基于STM32可控数字开关电源设计

周 斌，王 胜,涂朝逸，周 雷

(1.武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.南京计量测试中心，江苏 南京 210058)

对比线性电源，开关电源具有功耗小、效率高、重量小和体积小等优点，广泛应用于工业仪器、通信电子、仪器仪表等行业[1]。近年来，随着半导体材料、电子元器件、控制理论与算法的不断发展，工业4.0引领电源走向数字化、模块化发展方向。本文所述开关电源以市电为输入，输出电压范围为1～24 V，电流最大可达5 A，输出电压纹波低于0.3 V，效率达91%以上，以STM32单片机为核心，利用MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)为主开关管，用PFM(pulse frequency modulation)和PWM(pulse width modulation)调节相结合的方法，使输出电压连续可调的开关电源。该开关电源利用单片机强大的控制能力，改进了开关电源的控制系统，不仅满足开关电源的高性能和高可靠性的要求，同时还能对工作中的开关电源进行检测、自动显示电路状态[2]。

1 开关电源硬件设计及参数计算

1.1 开关电源总体结构

开关电源总体结构如图1所示。市电输入后通过变压器和整流器对市电进行降压整流后转化为较低的直流电压，12 V驱动供电和+3.3 V单片机供电分别由XL4016、MP2467组成；本开关电源核心为单片机控制，在STM32单片机内部的A/D模块下对开关电源的输入电压、电流和输出电压、电流采样，并与设定的电压、电流数据进行比较，经过处理后该数据反馈给单片机并且由单片机去调整和控制输出的PWM波形，改变MOSFET管的导通频率来调节输出电压，并监测开关电源的工作状态。

图1 开关电源总体结构图

1.2 降压整流滤波电路

降压、整流、滤波电路如图2所示，主要是由熔断器、EMI(electromagnetic interference)滤波器、变压器、整流桥和滤波电容组成。EMI滤波器主要作用是滤除线性谐波和开关噪声,由于滤波器采用的是对称布置，流经同向绕制的上下电感的电流产生相反方向的磁通量而相互抵消，从而达到抑制共模干扰的目的[3]。

图2 降压、整流、滤波电路

1.3 系统主电路设计

系统主电路如图3所示。由经典BUCK电路变换而来，采用型号为MDF2N60的MOSFET作为开关管取代BUCK电路的二极管，以降低在开关管关断期间续流回路的功耗。驱动MOSFET的快速开关需要大电流和较高的电压以使得其尽快跨过自身平台电压而快速开关，因此采用IR2101，由单片机输出的PWM波经过IR2101放大后驱动上下MOSFET，快速开关MOSFET通过LC电路，从而实现连续稳定的输出。

图3 系统主电路原理图

IR2101是一款具有独立的高端和低端参考输出通道、耐高压，高速的功率IGBT(insulated gate bipolar transistor)驱动器，可用来驱动高速MOS管。逻辑输入与标准CMOS(complementary metal oxide semiconductor)或LSTTL(low-power schottky transistor-transistor logic)输出兼容。输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，旨在实现最小驱动器交叉传导。浮动通道可用于驱动工作电压高达600 V的高端配置的N沟道功率MOSFET或IGBT，其外围只需要少量的外部器件即可搭建稳定的驱动电路[4]。

图3中R2、R5为限流电阻，R7为检流电阻，D2、D4分别为防止输入、输出接反，D1、R1及R3构成开关管Q1放电回路，使得开关管处于上电慢、关断快，从而有效避免Q1、Q3在交替导通期间会短暂同时导通而发生短路现象，有效减少了Q1、Q2的发热量。STM32F051单片机的工作频率最大可达到48 MHz，IR2101的TON为220 ns，TOFF为90 ns，主电路电感为核心器件，电感尺寸的选取与电源纹波比有密切的关系，纹波比越小，则电感所需要的处理能力越强，相应的电感尺寸也越大，对给定工况，电感值相应越大，电感尺寸与频率成反比[5]，因此为了获得最佳的处理效果，需要选取合适电感的电感值为：

(1)

式中：VOFF为在开关管关断期间电感两侧电压；D为占空比；r为电源纹波比；IO为负载电流；f为开关电源的频率。

成品电感需要能够处理的峰值电流为：

(2)

式中：IPK为电感的峰值电流；IL为电感电流。

根据式(1)、式(2)计算主电路电感为4.8 μH/6 A，为保证电感安全、正常工作选取电感为HSMRH127-6R8M，其值为15 μH/7.5 A。

1.4 辅助电源设计

12 V和3.3 V辅助电源电路分别如图4和图5所示，为了节省成本、提高电源效率及稳定性采用芯片XL4016和MP2467简单搭建外围电路构成降压稳定输出电路，为驱动MOSFET管栅极和单片机供电。

图4 30 V转12 V辅助电源电路原理图

图5 12 V转3.3 V辅助电源电路原理图

在图4中，根据式(1)和式(2)计算并综合考虑选取电感L4为HSMRH129-220M(22 μH/6.5 A),R8、R9为XL4016的反馈电阻决定输出电压的大小，计算公式如下：

(3)

需要输出12 V电压，则R8、R9分别为13 kΩ、1.5 kΩ。在图5中综合考虑选取电感L5为HSMRH74-120M(12 μH/1.71 A)，反馈电阻R10、R12分别为124 kΩ、40.2 kΩ，L6、L7为输出滤波电感，为得到纯净、稳定的输出电源给单片机供电。

1.5 键盘输入及显示输出

键盘输入及显示输出如图6所示，输入电路采用3个按键完成对输出电压的设定。显示部分采用OLED显示屏，主要显示电源工作状态、输入电压和输出电压等值。

图6 键盘输入及显示输出电路原理图

1.6 采样电路设计

采样电路主要采集输入电压、输出电压和输出电流。利用STM32单片机自带的A/D模块进行数据采集，由于单片机A/D模块在0～3.3 V，故利用TLV2374运算放大器放大采集电流和电压大小[6-9]。输入电压采集如图7所示，输入电压经过R16、R18分压后经过C28滤波采集到R18两端的电压给单片机。输入电流利用高侧电流检测放大器TSC101AILT及一检流电阻测得输入电流，输出端电压采集如图8所示，输出端电压进行分压后输入给TLV2374的输入端，TLV2374具有抑制共模、放大差模信号的能力，经过TLV2374放大后的电压通过电阻R22输入STM32的A/D端，输出电流采集如图9所示，输出端放置一阻值很小的精准电阻，采集电阻两端电压后输入给TLV2374的输入端，TLV2374具有抑制共模、放大差模信号的能力，经过TLV2374放大后的电压通过电阻R22输入STM32的A/D端。输入电压、输出端电压、输出端电流和输入电流如式(4)～式(7)所示。

(4)

式中：VIN为输入电压；ADC_VIN为单片机读取输入端电压；R16、R18分别为分压电阻。

VOUT=ADC_VOUT×33

(5)

式中：VOUT为输出端电压；ADC_VOUT为单片机读取输出端电压。

(6)

式中：IOUT为输出端电流；ADC_IOUT为单片机读取输出端电流。

(7)

式中：IIN为输入电流；ADC_IIN为单片机读取的输入端电流；RSense为输入端检流电阻。

图7 输入电压采样电路原理图

图8 输出电压采样电路原理图

图9 输出电流采样电路原理图

2 软件设计算法

本系统中的可调输出开关电源采用PWM方式进行调节[10]，在系统中先对输出范围的电压进行划分，在设定完电压后对电压根据划分的区域对电压进行区域选择，进行粗调，然后初步调完后对该区域内电压进行微调(PWM调节)即可达到快速调节并稳定输出的目的，软件算法流程如图10所示。

图10 软件算法流程图

在系统中采用了经典的PID自动控制算法，系统通过实时采集输出电压与设定的值进行比较，通过输出占空比不同的PWM波从而实现电压闭环反馈。对设定电压，其频率为一固定值，这时只需要调节开关管的导通时间TON，为避免过度调节从而使得输出无法稳定，需要设定设定值和调节输出值的偏差δ(t)，在实际测得的电压值VOUT(t)和设定值VREF(t)差值θ(t)小于等于δ(t)时，调节结束，稳定输出；当实际测得的电压值VOUT(t)和设定值VREF(t)差值θ(t)大于δ(t)时，则需进行调节实际偏差δ(t)，其公式如下：

KD[ε(t)-ε(t-1)]

(8)

KD[θ(t)-θ(t-1)]

(9)

式中：ε(t)为反馈测得的输出电压与设定电压的偏差；KP为比例调节系数；KI为积分调节系数；KD为微分调节系数；θ(t)为实际测得的电压值和设定值的实时差值；θ1(t)为实际测得的电压值和设定值的最终差值。

3 电源实测结果

电源实测结果如表1所示，市电经降压整流后得到较为稳定的30 V直流电压，设定不同的输入电压可得到纹波小于0.4的稳定输出电压，并用0～100 Ω的负载测试结果，实测结果表明电源效率均可达到91%以上，但在重载下效率有所降低。

表1 设定电压与实际输入、输出电流电压表

4 结论

采用以上方法设计了一款以市电输入、可人为设定的1～24 V可调开关电源,它的外围电路简单、输出稳定、响应速度快、可靠性强，并且显示屏可以实时显示电压，不需要再用电压表去测量电压，操作简单方便，该电源系统更换输入适合于太阳能微转换器、数字电源和电池充放电、直流UPS应用、太阳能路灯控制灯等。另外由于该电源采用单片机控制，可以在软件及算法上不断地进行优化，改进电源的输出性能和品质参数；由于利用STM32单片机引脚数较少，可进一步扩展其功能，丰富其应用。