江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）
设计报告
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简易直流电子负载
摘要
本系统使用TI公司的通用运算放大器实现底层控制，以MSP430F169单片机为系统级控制核心，实现了实现了恒流负载模式、过压保护、键盘输入、数字显示的功能。设计采用了模拟与数字混合的方案，单片机利用12位DAC作为模拟控制器的可靠给定，模拟PI调节器有效减少静态误差、响应时间与超调。在系统设计上遵循准确、可靠、低成本的设计准则。经测试，该系统较好地实现了题目所要求的基本和发挥功能。
关键词
MSP430S169，PI 控制，恒流模式，过压保护。
Abstract
In this design, general purpose op-amp from TI is used for local control while controller MSP430F169 is used as the system controller. The designed system can work under constant current sink mode with over-voltage protection, interface function is also provided for keyboard input and full digital display. With the proposed analog-digital hybrid control concept, the analog controller follows the reliable control demand issued by the high precision 12-bit DAC from the MSP430 controller, and zero steady-state error, controlled response time and over-shoot is achieved. The entire design follows three guide lines, high precision, high reliability and low cost. The experimental tests indicate that the objectives of proposal are achieved properly.
Keywords
MSP430F169，PI control, constant current mode, over-voltage protection.
一、 方案的选择与论证
1.1 系统总体方案论证
电子负载可分为能耗式与回馈式，本要求中的设计对象为小功率电子负载，故采用能耗是。一般市场上精度不高的电子负载多用开关式，而高速高精度电子负载多用模拟方案。根据设计要求，拟定了6个方案，分别如图1-1至图1-6所示，提出的方案均具有短路保护功能。图1-1与1-2中采用不用形式的buck电路，这种电路的缺点是输入电流不连续，需要加大电容滤波，系统可靠性较低，且会改变被测系统的结构（输出端并联了电容）。图1-3是buck-boost型，输入电流也不连续，同样需要加输入滤波电容。图1-4与1-5为电流源型变换器，但是系统造价过高，且输入电流纹波同样取决于开关频率与电感值。图1-6中为线性MOSFET方案，控制MOSFET门极电压，保持MOSFET工作在饱和区，控制MOSFET内部电流。
图1-1 方案一：Buck变换器A
图1-2 方案二：Buck变换器B
图1-3 方案三：Buck-Boost变换器
图1-4 方案四：Cuk变换器
图1-5方案五：SEPIC变换器
图1-6 方案六：线性MOSFET负载
方案1-6可以使用模拟技术实现，以LM324放大器，电流控制模块将采集的电流输入控制器，控制器根据参考值将误差放大生成MOSFET的门极电压。系统结构图如1-7所示，本地控制由模拟器件完成，系统级的参考值给定由MSP430的DAC完成，同时MSP430也实现人机接口的功能。
表1-1分析了各种方案的优缺点，可以看出，线性MOSFET作为负载的情况是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。
图 1-7基于线性MOSFET的模数混合方案
表1-1各种方案比较
性能 拓扑 Buck (A) Buck (B) Buck-Boost Cuk SEPIC 线性MOS
取决于电感电容 取决于电感电容 取决于电容 取决于电感 取决于电感 很小 大 大 大 大 大 小 4个以上 4个以上 4个以上 4个以上 4个以上 1个 一般 一般 一般 一般 一般 高 一般 一般 一般 高 高 低 输入电流纹波 EMI 主要器件数量 可靠性 成本 1.2 本方案模块设计论证
根据题目要求，系统可以划分为功率级模块、本地控制器模块、系统控制器模块、键盘模块、显示模块、辅助电源模块。为实现各模块的功能与配合，先对各部分进行论证。
[1]. 电源模块
本系统需要采用15V为运算放大器供电，5V电压作为控制器中的参考电压、MSP430最小系统板的供电电压以及LCD屏的供电电压、3.3V为MSP430供电。 由于在竞赛要求中未提出对辅助电源的要求，故采用18-24V的直流电压对系统的辅助电源系统进行供电。考虑到噪音的影响，采用线性调压芯片获得各电压等级。
[2]. 键盘模块
键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。
[3]. 显示模块
使用液晶显示屏显示负载电流和电压，LCD具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。另外系统中加入了LED显示，分别表示MSP430 5V供电电压正常（蓝光）、3.3V供电电压正常（蓝光）、系统正常启动（蓝光）、过压显示（蓝光）。
[4]. 本地控制器模块
芯片选择依据：TI公司生产的通用芯片。
根据第1节中的论证，本设计采用了线性功率MOSFET，所以模拟方式是较好的实现方案，因为PWM模块会导致系统电流纹波加大且引入噪音。所以本设计选取了TI的通用放大器系列的产品LM324，四运放的集成放大器。单片LM324模块会完成电流放大、稳压、PI|调节的功能，为最经济实惠的方案。
[5]. 系统控制模块
TI推荐的MSP430是系统默认选项，由于在本设计中单片机不参与高速的控制回路运算，所以8M主频的MSP430F169完全满足要求。MSP430的数字I/O高达48个，同时拥有丰富的外设，适合与多种设备进行接口，也便于本设计的进一步扩展。
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