王軍 季春華 徐元平

【摘要】本設(shè)計采用TI公司超低功耗單片機MSP430F5529A作為系統(tǒng)主控芯片，以TI公司Boost型升壓電源芯片TPS61040為主要電源芯片。本設(shè)計利用MSP430內(nèi)部的PWM發(fā)生器產(chǎn)生PWM信號，將其接入的電源芯片的使能端，通過控制該PWM信號的占空比來控制一定周期內(nèi)電源電路工作的時間，使LED負載兩端的平均電壓按預定規(guī)律變化，進而轉(zhuǎn)化為負載電流的變化。通過大量測試得到各工作電流下對應(yīng)的PWM信號占空比信息，存儲到單片機中供程序調(diào)用以實現(xiàn)對電流的穩(wěn)定控制。大量實驗數(shù)據(jù)證明，本設(shè)計工作穩(wěn)定，設(shè)計簡單，達到了預期效果。

【關(guān)鍵詞】MSP430;PWM信號;占空比

1.系統(tǒng)方案論證與分析

1.1 系統(tǒng)控制方式選擇

方案一：精密開環(huán)控制。首先通過大量實驗，建立起LED負載電流和PWM占空比之間的映射關(guān)系，作為已知知識存儲到程序中供查詢。當需要某一指定大小的電流時，即查表確定相應(yīng)的PWM占空比參數(shù)。此方案的優(yōu)點是程序結(jié)構(gòu)簡單，代碼量較小。缺點是精度有限，對系統(tǒng)各元件的參數(shù)敏感性較高。

方案二：閉環(huán)控制。通過傳感器等采集LED負載回路的電流信號，將其轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的電壓，將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與預設(shè)值（數(shù)字量）相比較，利用該偏差調(diào)整PWM占空比參數(shù)，使其按指定規(guī)律變化，進而控制負載電流向使偏差值減小的方向調(diào)整，直至進入誤差允許范圍，實現(xiàn)閉環(huán)控制。此方案的優(yōu)點是控制精度高，對閉環(huán)內(nèi)各種干擾均有較強的抑制能力。缺點是需要額外的反饋回路及其它器件，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及程序均較復雜，穩(wěn)定性下降。

結(jié)論：考慮下述原因，本設(shè)計選擇方案一。

由于不提供大電容及大電感，根據(jù)電路實測，Boost型升壓芯片TPS61040的輸出電壓無法較好地穩(wěn)定，且輸出電流無法保持較好的連續(xù)性。這給傳感器采樣帶來較大困難，從而A/D轉(zhuǎn)換過程無法完成，閉環(huán)也就無法實現(xiàn)。而開環(huán)系統(tǒng)則相對簡單，根據(jù)指標要求，需要測試的數(shù)據(jù)量很少，實測各項指標均可達到要求。因此，選擇方案一。

1.2 電容供電模式下的系統(tǒng)設(shè)計

方案一：該方案是指只用一片TPS61040為整個系統(tǒng)提供電源，包括五顆白光LED、MSP430單片機、顯示模塊等。由于TPS61040的輸入電壓低至1.8V，所以當斷電后電容電壓可以跌到1.8V單片機仍然能夠獲得足夠的工作電壓。該方案的優(yōu)點在于只用一片芯片，可以在較低的輸入電壓工作。缺點是輸入電壓不是最低的，輸出電壓的范圍太寬。

方案二：直接PWM調(diào)制。直接利用該電路本身高效率的特點，不在加入其他電源管理的條件下，讓電容放電，通過選擇合適的起始電流，配合PWM調(diào)制可以達到比較理想的效果。此方案優(yōu)點簡單易行。缺點是可能不會達到最高的效率。

結(jié)論：考慮以下因素，本設(shè)計選擇方案二。

對第一種方案測試之后發(fā)現(xiàn)：五顆LED的供電電壓遠高于單片機的工作電壓，導致必須加入降壓穩(wěn)壓拓撲，不可行。

由于高效的二級電源管理模塊設(shè)計過程復雜，需要計算的參數(shù)較多，很難簡單地得出最高效的方案。而該電路本身在輸入電壓為3.3V時效率高達85%，在輸入電壓2.4V時效率仍可達到77%-82%，即在無其他電源管理電路時，該電路效率已經(jīng)是較高水平。因此，選擇方案二。

2.理論分析與計算

2.1 負載電壓范圍

單個白光LED的導通壓降約為2.5V，欲驅(qū)動串聯(lián)的5個白光LED需要至少12.5V的電壓，加上肖特基二極管的結(jié)壓降，所設(shè)計的電路輸出電壓需高于12.7V。

2.2 限流電阻的選擇

為方便測試、簡化計算，與LED串聯(lián)的電阻選100歐姆，該電阻上的電壓除以100歐姆即可得出此時流過LED的電流，既滿足設(shè)計要求，又可方便地監(jiān)視電流。

3.系統(tǒng)硬件及程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3-1-1所示，主要包括MSP430主控制器和TPS61040升壓主電路兩部分。

圖3-1-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

如圖所示，正常工作模式下，LED負載由直流穩(wěn)壓電源（設(shè)定為3.3V）供電，利用MSP430內(nèi)部的PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率可調(diào)占空比的PWM信號，作用于升壓芯片使其輸出電壓達到預定值，從而使負載電流達到要求值。由理論計算可知，LED燈串負載所需導通壓降需在12.5V以上，因此升壓電路為必須的電路部分，是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分。

3.2 系統(tǒng)升壓主電路設(shè)計

系統(tǒng)升壓主電路如圖3-2-1所示，主要功能芯片為TI公司生產(chǎn)的Boost型升壓電路芯片TPS61040。

圖3-2-1 TPS61040升壓主電路圖

如圖所示，DC-DC芯片的使能端EN接MSP430的P2.4引腳，該引腳輸出的是固定頻率（100～500Hz）可調(diào)占空比的方波，通過控制該方波的占空比即可控制DC-DC芯片的輸出電壓，進而控制流經(jīng)LED的電流。通過精確控制PWM信號的占空比即可實現(xiàn)對輸出電流的開環(huán)恒定控制。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程如圖3-3-1所示。系統(tǒng)上電后，單片機執(zhí)行初始化函數(shù)，初始化lcd、按鍵、led等外圍設(shè)備，然后在lcd上顯示歡迎界面;利用定時器產(chǎn)生250Hz的PWM，調(diào)節(jié)其占空比使I=1mA;然后程序進入主循環(huán)，檢測按鍵：若按鍵s1被按下，則依次將I_set遞增3mA（I_set代表設(shè)定電流值），并在lcd上顯示，同時調(diào)節(jié)PWM占空比，使電流達到I_set，繼續(xù)循環(huán)。

圖3-3-1 系統(tǒng)軟件流程圖

4.測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試儀器

測試中用到的儀器儀表主要包括萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器以及信號發(fā)生器，具體信息見表4-1-1。

表4-1-1 測試中用到的儀器儀表信息

4.2 測試項目及結(jié)果

（1）恒流模式下的精度測試

根據(jù)要求，系統(tǒng)需要工作在一系列恒流值下，通過調(diào)整對應(yīng)電流下的PWM信號的占空比，即可使輸出電流達到所需精度。部分測試結(jié)果如表4-2-1所示。

表4-2-1 恒流模式下的精度測試結(jié)果

如上表所示，設(shè)定值與測量值間的絕對誤差均遠小于要求的0.2mA，完全達到目標要求。

（2）步進模式下的精度測試

根據(jù)要求，系統(tǒng)需要以至多3mA的步距步進設(shè)定負載電流值，并能循環(huán)設(shè)定電流值。本設(shè)計通過按鍵來控制電流的步進，測試結(jié)果如表4-2-2所示。

表4-2-2 步進模式下的精度測試結(jié)果

表4-2-3 電容供電系統(tǒng)工作時間測試結(jié)果

由表4-2-2可知，步進模式下連續(xù)測量各電流值穩(wěn)定情況，發(fā)現(xiàn)其誤差仍在允許范圍內(nèi)，達到目標要求。

（3）電容供電模式下系統(tǒng)持續(xù)工作時間測試

根據(jù)要求，系統(tǒng)需在僅由電容供電情況下使LED工作在0.5mA以上的時間盡量延長。本設(shè)計采用電容自然放電方式，?。ㄏ罗D(zhuǎn)第181頁）（上接第179頁）當選擇初始電流，加以PWM調(diào)制，使LED電流保持在稍高于0.5mA的值，直至放電結(jié)束。沒有加其它元件以節(jié)約電能，藉此增加LED工作時間。測試結(jié)果如表4-2-3所示。

由表4-2-3可知，系統(tǒng)工作時間和初始電流有一定關(guān)系，通過調(diào)試可以得到最佳的初始電流。

5.遇到的問題及解決辦法

閉環(huán)A/D采樣時，發(fā)現(xiàn)采樣電阻上的電壓不穩(wěn)定，采樣值跳躍。原因是PWM頻率較低，且電源芯片輸出端沒有加電感和電容進行濾波，導致電流不連續(xù)、電壓不平穩(wěn)。受限于時間，經(jīng)過計算及分析，決定將系統(tǒng)改為開環(huán)控制，在保證精度的前提下盡量提高系統(tǒng)性能，使其達到盡可能多的指標。

6.總結(jié)

本系統(tǒng)以MSP430為主控制器，利用其內(nèi)部PWM發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號控制升壓電路的輸出電壓，從而達到對負載電流的控制。系統(tǒng)采用了較為簡單、穩(wěn)定的開環(huán)控制算法，利用大量測量值建立起來的占空比-負載電流關(guān)系曲線來確定各電流值下的PWM占空比參數(shù)，從而實現(xiàn)對電流的恒定控制。

參考文獻

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作者簡介：王軍（1979—），男，江蘇寶應(yīng)人，大學?？疲砉こ處?，研究方向：單片機的應(yīng)用及移動通訊技術(shù)研究。