基于STM32F334的数字BUCK电源设计

江苏科技大学 俞宏洋 秦怀宇

引言

数字电源由于早期成本较高，往往用于航天等高端领域。随着近年来MCU性价比不断提升，光伏微电网和全电汽车等新兴行业的发展，数字电源得到了较多关注。针对市面上供开发的数字电源产品不多，本文阐述了一种具体的硬件设计方案，具有参考意义。

1.数字电源简介

数字电源的定义主要分为两种：一种将具有数字式通信、监测、调节、保护等功能的电源产品成为数字电源，另一种将使用DSP、MCU、FPGA等可编程器件的、在数字域内执行电源反馈控制的产品成为数字电源。前者从电源基本拓扑上来看仍然是模拟控制的，而后者更符合“数字控制”的定义，而。图1和图2显示了数字电源与模拟电源结构上的区别。

图1 模拟电源

图2 数字电源

数字电源相比于模拟电源，具有以下几个优点[3]：

1.1 电路简化。一方面模拟电源控制器的电压、频率等参数需要外接阻容元件来确定，环路补偿也使用阻容网络来实现，修改电路参数较为麻烦。而数字电源的调整和补偿使用数字方式。另一方面一些复杂控制或高级拓扑使用软件控制更容易实现。

1.2 成本低。数字控制器芯片价格较高一直是阻碍其推广的重要原因。但近年来有一些结合DSP和MCU特点的、专用于数字控制领域的MCU，其价格远低于DSP，并且有高分辨率定时器（HRTIM）、高速ADC等高速高精度数字控制所需外设。如STM32F334系列，还拥有可编程放大器（PGA）和比较器等普通MCU没有的外设资源，更进一步节省了成本。

1.3 适应性强。若用户对电源的输入输出指标、响应速度、保护控制等功能提出不同要求时，模拟电源几乎需要重新设计，而经过完善的外围设计的数字电源只需要通过改动软件来实现。

本文以BUCK拓扑为例设计了一款实用的数字电源。采用ST公司的STM32F334系列MCU，此产品目标市场是需要高精度计时的数字信号，尤其是数字功率变换的应用。电源参数为：开关频率250KHz，输入12-50V，输出0-48v，最大功率240W，最大输出电流5A，最高效率96%，电压电流控制精度1%，过流过压保护由软件实现。

2.数字电源的硬件组成（见图3）

2.1 同步BUCK电路

功率电路采用同步BUCK拓扑形式。同步BUCK拓扑使用NMOSEFT替代普通BUCK拓扑中的续流二极管，可以降低大电流时的功率损耗。使Q3、Q4的驱动信号与主开关Q1、Q2驱动信号互补即可仿真BUCK电路中二极管的续流功能。功率N-MOSFET使用四个英飞凌公司的BSC052N08NS5，属于英飞凌第五代OptiMOS系列，它在参数上专门为开关电源优化，同一耐压值有众多型号供选择，可以根据不同功率和开关速度的场合，在通态损耗和开关损耗之间找到最优的器件。选用的BSC052N08NS5耐压为80V，导通电阻Rds(on)=5.2mΩ，栅极电荷Qg=40nC。上下桥臂都并联2个相同的MOS管，以增大功率，降低发热。电路原理图如图4所示，其中HO为上桥臂驱动信号，LO为下桥臂驱动信号，HS为桥臂中点。电感采用22uH的扁平铜线电感。输出侧使用大电解电容+小MLCC电容的滤波方式，目的是减小ESR。具体的电容电感和输出纹波的计算公式可于大量文献中获取，本文不作提及。

图3 数字电源模块图

图4 同步BUCK电路原理图

2.2 驱动和信号调理电路

由于MOS管栅源、栅漏之间存在寄生电容Cgs和Cgd，在高频开关时对电容充电需要驱动器能提供较大的瞬间电流，但由于MOS管具有米勒效应，使用电容计算较为复杂，工程上开关瞬间所需的驱动电流I由以下公式近似：

另一方面，上管Q1在驱动时的参考地为下管Q2的漏极，需要使用能够浮地驱动高侧MOS的芯片。选用凌力尔特公司半桥驱动芯片LTC4444，其下桥臂驱动能力达3A，上桥臂驱动能力达2.2A，耐压114V，足以很好驱动所选的MOS管。驱动电路如图5所示。

电源的闭环控制依赖于电压电流信号的采集。电压信号一般可以经过30kΩ：1kΩ的电阻分压直接输入ADC进行转换，但ADC输阻抗为数十千欧级别，直接采集会带来一定的误差和稳定性问题，而STM32F334内置了PGA，利用运放的高阻抗输入可以避免这个问题。为保证精度，分压电阻R2、R3均选用精度为0.1%，温度系数为20ppm/°C的金属膜电阻。分压后并联一个10nF的小电容作低通滤波用。

图5 LTC4444驱动电路

图6 电压和电流调理电路

电流采集通过测量电感输出侧串联的小电阻压降来实现。为平衡精度和损耗，图2中的检流电阻R1采用阻值10mΩ、精度为0.5%、温度系数为30ppm/°C的贴片合金电阻。采样电阻位于高电压侧的好处是避免了低边检测带来的输出浮地问题，但也会造成共模电压太高测量不方便的缺点。采用TI的INA240A2电流感应放大器，它是一种专门用于此种测量场合的固定增益差分放大器，拥有50倍固定增益，132dB的共模抑制比，80V的共模电压范围、0.2%的增益误差和2.5ppm/°C的增益温度系数。电压和电流调理电路如图6所示。

2.3 辅助电源电路

辅助电源需要将系统输入电压降为MCU和其他芯片适用的电压。选用芯龙半导体的XL7005开关降压芯片将输入降至10V供MOS驱动芯片使用，该芯片输入范围5-65V，最大输出电流0.5A。XL7005稳压10V后分别接LM1117和 REF3333产生通用+3.3V和高稳定性、低漂移的的+A3.3V基准电压信号。其中+3.3V供MCU使用，+A3.3V供INA240和MCU的基准电压输入引脚使用。REF3333产生3.3V基准信号时，模拟地与公共地使用10uH电感隔离以降低干扰。

图7 辅助电源电路

2.4 数字控制电路

STM32F334的引脚功能可于大量文献中查阅，在此不做叙述。表1列出了数字电源控制部分需要引入MCU的引脚及对应功能。

表1

3.数字电源的软件控制

开关电源控制模式可分为电压模式控制和电流模式控制，而电流模式又分为峰值电流模式和平均电流模式。电压模式控制优点是结构简单、对输出响应好，缺点是对输入响应慢、不具有过流保护功能、需要复杂的环路补偿。峰值电流模式优点是电压调整率好、带有过流保护功能，缺点是抗噪声能力差、有振荡问题。平均电流模式结合了电压模式和峰值电流模式的优点，对输入和输出的响应都较好，无须斜坡补偿，并且抗噪声能力好[4]。

本数字电源采用平均电流模式控制，其原理如图8所示。电流和电压信号均输入运放Amp_V和Amp_I的反相端。负载变化时电压误差放大器Amp_V做出反应输出满摆幅，经过Amp_I放大后，通过比较器COMP输出暂时占空比D上升或下降的反应以调整Vout大小。待Amp_I检测的电感平均电流与Amp_V输出相近时占空比D恢复稳定。而输入电压变化可以直接反应在Amp_I反相端的电压上，使得电流环路可以很快做出响应。实际上，误差放大器需要相位补偿以提高稳定裕度，通常采用阻容网络来实现，而数字电源使用数字PID调整器。文献[4]对电流模式控制建立了数学模型并给出环路稳定性补偿电路的计算方法。而PID的优点之一是无需对被控对象建立精确数学模型就可以很好的控制系统。数字电源可根据实际需求在线调节P、I、D参数，获得理想的效果。

图8 电流模式控制原理

数字电源是一种采样控制系统，使用时间片轮转的程序结构可以控制每个子程序的执行时间，保证系统的实时性。软件上主要包括Main函数、ADC中断、PID控制子程序。主程序完成ADC、PWM、HRTIM、PID等模块的初始化，等待ADC中断到来，检测到中断信号就执行相应流程[5]。程序流程图如图9所示。

程序中加入了过压过流检测环节，异常情况下数个开关周期后就可以关闭MOS实现快速保护（见图9）。

图9

图10 典型效率曲线

4.测试总结

使用艾德克斯IT6302电源、IT8511A+电子负载进行测试。输出固定12V。电流0.05-5A条件下，几种典型电压输入的效率曲线如图10所示。

可以看出该电源在负载电流达到1A以后效率表现较好，最高效率达到96%。几种输入下轻载情况下效率较低。分析原因有：（1）维持MCU等器件正常工作时需要消耗数十毫安的电流，而模拟电源芯片一般空载电流很小，因此在小功率场合使用数字电源没有效率优势；（2）由于MOSFET的双向导通特点，同步BUCK拓扑轻载情况下会产生电感电流反向，造成额外的损耗，而异步BUCK使用二极管续流则不会产生这种情况。解决此方法可以通过电感电流过零时关断同步MOS管来提高效率，使用数字控制较模拟更为容易实现。

5.总结

本文设计的电源满足了设计要求。通信、监测、保护等功能也是数字电源的特点之一，受于篇幅本文未做提及。不难看出开关电源的数字化建立在模拟电源控制理论基础之上，一些高级的控制策略采用数字控制会比模拟电路设计更加容易实现，如文末提及的提高BUCK轻载效率的方法。学习BUCK拓扑的数字化控制有助于把数字电源应于更加复杂的需求上。

[1]孔维成,李悦,袁赛,杨海明．智能化数字电源的应用与发展研究[J]．电子世界,2012(03)∶59-60．

[2]史永胜,余彬,王喜锋,许梦芸,张青风,王文静．基于DSP的高轻载效率数字DC/DC变换器[J]．电子器件,2015,38(02)∶338-342．

[3]惠子南．小功率数字电源的研究[D]．北京交通大学,2014．

[4]刘范宏．平均电流控制模式开关变换器建模分析与设计[D]．华中科技大学,2014．

[5]申培．一款DSC控制的数字电源实现[J]． 电子世界,2016(23)∶108-109．

[6]邓荣,江国栋．基于单片机的数字电源设计[J]．微计算机信息,2008(26)∶66-67+32．