计量开关电源设计

安徽师范大学皖江学院电子工程系 赵 岩 谭荧屏 张 上 谢若愚 谢小东

1 引言

开关电源广泛应用于家庭生活、工业工厂、军事科研等一些电力提供场所中，在电力方面占据着十分重要的地位。开关电源又分为直流开关电源和交流开关电源，根据不同的需求不同种类应用于不同的场所，如手机充电器、电脑电源适配器、多路供电电源等。因此本课题对开关电源进行研究和设计也十分必要。

目前市场上常见开关电源，已有恒压恒流功能，高端的开关电源如手机充电器、电瓶车充电器、多直流供电电源，已具有效率高、样式多样、输出稳定；电压、电流、电能输出显示功能、及防过充自关断等功能。但仍有可改善之地，在输出模式、防过充形式、电源自关断方面、安全性能方面仍需加以关注和投入研究，这是为了提高开关电源在生活中的利用效率和开关电源工作时的可靠性，以及提高人们的生活水平必须进行的工作。

2 开关电源设计内容

本开关电源的设计是基于STM32微控制器，开关电源的主要系统组成部分包括开关电源部分、微控制器部分、模式选择部分、信息显示部分、语音通讯部分、性能检测部分。

在现有开关电源基础上进行扩展，为克服开关电源电能输出选择模式单一对开关电源进行多模式模块选择设计，通过STM32扩展出“定时输出”“定量输出”以及“自由输出”模块。定时输出即由人为定时控制系统关断；定量输出即人为设定电能输出控制系统关断；自由输出即系统用于为外接电池充电时进行自我识别，充满即断从而避免了过充及长时间的涓流。显示部分进一步显示系统工作实时数据即工作状态下电压、电流、输出电量、工作时长及系统工作状态。通过语音通讯模块对系统进行实施模式选择、时长设定、电量设定等指令对系统进行语音控制。性能检测模块通过对系统数据采集和分析与系统正常工作数据实时对比，进行对系统的工作性能及安全性能进行分析并进行报警。

3 系统总体设计方案

该开关电源通过微处理器STM32对此电源系统进行控制。如图1所示是该计量开关电源系统的设计框图。包括系统的总功能，包括直流开关电源，以及微控制器STM32，语音模块，模式选择模块，显示模块，性能检测模块。

（1）开关电源输出端附加采压采流电路对系统输出电压电流进行取样，用STM32采集电流电压，用OLED对系统输出数据电压、电流、电能、工作时长、工作状况进行显示。即在输出端的主线路上加一个康铜丝电阻，在损耗极小的情况下对电压进行采样可按照实验比例计算主线路实际电压。对电流进行采样时用MAX4172芯片转化电流信号为电压信号供STM32采集计算干路电流，然后在STM32内进行电能计算并实时累加，采集的电压计算的电能以及充电时长在OLED上进行显示。在开关电源输出端加手动开关和电子开关连接STM32对开关电源进行智能关断，以完成对此系统的数据显示模块和智能控制。

（2）在STM32上外加控制电路，用三个按键控制定时、定量、自由三种模式，另设两个按键用于定时定量模式下进行时间、能量选择；外设语音通讯模块通过语音指令对系统输出模式选择，定时定量进行选择控制。即设置三个按键用来选择定时、定量、自由三种模式，另设两个按键用来在定时定量模式下选择时长和量值，两个按键为加减按键。在定时模式下设置每加减按键一次步进0.5小时，在达到设定时长时，由微控制器控制电子开关继电器控制开关电源关断，系统不再输出；在定量模式下设置每加减按键一次步进1kw·h，当输出电能达到设定值，由微控制器控制电子开关继电器控制开关电源关断，系统停止输出；在自由模式下，开关电源采流模块检测输出电流，当电池充满时输出电流减小至毫安即电池充电充满，由STM32检测控制电源自动关断，系统停止输出，从而避免系统对用电器超时工作。语音控制以同样方式代替按键进行模式选择和定时定量设定。以上完成模式选择和语音模块。

（3）性能检测模块通过采集输出干路电压和计算输出效率在STM32内部与原设定实验室数据对比，当与实验室数据不相符时判定开关电源工作异常，STM32会在OLED显示屏上及时提示“系统异常”字样，并且会自动关断开关电源，如果已修复再次插上时仍不能会正常工作，系统会再次被关断，直到完全修复正常，系统正常工作。避免了电源不正常工作对用电器或电池造成损害以及发生用电事故。

图1 计量开关电源系统总框图

4 结论

与现有开关电源相比这种计量开关电源有三个显著优势：

（1）输出模式多样性，定时、定量、自由三种模式，为用户增加了选择性更便于用户使用，定时定量关断和自由智能关断更有效的防护了对用电器超时工作造成损坏，避免了充电使用过程中的过充及长时间涓流对电池造成的损害。

（2）液晶显示模块显示实时电压、输出能量、充电时间、自身安检情况也为电源增添了色彩，更便于用户了解掌握系统工作情况；语音控制功能使用户操作更简便更人性化。

（3）智能检测功能更优于现有开关电源功能，现有电源并无安全检测模块，然而不能保证用户的使用安全。本开关电源自带工作安全状况检测并实时显示，当电源发生故障或损坏时电源检测控制系统关断开关电源，有效的避免了故障使用，降低了对电池的损坏和用户人身安全的风险。

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