能夠在-40攝氏度到-125攝氏度溫度范圍內正常工作。芯片的4腳VSENSE的電壓值（相對于6腳GND）能夠穩定在1.221V，因而可以為整個系統提供精確的電壓參考信號。

（四）采樣電路的設計

由低噪聲高精度滿量程運放INA118芯片與精密低功耗儀表放大器TLC2202組成。它的內部集成了輸入保護電路，其增益可由外部可調增益電阻Rg進行調節。它具有精度高，功耗低，共模抑制比高和工作頻帶寬等優點。INA118由三個運算放大器組成差分放大結構，INA118獨特的電流反饋結構使得它在較高的增益下也能保持很寬的頻帶寬度。因為采樣信號要輸入單片機MSP430，其內部采樣基準電壓為2.5V，因此要將輸入的采樣電壓限制在2.5V之下，考慮到安全裕量，故將輸入電壓限制在2V以下。當輸入電壓為36V時，采樣電壓為12/（12+200）×36=2.01，符合要求。

（五）MSP430內部A/D與外部D/A轉換電路

MSP430F149的內部有12位的AD，共16個轉換通道，4種轉換模式，只要對相關的寄存器進行初始化操作就能完成A/D的轉換。這樣能有效地利用單片機的內部資源，所有轉換任務能在低功耗模式下進行，同時又降低了功耗。本設計用到P6.2和P6.3兩個端口。

D/A轉換電路采用8位D/A轉換芯片DAC5571，P1.1作時鐘控制，P1.0作數據輸入控制。當選擇內部參考源的時候，內部參考源電壓既能給A/D轉換芯片供電，又能給DAC5571供電，這樣更節約資源。

（六）鍵盤控制電路的設計

由于本設計需用按鍵設置電流的步進控制和電流值，按鍵數量比較少，只有4個按鍵，故采用獨立式按鍵接線方式。K1是控制電壓值加，K2是控制電壓值減，其中步進電流為10mA，鍵盤K3、K4設置電流分別為200mA、1500mA、2000mA。

（七）液晶顯示的設計

液晶顯示（12864）漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM），可顯示內容：128列×64行。其可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強，調用方便簡單，而且可以節省軟件中斷資源。

三、結語

根據系統要求，制作出硬件實物，編寫單片機程序，經過實際調試測試，作品的輸出負載調整率和輸出紋波都已經達到了預期的目標，電源的輸出總效率與理論分析的結果基本吻合，達到設計效果。

參考文獻

[1]沈建華，楊艷琴.MSP43系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例[M].北京：人民郵電出版社，2004.

作者簡介：覃智廣（1978.04—），男，壯族，四川宜賓人，碩士，宜賓職業技術學院機電教研室，講師，研究方向：機電一體化、自動控制方向的教學科研；陳洪容（1975.05—），女，漢族，四川宜賓人，碩士，宜賓職業技術學院機電教研室，講師，研究方向：機電一體化方向的教學科研；串俊剛（1986.08—），男，漢族，四川宜賓人，碩士，宜賓職業技術學院機電教研室，講師，研究方向：機電一體化、自動控制方向的教學科研。