高效LED驅(qū)動(dòng)電路(2014年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽)

1、 2014年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽項(xiàng)目報(bào)告題 目： 高效LED驅(qū)動(dòng)電路（6題） 學(xué)校： 太原科技大學(xué) 指導(dǎo)教師： 于老師 組別： 本科組 應(yīng)用類別： 低功耗節(jié)能類 平臺(tái)： MSP430LG2553 參賽隊(duì)成員名單（含個(gè)人教育簡(jiǎn)歷）：組員一：組長(zhǎng)賀文吉, 現(xiàn)就讀于太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)電氣111504班、本科學(xué)歷。自2011年入學(xué)以來參加了太原科技大學(xué)科技實(shí)踐協(xié)會(huì)，參與了很多項(xiàng)目和制作了很多電子產(chǎn)品。動(dòng)手和實(shí)踐能力強(qiáng),積極參與了TI公司的各種研討會(huì)，玩轉(zhuǎn)TI的430單片機(jī)。主要負(fù)責(zé)分配任務(wù)以及對(duì)軟件的細(xì)節(jié)進(jìn)行完善。具有出色的代碼能力和邏輯思維能力，善于攻克難題。

2、平時(shí)認(rèn)真負(fù)責(zé)，點(diǎn)子頗多，具有很強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力?？釔垭娮又谱髟诒敬胃?jìng)賽中經(jīng)常連夜制作和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、整體任務(wù)分配、調(diào)度以及最后文檔的完善。郵箱：384174904組員二：組員劉奇，現(xiàn)就讀于太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)電氣111504班、本科學(xué)歷。自2011年入學(xué)以來參加了太原科技大學(xué)青年志愿者協(xié)會(huì)，參與了開關(guān)電源和智能小車制作。做事認(rèn)真負(fù)責(zé)，興趣廣泛。熱愛嵌入式相關(guān)技術(shù)，在本次比賽中負(fù)責(zé)資料收集文檔、圖片編輯和器件采購工作，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新能力熟悉各種單片機(jī)的使用，對(duì)TI的單片機(jī)有獨(dú)到的見解，有良好的團(tuán)隊(duì)合作精神，善于發(fā)現(xiàn)程序中的BUG。郵箱：.組員三：組員王鵬飛，

3、現(xiàn)就讀于太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)電氣121505班。從大一以來積極參見社團(tuán)活動(dòng)，主要負(fù)責(zé)文件內(nèi)容整理方面的工作。具有較強(qiáng)的總結(jié)性。在本次比賽中負(fù)責(zé)整理資料，撰寫論文以及其他繁瑣小事。郵箱：.郵寄地址和收件人聯(lián)系方式：山西省太原市萬柏林區(qū)窊流路66號(hào)太原科技大學(xué)（賀文吉收） 電話：1823403XXXX（賀同學(xué)） 電話：XXXXXXXXX（劉同學(xué)）題 目： 基于TPS61040變換器的高效LED驅(qū)動(dòng)電路 摘要本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)基于MSP430G2553單片機(jī)的高效恒流LED驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)在高位將流過檢流電阻的電壓差放大，輸入誤差放大器的同相端。同時(shí)控制DAC輸出參考電壓，

4、輸入誤差放大器的反相端。兩個(gè)輸入電壓經(jīng)過誤差放大器比較后，控制集成Boost芯片的Ref引腳，達(dá)到控制LED電流的目的。由于本系統(tǒng)對(duì)能耗有要求，在制作時(shí)采用了低功耗元件，同時(shí)去除了無關(guān)的微控制器外設(shè)，只有2個(gè)控制電流大小的按鍵，以及電路總開關(guān)元件。MSP430G2553單片機(jī)工作于低功耗狀態(tài)，同時(shí)采用合理的控制算法，可保持LED繼續(xù)發(fā)光45秒以上。關(guān)鍵字 MSP430G2553 LED 恒流 數(shù)控 低功耗This is a design of high efficiency LED driver based on the LaunchPad platform. This system ampl

5、ifies the differential mode signal between the shunt current monitor resistor and input the signal into the positive node of error amplifier. Meanwhile, control the DAC to output the reference signal and input it into the negative node of error amplifier. After the competition of these two signals b

6、y the error amplifier, this signal controls the reference node of boost chip, and control the current which passing over the LED. Based on the limitation of power waste, this system using the low-power components and dump the useless peripheral part of micro control unit, only two keys by using it t

7、o control the pre-setup current. After transforming the power supply by using the farad capacity, LaunchPad turn into low power mode. Also, by using the suitable control mode, this system could turn the LED lights up more than 45s.一、引言在追求節(jié)能綠色環(huán)保的今天，LED越來越受到大眾的青睞，從城市路燈照明到室內(nèi)家庭照明，從手機(jī)屏幕的背光照明到戶外用手電筒。由于LED

8、的亮度和流過的電流成正比，而隨著點(diǎn)亮?xí)r間的變化，LED的等效電阻變化較大。為了保證LED的亮度，同時(shí)延長(zhǎng)LED的壽命，一個(gè)合理的高效恒流控制電路成為了LED燈具中的重點(diǎn)難題。我們組在這次邀請(qǐng)賽中，設(shè)計(jì)了以TPS61040這款高頻低功耗升壓轉(zhuǎn)換器為核心的LED驅(qū)動(dòng)電路，借助MSP430G2553的單片機(jī)控制DAC7512數(shù)模轉(zhuǎn)換器來微控。將TPS61040與LED負(fù)載之間的電流監(jiān)控器INA168中的電流與DAC7512中的電流分別輸入OPA2333的誤差放大電路中的同相端與反相端，將誤差放大器的輸出接入TPS610410的Ref引腳，形成反饋回路。系統(tǒng)硬件電路主要分為220V/AC轉(zhuǎn)3.3V/D

9、C供電模塊，單片機(jī)控制模塊以及基于TPS61040的恒定電流驅(qū)動(dòng)模塊三部分。在軟件方面，程序編寫使用CCSV5.3，編寫的具體程序除了對(duì)各個(gè)芯片進(jìn)行聲明與基本設(shè)置外主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)功能：通過兩個(gè)按鍵來控制供給LED電流的大?。辉O(shè)置了單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)的觸發(fā)條件當(dāng)流過負(fù)載LED的電流小于0.5mA時(shí)，指示燈發(fā)光。2、 系統(tǒng)方案基于TPS61040的恒定電流控制模塊，電源供電模塊，單片機(jī)控制模塊；1：方案論證與比較：1）電流檢測(cè)方式的選擇方案1：采用高端串聯(lián)小電阻的方式檢測(cè)電流。采樣電阻在Boost輸出電路和燈具之間，隨后接入差分放大電路。其優(yōu)點(diǎn)是電源噪聲對(duì)采樣結(jié)果影響小，同時(shí)可使用一個(gè)較小的測(cè)流電

10、阻，節(jié)省能耗。但是由于運(yùn)算放大器的輸入端電壓必須落在電源軌之內(nèi)，所以無法應(yīng)用于高電壓的電流檢測(cè)。同時(shí)，電路必須具有強(qiáng)大的共模電壓抑制比，否則會(huì)失調(diào)。 方案2：采用低端串聯(lián)小電阻的方式檢測(cè)電流。采樣電阻在燈具和電源地之間,其優(yōu)點(diǎn)是在過高的輸出電壓對(duì)燈具供電時(shí)也可以檢測(cè)電流，但是由于運(yùn)放不具備完全軌到軌的能力，該采樣方式對(duì)小電流測(cè)量無能為力，為了檢測(cè)小電流，必須增加低端側(cè)流電阻的大小。同時(shí)，這種方法的電源噪聲對(duì)采樣結(jié)果影響較大，易使電路發(fā)生自激。綜合方案1和2的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了高端電阻并結(jié)合并連電流監(jiān)視放大器的電路，采用了一個(gè)較小的電阻（20歐姆精確電阻，必須經(jīng)過校正核實(shí)）使得電流流過該電阻時(shí)能

11、耗不會(huì)過大，同時(shí)能得到較好的精度。 4502）數(shù)控電流方案方案1：利用DAC控制電壓。通過微控制器控制DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換后的輸出電壓進(jìn)入誤差放大器，影響整個(gè)環(huán)路的工作狀態(tài)。由于本次比賽沒有提供基準(zhǔn)源，當(dāng)電路進(jìn)入法拉電容供電工作的狀態(tài)下，DAC輸出電壓同時(shí)下降。方案2：利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制Boost芯片的使能腳，通過微控制器控制PWM信號(hào)輸出改變Boost電路工作時(shí)間的占空比，來達(dá)到控制總電流輸出的目的。該方法原理非常簡(jiǎn)單，在該用法拉電容供電后也能保持恒定的電流輸出。但是這個(gè)PWM頻率過高會(huì)導(dǎo)致Boost芯片頻繁啟動(dòng)的能耗過大，而PWM頻率過低會(huì)發(fā)生閃爍。同時(shí)，由于Boost電路中電容緩

12、沖的作用，積分測(cè)量后的輸出并不是線性關(guān)系，需要大量時(shí)間用于采集信號(hào)，計(jì)算。本系統(tǒng)選用方案1，相比于采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制使能腳的方案，方案1在利用了環(huán)路自身反饋保持恒定電流輸出優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，大大減輕了微控制器的負(fù)擔(dān)，當(dāng)改變環(huán)路電流時(shí)，微控制器只需要發(fā)送一組數(shù)據(jù)用于控制DAC輸出電壓即可，其余時(shí)間微控制器可以休眠，故采用方案1。 3002：總體方案描述圖2-系統(tǒng)主框圖 首先，本系統(tǒng)將基于7805/1117-3.3的供電電路將220V交流電轉(zhuǎn)化為3.3V直流電與Boost電路連接，采用TPS61040作為Boost芯片為燈具供電。然后在Boost電路輸出和燈具負(fù)載之間加入Shunt電阻，在Shun

13、t電阻兩端并聯(lián)電流監(jiān)視器INA168將Shunt電阻兩端的電壓差放大，輸入由OPA2333構(gòu)成誤差放大器的同相端。同時(shí)使用基于MSP430G2553的最小系統(tǒng)微控制器來控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC7512輸出參考電壓，將參考電壓輸入誤差放大器的反相端。反饋電壓和控制電壓經(jīng)過誤差放大器比較后，集成到Boost芯片TPS61040的Ref引腳，形成反饋回路，達(dá)到控制總環(huán)路電流的目的。在各個(gè)器件之間加入必要的保護(hù)器件，防止發(fā)生意外時(shí)損壞器件。由于本系統(tǒng)對(duì)能耗有要求，選擇的所有芯片都屬于低功耗型號(hào)，在供電轉(zhuǎn)換為法拉電容時(shí)供電電壓變的相當(dāng)?shù)偷碾妷合乱材芄ぷ鳌SP430G2553單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)，同時(shí)采

14、用合理的控制算法，使系統(tǒng)在0.47法拉電容供電的情況下，LED電流在0.5mA以上仍可以保持45秒以上。450三、理論分析與計(jì)算設(shè)計(jì)的電流傳感器的跨阻放大系數(shù)為100，輸出電壓范圍為0.1-2.2V，對(duì)應(yīng)于總輸出電流的1mA-22mA?？刂菩盘?hào)同樣采用0.1V-2.2V的范圍，采用12位軌到軌DAC在3.3V供電的情況下能獲得大約2500級(jí)的控制級(jí)別,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于題目要求控制級(jí)別，使電流控制精度達(dá)到0.07mA。計(jì)算功耗。微控制器大約消耗150uA。誤差放大器大約消耗40uA。電流監(jiān)測(cè)器消耗25uA，DAC消耗80uA?？刂品答伝芈房傠娏鱅1: I1=150uA+40uA+25uA+80uA=29

15、5uA當(dāng)轉(zhuǎn)成充滿電的法拉電容供電時(shí)，Boost輸出電流按1mA輸出計(jì)算，每個(gè)燈電壓設(shè)為2.7V，則總消耗功率P1： P1=(2.7×5)×1=13.5mW在此系統(tǒng)中Boost換能器大約為75%效率。則LED負(fù)載總功率PLED: PLED=13.5/75=18mW將功率折合成電流計(jì)算則ILED： ILED=18÷3.3=5.5mA故當(dāng)轉(zhuǎn)換成法拉電容供電時(shí)，所需總電流I總為： I總=5.5+2.956mA假設(shè)法拉電容的電壓下降程度和容量成正比，在1.8V電壓以上，0.33法拉的電容充足3.3V電壓后，能提供大約0.5C的能量，則折合成時(shí)間t亮為： t亮=500

16、7;683S 3004、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 基于7805/1117-3.3的供電電路直流穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其作用是為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能。 主要介紹了以單相橋式整流及三端集成穩(wěn)壓器為主的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，并完成將輸入 220V，50Hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為輸出 5V 的穩(wěn)定直流電。首先確定了總體的設(shè)計(jì)方案，其次，明確了穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)穩(wěn)壓電源的要求，再次設(shè)計(jì)了 3.3V 直流穩(wěn)壓電源電路，最后進(jìn)行參數(shù)的估算以及元器件的選擇。 通過軟件Altium Designer完成基本的電路原理圖，使其滿足基本設(shè)計(jì)要求。 2001） 技術(shù)指標(biāo)及要求穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：特

17、性指標(biāo)，包括允許的輸出電壓、輸入電壓、輸出電流及電壓調(diào)節(jié)范圍；質(zhì)量指標(biāo)，用來反映輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括輸入調(diào)整因素、輸出電阻、紋波抑制比及溫度系數(shù)等。 對(duì)穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四方面要求：（1） 輸入調(diào)整因素：當(dāng)輸入電壓（整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，有： 式中：KV反映了輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。（2）輸出電阻。負(fù)載變化時(shí)（從空載到滿載），輸出電壓 V0應(yīng)基本保持不變，穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。 R0反映負(fù)載電流 I0變化對(duì) V0的影響。（3）溫度系數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起輸出電壓的漂移。 （4）紋波抑制比。所謂紋波電壓， 是指輸出電壓中 50Hz

18、或 100Hz 的交流分量，通常用有效值或峰值表示，一般為毫伏數(shù)量級(jí)，它表示輸出電壓的微小波動(dòng)。 常用紋波抑制比 RR 表示： 式中：和分別表示輸入紋波電壓峰-峰值和輸出紋波電壓峰-峰值。2） 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)穩(wěn)定直流源設(shè)計(jì)的一般思路是讓輸入電壓先通過電壓變壓器，將來自電網(wǎng)的220V交變電流變換為整流電路所需的交變電流電壓，再通過整流網(wǎng)絡(luò)，將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，然后經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)，將脈動(dòng)直流電壓中大部分的波紋濾除，得到平滑的直流電壓，最后經(jīng)過穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)，保證在外界環(huán)境（電網(wǎng)電壓、環(huán)境溫度、負(fù)載）發(fā)生變化時(shí)，輸出電流電壓不受影響。 以全波整流電路作為整流網(wǎng)絡(luò)， 以極性電容作為濾波網(wǎng)絡(luò)。由于電源需

19、要輸出5V電壓，所以采用外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉的固定式三端集成穩(wěn)壓電路 LM7805C 設(shè)計(jì)制作連續(xù)可調(diào)的正極型直流穩(wěn)壓電源。 將電網(wǎng)電壓（220V/AC）經(jīng)降壓變壓器 220：25 輸出 25V 交流，經(jīng)橋式整流、大電容濾波后分別經(jīng)過集成穩(wěn)壓塊 LM7805C 作用得到 5V 的直流輸出，5V的直流再經(jīng)過LM1117 穩(wěn)壓器得到3.3V直流輸出。穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器、濾波器和穩(wěn)壓器四大部分組成：圖4.1.1直流電源系統(tǒng)方框圖具體電路如圖 4.1.2 所示T1為電源變壓器，D1為整流電路，輸入電容 C1用于抑制紋波電壓， 輸出電容 C2用于消振，緩沖沖擊性負(fù)載，C3、

20、C4用于高頻濾波，保證電路工作穩(wěn)定。其中R1為限流電阻，DZ為穩(wěn)壓輸出二極管，LED1作為指示燈。 5403） 穩(wěn)壓電源器件的選擇4.1.3.1集成穩(wěn)壓器的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求選CW7805器件其主要參數(shù)是：V0=5V ,Vi=835V ,Iomax=1.5A ( ViV0 )min>2.0V ， Id=3.2mA。4.1.3.2電源變壓器的選擇變壓器的選擇主要依據(jù)輸入、輸出電壓和副邊輸出功率P0。從小型變壓器的副邊輸出功率P0，與效率的關(guān)系，如表1所示。 表1副邊輸出功率P0與效率的關(guān)系副邊輸出功率P0<10VA(10-30)VA(30-80)VA（80-200）VA效率0.60

21、.70.80.9在選擇變壓器時(shí)，V2與輸入電壓Vi的關(guān)系為:Vimin/(1.1-1.2)V2Vimax/(1.1-1.2) (1) 由于8Vi35，由式(1)得:7.27Vi31.82 (2)考慮到功耗因素，一般取副邊電壓為：V2Vimin/1.17.27 (3) 由于穩(wěn)壓器CW7805的最大輸出電流I0max=1.5A，則變壓器的副邊輸出電流有效值為：I2I0max1.5 （4）取I21.6V，V27.27V，則：P211.63W （5）由式(5)和表1可得，0.7，P1P2/0.716.62W。故選20W次級(jí)電壓為交流10V左右的交流降壓變壓器。4.1.3.3整流二極管的選擇 整流二極管

22、的選擇，主要考慮反向擊穿VRM，額定工作電流IF。VRM,IF。應(yīng)滿足:VRMV2，IFI0max （6）根據(jù)V2=10.95V,I0max1.5A的要求，選IN4001為整流二極管。4.1.3.4濾波電容的選擇 濾波電容的選擇依據(jù)紋波電壓的頻率f =100Hz，同時(shí)考慮到電容器的耐壓值應(yīng)大于了V2=10.92V ,濾波電容可按下式估算: （7）故選標(biāo)稱值為3300F的電解電容器。 4.2基于MSP430G2553的最小系統(tǒng)MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器( TI) 公司從 1996 年開始向市場(chǎng)推出的一種 16 位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集( RISC) 的混合信號(hào)處理器( Mixed

23、Signal Processor) 。MSP430G2553 是德州儀器( TI) 公司針對(duì)超低功耗而特意向市場(chǎng)推出的一款新型單片機(jī)，具有高性價(jià)比，超低功耗運(yùn)行，即使十分微弱的能量也能夠驅(qū)動(dòng)MSP430單片機(jī)工作，在1.8V以上的電壓下CPU都可以正常工作的特點(diǎn)。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)能耗有要求，對(duì)比MCS51等類型單片機(jī)MSP430G2553在低功耗，低能量驅(qū)動(dòng)方面優(yōu)勢(shì)明顯且MSP430G2553集成度很高。以下是在設(shè)計(jì)中使用的 MSP430G2553 試驗(yàn)板具有以下特點(diǎn):( 1) USB調(diào)試與編程接口不需驅(qū)動(dòng)即可安裝，且具備高達(dá)9600bit/s 的 UART 串行通信速度。( 2) 支持采用 PDI

24、P14 或 PDIP20 封裝的所有 MSP430G2xx及 MSP430F20xx 的元器件。( 3) 分別連有綠色 LED 和紅色 LED 的兩個(gè)通用數(shù)字 I/O 口引腳可提供明顯的視覺反饋。( 4) 兩個(gè)按鈕可實(shí)現(xiàn)用戶反饋和芯片復(fù)位。( 5) 器件的引腳可經(jīng)插座引出，可以方便于調(diào)試，也易于定制擴(kuò)展板的添加。( 6) 高質(zhì)量的 20 引腳 DIP 插座，可輕松簡(jiǎn)便地插入或者移除目標(biāo)元器件。如圖4.2.1所示：圖4.2.1 MSP430G2553原理圖/封裝圖430g2553最小系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)如下： 圖4.2.2-MSP430G2553最小系統(tǒng)圖 圖4.2.3-振蕩電路 圖4.2.4-復(fù)位

25、電路單片機(jī)里雖然集成了很多電路，但仍然不能獨(dú)立運(yùn)行，必須要外連一些電路，才能使單片機(jī)運(yùn)行起來。這種能使單片機(jī)工作的最簡(jiǎn)電路，我們叫做單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分組成。圖4.2.3為振蕩電路，C1、C4為負(fù)載電容，Y1為32.768KHz的晶振，為低頻振蕩器、為系統(tǒng)提供低功耗晶振，晶振并不能獨(dú)立的使用，必須配合合適的負(fù)載電容，否則會(huì)產(chǎn)生頻率偏差，或者是使晶振不能工作。負(fù)載電容的選擇可以根據(jù)單片機(jī)的技術(shù)文檔上的說明來選擇；圖4.2.是一個(gè)經(jīng)的雙復(fù)位電路，即可實(shí)現(xiàn)上電自復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，AN1、AN2為系統(tǒng)復(fù)位及控制端口；圖中LED1為總系統(tǒng)的工作指示燈，R3

26、為限流電阻，C1、C2為濾波電容，2個(gè)10位的DIP接口將單片機(jī)I/O口引出，以便并網(wǎng)使用。 5104.3基于TPS61040的高效LED驅(qū)動(dòng)電路1）本系統(tǒng)采用了TPS61040作為Boost芯片，為燈具供電。該芯片的開關(guān)頻率和負(fù)載電流及電壓有關(guān)，負(fù)載越輕開關(guān)頻率越小，這有助于節(jié)省開關(guān)損耗。電感采用了10uH的鐵氧體工字電感。由于電路的開關(guān)頻率不高，鐵氧體電感能夠良好工作。續(xù)流二極管采用SK24，能提供2A的電流，同時(shí)承受40V的反相電壓。為了防止燈具意外斷路造成Boost電路升壓過高，在燈具接口處放置有了一個(gè)24V的齊納二極管，保護(hù)整個(gè)電路。其電路如圖4.3.1所示：圖4.3.1-TPS61

27、040構(gòu)成的BOOST電路2）隨后本系統(tǒng)在Boost電路輸出和負(fù)載燈具之間加入了一個(gè)20歐姆的Shunt電阻，當(dāng)1mA-22mA的電流流過該電阻時(shí)，能產(chǎn)生20mV-440mV的差模電壓。Shunt電阻越小越節(jié)能。這個(gè)電壓范圍避免了10mV以下的較大失調(diào)電壓輸出，也避免了500mV以上的輸出不準(zhǔn)確。使用25K歐姆的電阻當(dāng)作INA168的負(fù)載，結(jié)合INA168內(nèi)部的5K歐姆電阻，將Shunt電阻兩端的電壓差放大5倍。整個(gè)電流監(jiān)測(cè)電路的跨阻系數(shù)為100，故輸出電壓范圍為0.1-2.2V，對(duì)應(yīng)于總輸出電流的1mA-22mA。電路中的2個(gè)外接電阻經(jīng)過精密測(cè)量，控制誤差在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。這樣構(gòu)成的電路

28、，即使電阻有誤差，也是線性的，可以在程序中補(bǔ)償。同時(shí)，該信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的輸入偏置電流可以忽略不計(jì)。其電路圖如圖4.3.2所示：圖4.3.2-由INA168組成的高端電流檢測(cè)電路 3）在控制上，電流反饋信號(hào)輸入由低功耗運(yùn)算放大器OPA2333構(gòu)成誤差放大器的同相端。同時(shí)使用MSP430G2553單片機(jī)控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC7512輸出參考電壓，輸入OPA2333的反相端。反饋電壓和控制電壓經(jīng)過誤外部差放大器比較后，控制集成Boost芯片TPS61040的反饋引腳，達(dá)到控制總環(huán)路電流的目的。當(dāng)電流信號(hào)低于控制信號(hào)時(shí)，OPA2333輸出電壓下降，TPS61040為了補(bǔ)償這個(gè)壓降

29、會(huì)自動(dòng)提高輸出電壓。反饋環(huán)路中有3個(gè)等效運(yùn)算放大器，由于各個(gè)運(yùn)算放大器自動(dòng)平衡的特點(diǎn)，故不需要考慮TPS61040內(nèi)部誤差放大器的工作狀態(tài)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。同時(shí)也減少了芯片使用量，節(jié)省了電源。幾個(gè)運(yùn)算放大器的增益帶寬積都不高，這樣可有效抑制反饋電路中的高頻毛刺，無需在電路中加電源補(bǔ)償濾波。其電路如圖4.3.3所示： 圖4.3.3-OPA2333構(gòu)成的比較器4）DAC采用的是軌到軌輸出的電阻分壓式設(shè)計(jì)?？刂平涌诓捎肧PI接口和MSP430G2553單片機(jī)鏈接。當(dāng)數(shù)據(jù)改變時(shí)才向DAC發(fā)送一次數(shù)據(jù)，其余時(shí)間MSP430G2553單片機(jī)可以休眠。為了防止電源對(duì)DAC的干擾，DAC的供電采用了LC濾波電

30、路。電路如圖4.3.4所示：圖4.3.4-由DAC7512組成的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路5） 總體電路如下圖所示： 圖4.3.5-高效LED驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)供電轉(zhuǎn)換成法拉電容時(shí)，隨著電容不斷放電輸出電壓也會(huì)不斷降低，因此DAC的供電電壓會(huì)下降，但是芯片內(nèi)部能鎖住電阻網(wǎng)絡(luò)，所以DAC輸出的電壓是隨著供電電壓的下降而一起下降的。電容供電時(shí)，單片機(jī)不工作，所以不產(chǎn)生功耗。由于參與工作的驅(qū)動(dòng)電路芯片、電流檢查電路芯片、誤差放大電路芯片構(gòu)成反饋環(huán)，只要有電就可以工作在線性區(qū)。而Boost電路在1.8V還能工作，因此輸出電流也會(huì)跟隨下降。當(dāng)法拉電容放電時(shí)，初始放電電流越大，可以根據(jù)系統(tǒng)自身硬件能找到一個(gè)合適點(diǎn)來設(shè)置電流，使

31、得設(shè)置電流在下降到正常工作電路（0.5mA）之前支撐最長(zhǎng)時(shí)間。 12004.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)MSP430G2553單片機(jī)通過SPI接口精確控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7512輸出電壓值，進(jìn)而精確控制TPS61040與運(yùn)放等組成的恒流源電路輸出電流，點(diǎn)亮LED串。輸出電流步進(jìn)1mA，輸出范圍0.1mA22mA。MSP430G2553單片機(jī)上的LED指示燈在恒流源輸出電流小于0.5mA以及大于1mA時(shí)點(diǎn)亮，其余時(shí)間進(jìn)入休眠，處于低功耗模式。 圖4.4.1-MSP430G2553主程序流程圖程序執(zhí)行的流程如下所述：第一步：在程序開始執(zhí)行時(shí)，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置初始電流。第二步：初始化完成后檢測(cè)判斷系統(tǒng)是否

32、掉電，若掉電，直接進(jìn)入低功耗模式；若未掉電，進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。第二步：在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)之后，通過檢測(cè)設(shè)備，讀取電流設(shè)定值，并通過D/A輸出設(shè)定值；第三步：循環(huán)檢測(cè)是否掉電，若掉電，直接進(jìn)入低功耗模式；若未掉電，檢測(cè)電流是否下降到閾值，如果到了，指示燈顯示，否者返回到設(shè)定電流。 150 附錄具體程序如下： Main.c#include "MSP_HAL.h"int main() UCS_Init(); /System Clock Init PORT_Init(); /GPIO Init DAC_SetData(DAC_CODE0); /Set the Defualt Current t

33、o 1mA _enable_interrupt(); /Enable Interrupt while(1) /Main Process KEY_Process(); LED_Process(); _delay_cycles(2500); MSP_HAL.h#ifndef _MSP_HAL_H_#define _MSP_HAL_H_#include "MSP430.h"#include "stdint.h"/DAC7512 PORT Define#define DAC_PORT P2OUT#define DAC_SYNC BIT5#define DAC_S

34、CLK BIT4#define DAC_MOSI BIT3extern uint8_t dacnum;extern uint16_t KeyPress;extern uint16_t KeyValue;extern const uint16_t DAC_CODE;extern void UCS_Init();extern void PORT_Init();extern void ADC_INT_Init();extern uint16_t ADC_GET_VAL();extern void DAC_SetData(uint16_t dac_dat);extern void KEY_Proces

35、s();extern void LED_Process();#endifMSP_HAL.c#include "MSP_HAL.h"uint8_t dacnum = 0;uint16_t KeyPress,KeyValue;const uint16_t DAC_CODE = 125,250,375,500,630,760,890,1010,1140,1270, 1400,1530,1655,1780,1900,2025,2150,2280,2405, 2535,2665,2790;/Clock System Initializevoid UCS_Init() / Stop w

36、atchdog timer to prevent time out reset WDTCTL = WDTPW|WDTHOLD; BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; / Set range DCOCTL = CALDCO_1MHZ; BCSCTL2 &= (DIVS_3); / SMCLK = DCO = 1MHz /PORT Initializevoid PORT_Init() /LED Port P1DIR |= BIT6; /ADC A0 Analog Input P1DIR &= BIT0; /DAC7512 Port P2DIR |= DAC_SYNC|DAC_SCLK|DAC_MOSI; DAC_PORT |= DAC_SYNC|DAC_SCLK|DAC_MOSI; /KEY Board P2OUT |= BIT1|BIT2; P2DIR &= (BIT1|BIT2); P2REN |= BIT1|BIT2; P2IES &= (BIT1|BIT2); /select falling edge trigger P2IFG =0; /clear flags P2IE = BIT1