電賽開關電源題技術報告
姜山 於策 萬楚琦
一、 技術要求：
輸入220V AC；
輸出15~18V DC；
效率>70%；
Vpp<500mV；
Iout>1A；
過流保護：動作電流1.5A ±20%。
二、設計思路
First.
使用變壓器，將市電轉爲18V AC，再經過整流橋後，轉變爲直流電。作爲DC-DC轉換器的輸入。經過DC-DC轉換器後，爲輸出。通過控制電位器，調節輸出的電壓。使用取樣電阻，通過單片機，採集迴路中的電流，並將此時的輸出電壓、電流顯示到1602 LCD顯示屏上，同時通過當前電流來控制芯片的使能，完成過流保護。
Second.
芯片選型：在德州儀器中國官方網站上，對集成開關的DC-DC轉換器芯片進行選型，設置輸入電壓範圍，輸出電壓範圍，輸出最大電流後。選取TPS5430。該芯片的輸入電壓範圍5.5~36V，最大輸出電流可達3A（峯值4A），具有使能功能。
The End.
將其設計實現
三、硬件部分的實現
1.輸入端設計
設計中首先使用了功率爲25W的變壓器進行測試，經過3A整流橋後，通過示波器觀察，此時的電壓並不穩定，顯示爲多個正弦疊加的狀態，通過電容的儲能作用，使其電壓穩定。電容應選擇較大容值，並且多個電容並聯，以達到增大容值，減小電容等效電阻的目的，設計中選擇了耐壓合適的鋁電解質電容。再次通過示波器觀察後，輸出電壓已經相對穩定，電壓爲26.5V。可以作爲DC-DC轉換器的輸入端。電路圖如圖1所示
圖1 輸入端電路圖
2.DC-DC轉換器的設計
TPS5430的應用電路圖如圖2所示：
圖2
TPS5430 電路原理圖
2.1輸入電容的選擇
根據TPS5430數據手冊中的資料進行設計。首先對輸入電容進行選取，輸入電容的作用爲去耦，使輸入更穩定，數據手冊中推薦使用10uF的陶瓷電容，設計中使用一個10uF和一個0.1uF的陶瓷電容並聯。
2.2 電感的選擇
電感的最小值，通過公式（1）給出： L_min=(V_(out（max）)×（V_IN（max） -V_OUT）)/(V_(IN（max）)×K_ind×I_out×F_sw ) （1）
其中：Vout（max）爲設計要求18V，Vin（max）爲實測27V，Vout爲輸出上下限的平均值17.5V，Kind爲電感的一個係數，取0.2~0.3，計算中帶入0.2.Iout爲輸出電流，取1.5A，Fsw爲器件的開關頻率，500kHz。
經過計算，Lmin的值爲：42.22uH選取最接近的電感值，使用47uH的電感。
2.3輸出電容的選擇
輸出電容的確定通過公式2給出：C_out=1/(3357×L_out×f_CO×V_out ) (2)
其中fco爲閉環交叉頻率，這裏取18kHz,Lout爲電感的值，Vout爲輸出電壓。
經過計算，Cout的理論值爲20.12uF
2.4 二極管的選擇
. 二極管的最大反向電壓必須大於PH引腳上的最大電壓，二極管能承受的峯值電流必須大於最大輸出電流。設計中使用B340A，該二極管反向電壓爲40V，正向電流爲3A，壓降0.5V。
2.5 輸出紋波的計算
輸出紋波的計算通過公式3給出：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爲輸出紋波，Nc爲並聯電容的數量， Fsw爲開關頻率。
通過公式（3）可以看出，並聯電容的數量將會減小輸出的紋波，設計中使用5個固態電解質電容作爲輸出電容，根據電容的數據手可知，ESR爲45mohm。
通過計算，得出紋波的理論值爲2.35uV。但是實際無法達到該值。
2.6 輸出電壓的確定
輸出電壓由芯片上的Vsense引腳的電壓決定，該引腳連接一個從輸出端到地的分壓器，通過內部的誤差放大和反饋來控制輸出的電壓，如圖3所示。
圖3 Vsense引腳控制輸出原理圖
分壓器電阻的選擇由公式4給出：R_2=(R_1×V_REF)/(V_OUT-V_REF ) (4)
其中Vref爲芯片內部的參考電壓，根據數據手冊，得知該電壓爲1.221V。
我們設R1的阻值爲10k通過計算，得出在輸出爲15V的情況下，R2的阻值應爲886.131 ohm，在輸出爲18V的情況下，R2的阻值應爲727.695 ohm，故使用一個1K的電位器來調節輸出的電壓。
2.7 PCB設計
PCB的設計應注意以下幾點：
- 輸入的電容應靠近芯片；
- TPS5430使用PowerPAD封裝，芯片底部具有散熱焊盤，溫度會影響該芯片的工作，所以要儘量擴大散熱面積；
- 電感和二極管應儘量靠近芯片；
- PH引腳，電感，輸出電容和地之間的環路越小越好；
- Vsense引腳上的走線應在輸出電容下，或在另一層。
PCB的頂層和底層如圖4，圖5所示：
圖4 PCB Top Layer
圖5 PCB Bottom Layer
- 輸出電壓和電流的測量
輸出端的電壓和電流，使用由兩個分壓器和一個取樣電阻來實現，原理圖見圖6：
圖6 電壓、電流的測量原理圖
4.單片機及1602LCD的供電
4.1 1602LCD供電
1602LCD的供電電壓爲5V，同樣使用TPS5430，通過文中上述的設計，更改R2爲3.24k，電感爲15uH，輸出電容爲220uF，使輸出爲5V。
4.2 單片機最小系統的供電
單片機最小系統使用3.3V供電，使用LM1117-3.3將5V降壓爲3.3V爲單片機供電。
上述部分的原理圖如圖7所示
圖7單片機的供電
四、軟件部分的實現
程控主要實現電源電壓和電流的採集和顯示，以及在過流的情況下控制TPS5430的關斷。該設計採用K60單片機作爲控制單元，K60內部集成16位AD轉換器。採樣電阻的採樣點電路如圖6所示。單片機通過AD轉換器將採樣電阻前、後的並聯電阻的R1和R4的電壓轉換數字信，後由計算轉換爲電壓值U1，U2。由於分壓電路中的電流很小，採樣電阻前後的電壓U1,U2與U1，U2近似存在如下線性關係：
U1=k1×U1,U2=k2×U2
式中k1=(R1+R2)/R2，k2=(R3+R4)/R4，由於系統存在誤差，該理論值與實際值存在差異，所以需要通過標定來確定k1，k2的大小。電路中的電流I=(U1-U2)/R0。如果單片機計算出的電流值超過Imax，立即給出一個低電平型號給TPS5430的使能腳，芯片停止工作，達到過流保護的功能。同時，單片機給蜂鳴器發出信號，使蜂鳴器報警，1602屏顯示“ERROR!”,提醒使用者過流。如果電流值小於Imax，則單片機給使能腳高電平信號，芯片正常工作，1602屏顯示電流值和電壓值。
參考文獻：
Taxes Instruments TPS5430 data sheet
Taxes Instruments TPS5430 user’s guide
Sanyo SPV data sheet
附件1：元件清單
55W 220V-18V ACAC 變壓器*1
3A整流橋*1
1000uF 35V 鋁電解質電容*2
220uF 35V 鋁電解質電容*2
47uF 50V 鋁電解質電容*1
0.47uF 安規電容 *1
0.33uF 安規電容*1
TPS5430 DC-DC轉換器 *2
LM1117-3.3 *1
10uF 25V 鉭電容*1
100uF 16V 鉭電容*1
10uF 陶瓷電容 X7R *2
0.1uF 陶瓷電容 X7R *2
0.01uF 陶瓷電容 X5R *2
1K 電位器 *1
10K 0.1% 精密電阻 *2
3.24K 電阻 *1
B340A 肖特基二極管*2
15uH 功率電感 *1
47uH 功率電感 *1
K60單片機最小系統板 *1
1.2R 5W 水泥電阻 *1
47uF 25V 固態電解質電容 *5
1602 LCD 屏幕 *1
排針 若干
杜邦線 若干
THE END，希望大家，能從中有所收穫。
附：技術要求
基本要求
（1）輸出電壓 U 可調範圍：15V～18V。
（2）最大輸出電流 I：1A。
（3）輸出噪聲紋波電壓峯-峯值 U ≤0.5V（U =18V,I =1A）
（4）DC-DC 變換器的效率 ≥70%（U =18V,I =1A）
（5）具有過流保護功能，動作電流 I=1.5±0.2A。