高效数控恒流电源设计

覃智广 陈洪容 串俊刚

【摘要】本系统采用精密低功耗仪表运放INA118和DC-DC变换器及低功耗单片机MSP430F149结合，实现了数控恒流电源的设计，其输出电流变化范围在200mA～2000mA，电压输出值小于10V，输出噪声纹波电流小于等于30mA，整机效率达到70%以上。

【关键词】数控恒流电源；MSP430F149；DC/DC变换电路

一、系统总体方案

该高效数控恒流电源由电源电路、整流滤波电路、DC/DC转换电路、采样电路、放大电路、负载电路、键盘、液晶显示、单片机控制电路等组成。其系统框图如图1示。

二、系统设计

（一）主控芯片

本系统中采用了超低功耗单片机MSP430做主控芯片，其集成度高、体积小、功能强大、可靠性高、兼容性好、性价比高，并且具有较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率为8MHz，一个时钟周期为一个机器周期，运算速度快。内部集成12位A/D，指令精简，代码转换效率高，有利于提高电源系统的整体转换效率。

（二）整流滤波电路

电源整流滤波电路由電源变压器电路、整流电路、滤波电路组成。电源变压器将交流电网220V的电压降压变为5V，然后通过整流电路将交流电压变为直流电压，最后通过滤波电路得到平滑的直流电压。

（三）DC/DC变换电路

本设计由TPS5450及外围电路构成DC/DC变换电路。开关电源芯片TPS5450要求的输入电压范围很大，为5.5V～36V，工作电压范围在500KHz。并且能够在-40摄氏度到-125摄氏度温度范围内正常工作。芯片的4脚VSENSE的电压值（相对于6脚GND）能够稳定在1.221V，因而可以为整个系统提供精确的电压参考信号。

（四）采样电路的设计

由低噪声高精度满量程运放INA118芯片与精密低功耗仪表放大器TLC2202组成。它的内部集成了输入保护电路，其增益可由外部可调增益电阻Rg进行调节。它具有精度高，功耗低，共模抑制比高和工作频带宽等优点。INA118由三个运算放大器组成差分放大结构，INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很宽的频带宽度。因为采样信号要输入单片机MSP430，其内部采样基准电压为2.5V，因此要将输入的采样电压限制在2.5V之下，考虑到安全裕量，故将输入电压限制在2V以下。当输入电压为36V时，采样电压为12/（12+200）×36=2.01，符合要求。

（五）MSP430内部A/D与外部D/A转换电路

MSP430F149的内部有12位的AD，共16个转换通道，4种转换模式，只要对相关的寄存器进行初始化操作就能完成A/D的转换。这样能有效地利用单片机的内部资源，所有转换任务能在低功耗模式下进行，同时又降低了功耗。本设计用到P6.2和P6.3两个端口。

D/A转换电路采用8位D/A转换芯片DAC5571，P1.1作时钟控制，P1.0作数据输入控制。当选择内部参考源的时候，内部参考源电压既能给A/D转换芯片供电，又能给DAC5571供电，这样更节约资源。

（六）键盘控制电路的设计

由于本设计需用按键设置电流的步进控制和电流值，按键数量比较少，只有4个按键，故采用独立式按键接线方式。K1是控制电压值加，K2是控制电压值减，其中步进电流为10mA，键盘K3、K4设置电流分别为200mA、1500mA、2000mA。

（七）液晶显示的设计

液晶显示（12864）汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM），可显示内容：128列×64行。其可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源。

三、结语

根据系统要求，制作出硬件实物，编写单片机程序，经过实际调试测试，作品的输出负载调整率和输出纹波都已经达到了预期的目标，电源的输出总效率与理论分析的结果基本吻合，达到设计效果。

参考文献

[1]沈建华，杨艳琴.MSP43系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2004.

作者简介：覃智广（1978.04—），男，壮族，四川宜宾人，硕士，宜宾职业技术学院机电教研室，讲师，研究方向：机电一体化、自动控制方向的教学科研；陈洪容（1975.05—），女，汉族，四川宜宾人，硕士，宜宾职业技术学院机电教研室，讲师，研究方向：机电一体化方向的教学科研；串俊刚（1986.08—），男，汉族，四川宜宾人，硕士，宜宾职业技术学院机电教研室，讲师，研究方向：机电一体化、自动控制方向的教学科研。