2024年4月27日发(作者：计怜雪)
2016年全国大学生电子设计竞赛
2016年7月28日
摘 要
本设计以TI公司的MSP430G2553单片机作为控制核心，设计制作了一种降
压型开关稳压电源。该电源主电路为同步整流BUCK电路，通过LM5117驱动
CSD18532KCS MOS场效应管实现稳压输出，电流检测电路使用TI的高精度检
流芯片INA282实现对电路的保护，系统效率可达到89%。达到了设计要求中的
各项指标。
关键词：LM5117 同步整流BUCK电路
MSP430G2553 INA282
II
目 录
一、系统方案 ................................................................. 4
1.1 DC-DC驱动模块的比较与选择 ........................................................................................ 4
1.2 主控制器的比较与选择 ................................................................................................... 4
1.3 过流保护方案的比较与选择 ........................................................................................... 4
1.4 单片机供电模块的比较与选择 ....................................................................................... 5
二、系统理论分析与计算 ....................................................... 5
2.1 主要器件参数选择及计算 ............................................................................................... 5
2.1.1 定值电阻RT的计算 ............................................................................................. 5
2.1.2 输出电感L
0
的选取 .............................................................................................. 5
2.1.3 电流检测电阻Rs的选取 ....................................................................................... 5
2.1.4 输出电容C
o
的选取 .............................................................................................. 5
2.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取 ....................................................................... 6
2.2 提高效率的方法 ............................................................................................................... 6
2.3 降低纹波的方法 ............................................................................................................... 6
2.4 DC-DC变换方法 ................................................................................................................ 6
2.5 稳压控制方法 ................................................................................................................... 7
三、电路与程序设计 ........................................................... 7
3.1主回路与器件的选择 ........................................................................................................ 7
3.1.1电路主回路 ............................................................................................................ 7
3.1.2电路器件选择 ........................................................................................................ 7
3.2 控制电路及程序 ............................................................................................................... 8
3.2.1 控制电路 ............................................................................................................... 8
3.2.2 主程序流程图 ....................................................................................................... 8
3.2.3 部分源程序代码 ................................................................................................... 8
四、系统测试 ................................................................. 8
4.1 测试方案及条件 ............................................................................................................... 8
4.1.1 测试仪器 ............................................................................................................... 8
4.1.2 测试方法 ............................................................................................................... 8
4.2 测试过程及结果 ............................................................................................................... 8
4.3 测试结果分析 ................................................................................................................... 9
附录1：程序流程图 .......................................................... 10
附录2：部分源代码 .......................................................... 12
III
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。
VIN
单片机供电模块
AD
降压稳压
负载
直流电源
PWM
MCU
识
别
阻抗R
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。
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。
4
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：
2024年4月27日发(作者：计怜雪)
2016年全国大学生电子设计竞赛
2016年7月28日
摘 要
本设计以TI公司的MSP430G2553单片机作为控制核心，设计制作了一种降
压型开关稳压电源。该电源主电路为同步整流BUCK电路，通过LM5117驱动
CSD18532KCS MOS场效应管实现稳压输出，电流检测电路使用TI的高精度检
流芯片INA282实现对电路的保护，系统效率可达到89%。达到了设计要求中的
各项指标。
关键词：LM5117 同步整流BUCK电路
MSP430G2553 INA282
II
目 录
一、系统方案 ................................................................. 4
1.1 DC-DC驱动模块的比较与选择 ........................................................................................ 4
1.2 主控制器的比较与选择 ................................................................................................... 4
1.3 过流保护方案的比较与选择 ........................................................................................... 4
1.4 单片机供电模块的比较与选择 ....................................................................................... 5
二、系统理论分析与计算 ....................................................... 5
2.1 主要器件参数选择及计算 ............................................................................................... 5
2.1.1 定值电阻RT的计算 ............................................................................................. 5
2.1.2 输出电感L
0
的选取 .............................................................................................. 5
2.1.3 电流检测电阻Rs的选取 ....................................................................................... 5
2.1.4 输出电容C
o
的选取 .............................................................................................. 5
2.1.5 过流保护电路中检流电阻的选取 ....................................................................... 6
2.2 提高效率的方法 ............................................................................................................... 6
2.3 降低纹波的方法 ............................................................................................................... 6
2.4 DC-DC变换方法 ................................................................................................................ 6
2.5 稳压控制方法 ................................................................................................................... 7
三、电路与程序设计 ........................................................... 7
3.1主回路与器件的选择 ........................................................................................................ 7
3.1.1电路主回路 ............................................................................................................ 7
3.1.2电路器件选择 ........................................................................................................ 7
3.2 控制电路及程序 ............................................................................................................... 8
3.2.1 控制电路 ............................................................................................................... 8
3.2.2 主程序流程图 ....................................................................................................... 8
3.2.3 部分源程序代码 ................................................................................................... 8
四、系统测试 ................................................................. 8
4.1 测试方案及条件 ............................................................................................................... 8
4.1.1 测试仪器 ............................................................................................................... 8
4.1.2 测试方法 ............................................................................................................... 8
4.2 测试过程及结果 ............................................................................................................... 8
4.3 测试结果分析 ................................................................................................................... 9
附录1：程序流程图 .......................................................... 10
附录2：部分源代码 .......................................................... 12
III
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。
VIN
单片机供电模块
AD
降压稳压
负载
直流电源
PWM
MCU
识
别
阻抗R
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。
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。
4
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：