基于TPS54340的多功能数控电源

司朝良，钟凌惠

(山东交通学院信息科学与电气工程学院，山东济南 250357)



基于TPS54340的多功能数控电源

司朝良，钟凌惠

(山东交通学院信息科学与电气工程学院，山东济南 250357)

设计并实现了一种基于DC/DC转换器的多功能数控直流电源，将12～30 V的输入波动电压变换为3．3～10 V的稳定电压输出，并通过电流串联反馈实现恒流，使该电源具备稳压源和恒流源功能；单片机作为核心实现数字化控制，通过2片12位高精度D/A转换器分别控制稳压源和恒流源的输出，并可由键盘设定输出数值，还能步进调节。该电源输出稳定、纹波小、效率高，可作为中间级DC/DC转换电源或特种电源使用，有较高的实用价值。

数控电源；恒流源；稳压源；单片机；直流/直流转换器；模数转换器

0 引言

传统的稳压电源通常只具备稳压功能而没有恒流源功能，并且稳压电源大多采用电位器连续调节输出电压，不能步进调节，也无法预置输出大小[1]。现有的独立恒流源多为线性电源，其输出电流通常由电位器进行调节，精度较差，无法步进调节和预置。

本文突破传统DC/DC转换器环路设计思想，以TPS54340为功能核心，在输出电压采样点与芯片反馈输入端之间引入PI调节器，使电压调节环路由电压并联负反馈变为电流串联负反馈，在单片机控制下，实现稳压源和恒流源二合一功能的直流电源，并通过高精度串行D/A转换器程控改变PI调节器的参考电压，实现输出电压/电流的高精度步进调节。该电源效率高，输出纹波较小。

1 系统总体设计

1．1 系统组成

本数控电源由单片机、DC/DC转换电路、D/A转换器、过压保护、稳压源采样与调节、恒流源采样与调节、键盘和显示器等部分电路组成[2]。系统框图如图1所示。

图1 多功能数控电源系统框图

实现的技术指标：输入电压范围为12～30 V；稳压源输出电压为3．3～10 V；恒流源输出电流为15 mA～1．5 A；稳压源电压分辨率5 mV；恒流源电流分辨率10 mA；稳压源纹波电压<10 mV；恒流源纹波电流<10 mA。

1．2 电路工作原理

DC/DC转换器把波动范围12～30 V的输入电压变换为3．3～10 V的电压。单片机接收键盘预置的功能和数据信息，控制数控电源工作在稳压源还是恒流源状态，预置数据送去LCD显示，还经D/A转换后送到PI调节器反相输入端，TPS54340的输出电压经采样后送到PI调节器的同相输入端，经比较放大后，PI调节器输出电压反馈到TPS54340的FB端，与TPS54340片内基准进行比较，以稳定输出电压。工作在恒流源状态时，与负载电阻串联的取样电阻会将电流的变化转换成电压的变化，与预置的电流数据相减、放大后反馈至TPS54340的FB端，实现电流的恒定输出。

输出电压经过采样、缓冲后，送至单片机P1．0引脚，经片内A/D转换，监视输出电压是否过高，一旦出现过压，单片机P2．0引脚输出低电平信号至TPS54340的EN端，使TPS54340停止工作，从而实现过压保护。

2 系统设计

2．1 硬件电路与参数计算

2．1．1 DC/DC转换器电路

DC/DC转换器选用降压型芯片TPS54340，其内部集成有MOSFET，只需要少量外围元器件就可以构成固定电压输出的高稳定度电源[3]。

图2为设计的DC/DC转换器电路。传统用法是将FB直接与电源输出端Vo的取样点(即图2中的A点)相连，构成反馈环路，此时的反馈类型是电压并联负反馈。输出电压的波动反馈到FB端，由TPS54340内部调节，以输出稳定的固定电压。

图2 DC/DC转换器电路原理图

通过改进，将电源输出端的电压取样点A点至FB的连接打开，在A点和FB之间引入减法形式输入的PI调节器(见图3)，把输出电压的取样值与单片机送来的设定电压进行比较、放大，得到误差电压信号，送到FB端，控制电源的输出电压使其稳定，并可实现电压的预置与步进调节。此时，反馈类型变为电流串联负反馈[4]

图3 稳压源PI调节电路原理图

TPS54340内部包含斜率补偿电路，调整采用峰值电流控制模式，用于阻止当PWM脉冲占空比所大于50%时可能引起的次谐波振荡；且片内误差放大器为跨导型放大器，使得环路补偿电路简单，环路响应更快[5]。但补偿网络的参数选择必须严谨。

2.1.1.1 开关频率的确定

TPS54340的最高工作频率由式(1)决定：

(1)

式中：Io为电压源输出电流最大值；RDC为储能电感的电阻；Vimax是最高输入电压；Vd为续流二极管的正向压降；RDS(on)为片内开关管的导通电阻，典型值是92 mΩ。

由式(1)，Vo和Io最小时，TPS54340的可用最高工作频率最低。将设计参数RDC=120 mΩ、Vd=0．7 V、Iomin=0．015 A等代入式(1)，可得f≈965 kHz。

为保留一定余量，实际选取工作频率为816 kHz。R1的阻值则按式(2)计算：

(2)

2.1.1.2 储能电感与续流二极管的选择

输出储能电感量的最小值按式(3)计算：

(3)

式中K为输出电流纹波比，取0．2～0．3。

考虑最严重的情况，L大约为27 μH。实际选用33 μH贴片功率电感，其直流电阻值约为120 mΩ，最大工作电流2．4 A。

续流二极管D1选用反向耐压60 V的肖特基二极管B560C，其5 A时的压降为0．7 V。

2.1.1.3 滤波电容的选择

输出滤波电容C4影响系统传输函数的极点，其最小值的选择与纹波电流IR有关。IR由式(4)决定：

(4)

C4的最小取值应满足式(5)的要求。

(5)

式中ΔVo为在电流变化范围内的允许电压误差。

设计中，要求电压误差为0．5%。C4实际选用220 μF/25 V的铝电解电容，其等效串联电阻RESR约为18 mΩ。

2.1.1.4 补偿电路及其参数选取

TPS54340的COMP端所接元件R2、C5、C6用于改善频率响应特性，减少输出电压纹波，按照式(6)～式(11)取值。实际选取时，考虑输出电压Vo=10 V的最严苛情况。

极点频率为

(6)

零点频率为

(7)

则穿越频率为：

(8)

(9)

式中：gmps和gmea分别是TPS54340片内功率输出级跨导和误差放大器跨导，数值分别为12 A/V和350 μA/V；VREF为误差放大器基准电压，VREF=0．8 V。

(10)

(11)

R2、C5、C6实际取值分别为9．1 kΩ、0．22 μF、47 pf。

2．1．2 PI调节器电路

本稳压源和恒流源分别采用了结构相同的2个PI调节器，用于确保电压、电流调节的精度。

图3为稳压源的PI调节器。为保证环路的稳定性，R7、R8分别选取为10 kΩ和5．1 kΩ，满足(R8/R7)<1的条件；同时考虑响应时间不要太长，C8选择0．1 μF。单片机设定的输出电压值经D/A转换后从ADJ-U端送入LMV358的反相端。

稳压源输出电压Vo与VADJ-U的关系为

(12)

图4为恒流源的误差信号处理电路，IC3-1将取样电阻R12的电流转换为电压并进行放大；IC3-2构成PI调节器。恒流源输出电流I与单片机设定值电压VADJ-I之间的关系为

(13)

IC2和IC3选用轨到轨的低电压双运放LMV358，使得极小的直流电压变动都可以被检测、放大，从而确保输出电压的精度和稳定性。

图4 恒流源误差信号处理电路原理图

2．1．3 单片机及外围电路

STC15F2K60S2是51内核的单片机，内含8通道10位A/D和2 K字节的SRAM，并可在线编程。图5是单片机的主要外围电路连接图。

图5 单片机电路

单片机P1．1脚控制继电器J1接点吸合与断开，分别实现稳压源和恒流源功能。

12位的串行D/A转换器AD8320通过SPI接口与单片机连接，其输出电压为[6]

(14)

式中D为单片机送入的二进制序列所对应的十进制数。

理论上，D/A输出电压的步进量为1 mV。根据式(12)和式(13)，稳压源输出电压和恒流源输出电流的分辨率分别为0．5 mV、2 mA。

2．2 软件设计

软件部分主要包括功能控制、电压/电流数值的计算与送数、LCD显示等，编程采用C语言。

稳压源状态，P1．1输出高电平，继电器J1吸合；恒流源状态，P1．1输出低电平，J1断开。电压/电流数值的设置由键盘输入，单片机根据式(12)和式(14)算出对应的电压二进制数，由SPI接口送往IC4。或者根据式(13)和式(14)算出对应的电流二进制数，由SPI接口送往IC5。

键盘每次按下，单片机P1．0即采样输入电压，一旦超过设定值，P2．0变为低电平，使TPS54340停止工作。

3 测试结果

输入电压由YB1731A型直流电源提供，测试仪器使用UT39E型4位半数字万用表和YB2172B型交流毫伏表。测试恒流源时，将负载电阻RL连接在输出端子Vo和接线柱C之间。输出性能测试时，负载电阻选取10 Ω；负载性能测试时，输入电压为15 V。电压源和电流源的效率为间接测量结果，分别按式(15)、式(16)计算得到：

(15)

(16)

电压源、电流源性能测试结果见表1～表4。

表1 电压源输出性能测试

表2 电压源负载性能测试

表3 电流源输出性能测试

表4 电流源负载性能测试

4 结束语

设计的多功能数控电源基于单片机和降压型DC/DC转换器芯片TPS54340，具备稳压源和恒流源功能。通过严格设计TPS54340电路，并在反馈环路中引入PI调节器，借助于12位D/A转换器的高分辨率，使得输出电压和电流精密可调，整机功能多、效率高、调节方便，稳定可靠，有较高的实用价值。但实际测试发现，纹波电压、步进幅度等指标略低于设计指标，需进一步改进PCB板设计，并对D/A转换部分加强滤波，以使性能得到提高。

[1] 黄天辰，贾嵩，余建华，等．高精度数控直流恒流源的设计与实现．仪表技术与传感器，2013(6)：27-29．

[2] 张玉宝，曹会云，张滨．基于单片机的数控恒流源的设计．电测与仪表，2011(6)：75-78．

[3] Texas Instruments Incorporated．TPS543_datasheet．[EB/OL]．(2014-03-01) [2015-01-27]．http://www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink．

[4] 王秀华．基于开关型集成稳压芯片的数控恒流源．电源技术，2012(5)：738-739．

[5] MANIKTALA S．精通开关电源设计．王志强，译．北京：人民邮电出版社，2008．

[6] Analog Devices,Inc．AD8320_datasheet．[EB/OL]．(2005-06-08)[2015-01-27]．http://www．analogcom/zh/digital-to-analog converters．

Multifunction Digital Power Supply Based on TPS54340

SI Chao-liang，ZHONG Ling-hui

(College of Information Science and Electrical Engineering,Shandong Jiaotong University,Jinan 250357,China)

A multifunctional digital DC power supply based on DC/DC converter was designed and realized．The instable input voltage range of 12 V to 30 V was converted to regulated output voltage from 3．3 V to 10 V．Constant current was realized with current-series feedback．The power supply has functions of constant current source and stabilized voltage source．As the core of digital control set,MCU controlled the values of output voltage and current through two high-precision DAC of 12 bits．The values of output can be set by the keyboard,and adjusted by stepping．The output voltage & current is stability,low ripple,and with high efficiency．It can be used as an intermediate-level DC/DC converter power supply or special power,with high practical value．

digital power supply;constant current source;stabilized voltage supply;MCU;DC/DC converter;DAC

2015-01-27 收修改稿日期:2015-02-28

TN86

A

1002-1841(2015)07-0035-03

司朝良(1968—)，副教授，主要研究方向为无线通信、电子测量技术与仪器。E-mail：77chl@163．com 钟凌惠(1978—)，硕士研究生，讲师，主要研究方向为信息处理、电源技术。E-mail：zlhzhh@126．com