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一、系统方案
本设计采用BUCK电流斩波电路，单片机控制输出两路PWM信号经过TI芯片IR2110驱动高端和低端N沟道MOSFET，通过控制PWM的占空比来控制两个MOSFET导通和关断的时间进而调节输出电压。当高端MOSFET导通时，低端MOSFET断开；同理当低端MOSFET导通时，高端MOSFET断开，从而实现了同步整流效果。
VI 单片机MCU 识 别 负降压 AD PWM 阻 图1.1 系统设计方案总体框图 1.1 DC-DC驱动模块的比较与选择
方案一：采用TI芯片IR2110直接驱动MOSFET，它属于自举升压原理的驱动。单片机控制输出两路PWM信号经过IR2110驱动高端和低端N沟道MOSFET，通过控制PWM的占空比来控制两个MOSFET导通和关断的时间进而调节输出电压。
方案二：采用TI公司生产的LM5117同步降压控制器，它具有5.5V-65V宽电压工作范围，工作频率可以在50kHz到750kHz范围内设定。包含几个大电流 NMOS 驱动器和一个相关的高边电平转换器，可自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管。
经比较，LM5117Z控制器集成了高边和低边NMOS驱动器可以自适应死区时间，LM5117自带同步整流功能，更易于提高效率。故采用方案二，使用TI公司的LM5117作为DC-DC驱动控制模块。
1.2 主控制器的比较与选择
方案一：采用通用的MCS-51系列单片机，由于不带A/D和D/A转换器且运算速度较慢，外围电路使得整个系统硬件电路变得复杂，同时51单片机获得PWM较为复杂，使得系统的性价比偏低。
方案二：采用德州仪器（TI）的MSP430G2553为主控制器。MSP430拥有丰富的片内资源，内置16位定时器具有捕获和比较功能，内置10位的数模转换器，可以输出PWM信号。430独特的超低功耗设计，可以显著降低系统功耗提高效率。
经比较，MSP430单片机可以满足系统控制的要求，并且其具有超低功耗的特点可以显著降低电源损耗提高系统效率。所以选用MSP430G2553单片机作为系统的主控制器。
6
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1.3 过流保护方案的比较与选择
方案一：采用AD620运放，AD620是一个低成本、高精度的仪表放大器，使用方便。但输入共模电压范围太小且静态功耗较大，无法满足题目要求中的电压及功耗要求。
方案二：采用专用TI检流芯片INA282进行电流检测，INA282是TI的电流分流模拟输出型电流感应放大器，其电压增益为50倍，共模抑制比较高，测量准确。利用INA282实现检流功能，电路简单，且静态功耗较小。
经比较，由于AD620的电压范围不能满足题目要求，故采用方案二，使用TI的高精度检流芯片INA282作为电流检测的方案。 1.4 单片机供电模块的比较与选择
方案一：以MP2307芯片为电源供电芯片，使用一体成形功率电感和同步整流控制芯片，体积更小，效率更高。
方案二：用lm7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少。但当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。需安装足够大的散热器。
综合以上两种方案，由于本设计对重量选择方案一。
二、系统理论分析与计算
2.1 主要器件参数选择及计算 2.1.1 定值电阻RT的计算
较高频率的应用体积较小，但损耗也较高。在我们方案中，选定330kHz作为小尺寸和高效率之间的合理折中方案。用公式（2-1）可以计算出330kHz开关频率下RT的值：
????=
2.1.2 输出电感L0的选取
5.2×109??????
?948 （2-1）
最大电感纹波电流出现在最大输入电压时，电感值计算公式如下，
????=??
????????
????(??????)×??????
×(1???
????????
????(??????)
)(??) （2-2）
已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压，代入公式（2-2）可计算出
????=3×0.4×230??×(1?17.6)≈12.9μ?? （2-3）
2.1.3 电流检测电阻????的选取
考虑到误差和纹波电流，最大输出电流应高于所需输出电流的20％至50％。电流检测电阻值可以用如下公式计算：
5
5
????=
??×????????????(??????)+?????????????????×????
2??????(????)
(Ω) （2-4）
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2.1.4 输出电容Co的选取
输出电容器可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源。具有最大 ESR 的输出纹波电压的基本元件近似值为：
?????????=??????√????????2+(8×??
2.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取
1
????×????????
) （２-5）
采用TI公司高精度检流芯片INA282进行电流检测，INA282的增益为50倍，共模抑制比比较高，只需外接10mΩ电阻便可完成测量并且非常准确。此外，INA282共模范围为-14~80V。利用INA282实现检流功能，电路简单，能耗较小。单片机最高可输入信号的最大电压为3.3V，且降压电路输出电流最大为3A，故采用0.01Ω电阻进行电流检测。
2.2 提高效率的方法
采用低导通电阻的MOSFET降低导通损耗。斩波电路的主要损耗是开关的损耗，通过采用导通电阻很低的CSD18532KCS MOS管可以明显提高效率。
优化PCB布线。在进行PCB布线时，尽量使布局紧凑，走线短且直，主电路使用大面积覆铜代替走线。 2.3 降低纹波的方法
（1）加大输出滤波的电容、电感参数.通过输出纹波与输出电容的关系式：
Vripple=Imax/(Co×f) (2-7)
可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。或者考虑采用并联的方式减小ESR值,或者使用LOWESR电容。低边NMOS器件两端的电阻-电容缓冲网络可减少开关节点的振铃和尖峰。其他低ERS/ESL陶瓷电容器可以与主输出电容并联起来，以进一步降低输出电压纹波和尖峰。
（2）提高开关电源工作频率，其纹波电流△I可由下式算出：
???=
（???????????????）×????????
L×??????×??
?UR?0.01??3.2A?0.032V （2-6） ??UAD?50?UR?1.6V (2-8) 可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。但是提高频率可能降低电源的效率，通过测试选取合适的频率。 （3）采用多级滤波。 2.4 DC-DC变换方法
采用同步整流的buck电路，图2.1所示为BUCK变换器基本结构图。在同步Buck电路工作方式中，使用一个开关管替换基本Buck电路中的续流二极管。Q1作为主开关管，Q2 起续流作用。Q1导通时，Q2关断，电流通过电感L到达负载，并将电能储存在L和C2中（电流方向如图中虚线所示）；Q1关断时，Q2导通，起续流作用，储存在L和C2上的电能转化为电流继续向负载输出（电流方向如图中实线所示）。
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Q1L+Vin1C1Q2C2+Vo1__
图2.1 BUCK变换基本结构图
2.5 稳压控制方法
采用反馈电阻和单片机PWM共同构成的软硬件结合的反馈方式，单片机通过内置AD对反馈电阻处电压和输出电压采样，通过对比两处电压单片机输出PWM信号。单片机输出的PWM信号与反馈电阻处电压共同作用于LM5117形成反馈。这种控制方法可以加速系统调节速度，改善系统调节品质，提高系统稳定性。从而实现更稳定的电压输出。
三、电路与程序设计
3.1主回路与器件的选择 3.1.1电路主回路
电路中有两个MOSFET，其中Q1和Q2均为NMOS，通过控制MOSFET的关断来让电路工作在Buck电路状态。
图3.1电路主回路
3.1.2电路器件选择 根据公式（2-1）????=
5.2×109230KHz
5
?948=21.7K，我们选取21k?的电阻。
5
根据公式（2-2）????=3×0.4×330??×(1?17.6)≈12.9μ??，选取15μ??的输出电感????。 根据公式（2-4）????=
??×????????????(??????)+?????????????????×????
2
??????(????)
(Ω)，经过计算选取了0.005Ω的????。
1
????×????????
根据公式（2-5）?????????=??????√????????2+(8×??
)，选取了0.47 ??F的输出电容。
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3.2 控制电路及程序 3.2.1 控制电路
单片机供电电路和控制电路如图3.2和3.3所示。
图3.2单片机供电电路 图3.3单片机控制电路
3.2.2 主程序流程图
见附录1
3.2.3 部分源程序代码
见附录2
四、系统测试
4.1 测试方案及条件 4.1.1 测试仪器
表4.1 测试所用仪器
仪器名称 100MHz双通道数字示波器 可调直流稳压电源 台式万用表 函数信号发生器 具体型号 DSO-X 2002A（升级带宽） SK1731 Agilent 34401A F10 DDS
4.1.2 测试方法
硬件调试：可以通过示波器观察MOS开关处波形及输出电压波形观察电压纹波。改变输入电压和负载，通过万用表记录电源的电压电流参数。
软件调试：程序调试无误后下载至单片机，将单片机PWM输出端口接至示波器，调节占空比，使用示波器观察。可以通过显示屏程序测试AD采样是否正常。
完成系统软硬件各单元测试后，进行系统联调，验证各模块之间交互的正确性和接口的兼容性，按照题目要求测试整体功能并调整参数，填写测试表格并撰写设计报告。 4.2 测试过程及结果 （一）将可调直流电源输出调至16V，调节负载至1.67Ω，测试数据见表4.1。
表4.1 ????=16 V时的参数
????(Ω)
????(V) ????(A) ????(V) ????(A) η ??OPP(mV) 10
2016年全国大学生电子设计竞赛A题论文
