周 斌，王 勝,涂朝逸，周 雷

(1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.南京計(jì)量測試中心，江蘇 南京 210058)

對比線性電源，開關(guān)電源具有功耗小、效率高、重量小和體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)儀器、通信電子、儀器儀表等行業(yè)[1]。近年來，隨著半導(dǎo)體材料、電子元器件、控制理論與算法的不斷發(fā)展，工業(yè)4.0引領(lǐng)電源走向數(shù)字化、模塊化發(fā)展方向。本文所述開關(guān)電源以市電為輸入，輸出電壓范圍為1～24 V，電流最大可達(dá)5 A，輸出電壓紋波低于0.3 V，效率達(dá)91%以上，以STM32單片機(jī)為核心，利用MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)為主開關(guān)管，用PFM(pulse frequency modulation)和PWM(pulse width modulation)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，使輸出電壓連續(xù)可調(diào)的開關(guān)電源。該開關(guān)電源利用單片機(jī)強(qiáng)大的控制能力，改進(jìn)了開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，不僅滿足開關(guān)電源的高性能和高可靠性的要求，同時(shí)還能對工作中的開關(guān)電源進(jìn)行檢測、自動顯示電路狀態(tài)[2]。

1 開關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

1.1 開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。市電輸入后通過變壓器和整流器對市電進(jìn)行降壓整流后轉(zhuǎn)化為較低的直流電壓，12 V驅(qū)動供電和+3.3 V單片機(jī)供電分別由XL4016、MP2467組成；本開關(guān)電源核心為單片機(jī)控制，在STM32單片機(jī)內(nèi)部的A/D模塊下對開關(guān)電源的輸入電壓、電流和輸出電壓、電流采樣，并與設(shè)定的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，經(jīng)過處理后該數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)并且由單片機(jī)去調(diào)整和控制輸出的PWM波形，改變MOSFET管的導(dǎo)通頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，并監(jiān)測開關(guān)電源的工作狀態(tài)。

圖1 開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 降壓整流濾波電路

降壓、整流、濾波電路如圖2所示，主要是由熔斷器、EMI(electromagnetic interference)濾波器、變壓器、整流橋和濾波電容組成。EMI濾波器主要作用是濾除線性諧波和開關(guān)噪聲,由于濾波器采用的是對稱布置，流經(jīng)同向繞制的上下電感的電流產(chǎn)生相反方向的磁通量而相互抵消，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的[3]。

圖2 降壓、整流、濾波電路

1.3 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路如圖3所示。由經(jīng)典BUCK電路變換而來，采用型號為MDF2N60的MOSFET作為開關(guān)管取代BUCK電路的二極管，以降低在開關(guān)管關(guān)斷期間續(xù)流回路的功耗。驅(qū)動MOSFET的快速開關(guān)需要大電流和較高的電壓以使得其盡快跨過自身平臺電壓而快速開關(guān)，因此采用IR2101，由單片機(jī)輸出的PWM波經(jīng)過IR2101放大后驅(qū)動上下MOSFET，快速開關(guān)MOSFET通過LC電路，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的輸出。

圖3 系統(tǒng)主電路原理圖

IR2101是一款具有獨(dú)立的高端和低端參考輸出通道、耐高壓，高速的功率IGBT(insulated gate bipolar transistor)驅(qū)動器，可用來驅(qū)動高速M(fèi)OS管。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS(complementary metal oxide semiconductor)或LSTTL(low-power schottky transistor-transistor logic)輸出兼容。輸出驅(qū)動器具有高脈沖電流緩沖級，旨在實(shí)現(xiàn)最小驅(qū)動器交叉?zhèn)鲗?dǎo)。浮動通道可用于驅(qū)動工作電壓高達(dá)600 V的高端配置的N溝道功率MOSFET或IGBT，其外圍只需要少量的外部器件即可搭建穩(wěn)定的驅(qū)動電路[4]。

圖3中R2、R5為限流電阻，R7為檢流電阻，D2、D4分別為防止輸入、輸出接反，D1、R1及R3構(gòu)成開關(guān)管Q1放電回路，使得開關(guān)管處于上電慢、關(guān)斷快，從而有效避免Q1、Q3在交替導(dǎo)通期間會短暫同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路現(xiàn)象，有效減少了Q1、Q2的發(fā)熱量。STM32F051單片機(jī)的工作頻率最大可達(dá)到48 MHz，IR2101的TON為220 ns，TOFF為90 ns，主電路電感為核心器件，電感尺寸的選取與電源紋波比有密切的關(guān)系，紋波比越小，則電感所需要的處理能力越強(qiáng)，相應(yīng)的電感尺寸也越大，對給定工況，電感值相應(yīng)越大，電感尺寸與頻率成反比[5]，因此為了獲得最佳的處理效果，需要選取合適電感的電感值為：

(1)

式中：VOFF為在開關(guān)管關(guān)斷期間電感兩側(cè)電壓；D為占空比；r為電源紋波比；IO為負(fù)載電流；f為開關(guān)電源的頻率。

成品電感需要能夠處理的峰值電流為：

(2)

式中：IPK為電感的峰值電流；IL為電感電流。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算主電路電感為4.8 μH/6 A，為保證電感安全、正常工作選取電感為HSMRH127-6R8M，其值為15 μH/7.5 A。

1.4 輔助電源設(shè)計(jì)

12 V和3.3 V輔助電源電路分別如圖4和圖5所示，為了節(jié)省成本、提高電源效率及穩(wěn)定性采用芯片XL4016和MP2467簡單搭建外圍電路構(gòu)成降壓穩(wěn)定輸出電路，為驅(qū)動MOSFET管柵極和單片機(jī)供電。

圖4 30 V轉(zhuǎn)12 V輔助電源電路原理圖

圖5 12 V轉(zhuǎn)3.3 V輔助電源電路原理圖

在圖4中，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算并綜合考慮選取電感L4為HSMRH129-220M(22 μH/6.5 A),R8、R9為XL4016的反饋電阻決定輸出電壓的大小，計(jì)算公式如下：

(3)

需要輸出12 V電壓，則R8、R9分別為13 kΩ、1.5 kΩ。在圖5中綜合考慮選取電感L5為HSMRH74-120M(12 μH/1.71 A)，反饋電阻R10、R12分別為124 kΩ、40.2 kΩ，L6、L7為輸出濾波電感，為得到純凈、穩(wěn)定的輸出電源給單片機(jī)供電。

1.5 鍵盤輸入及顯示輸出

鍵盤輸入及顯示輸出如圖6所示，輸入電路采用3個(gè)按鍵完成對輸出電壓的設(shè)定。顯示部分采用OLED顯示屏，主要顯示電源工作狀態(tài)、輸入電壓和輸出電壓等值。

圖6 鍵盤輸入及顯示輸出電路原理圖

1.6 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路主要采集輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。利用STM32單片機(jī)自帶的A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于單片機(jī)A/D模塊在0～3.3 V，故利用TLV2374運(yùn)算放大器放大采集電流和電壓大小[6-9]。輸入電壓采集如圖7所示，輸入電壓經(jīng)過R16、R18分壓后經(jīng)過C28濾波采集到R18兩端的電壓給單片機(jī)。輸入電流利用高側(cè)電流檢測放大器TSC101AILT及一檢流電阻測得輸入電流，輸出端電壓采集如圖8所示，輸出端電壓進(jìn)行分壓后輸入給TLV2374的輸入端，TLV2374具有抑制共模、放大差模信號的能力，經(jīng)過TLV2374放大后的電壓通過電阻R22輸入STM32的A/D端，輸出電流采集如圖9所示，輸出端放置一阻值很小的精準(zhǔn)電阻，采集電阻兩端電壓后輸入給TLV2374的輸入端，TLV2374具有抑制共模、放大差模信號的能力，經(jīng)過TLV2374放大后的電壓通過電阻R22輸入STM32的A/D端。輸入電壓、輸出端電壓、輸出端電流和輸入電流如式(4)～式(7)所示。

(4)

式中：VIN為輸入電壓；ADC_VIN為單片機(jī)讀取輸入端電壓；R16、R18分別為分壓電阻。

VOUT=ADC_VOUT×33

(5)

式中：VOUT為輸出端電壓；ADC_VOUT為單片機(jī)讀取輸出端電壓。

(6)

式中：IOUT為輸出端電流；ADC_IOUT為單片機(jī)讀取輸出端電流。

(7)

式中：IIN為輸入電流；ADC_IIN為單片機(jī)讀取的輸入端電流；RSense為輸入端檢流電阻。

圖7 輸入電壓采樣電路原理圖

圖8 輸出電壓采樣電路原理圖

圖9 輸出電流采樣電路原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)算法

本系統(tǒng)中的可調(diào)輸出開關(guān)電源采用PWM方式進(jìn)行調(diào)節(jié)[10]，在系統(tǒng)中先對輸出范圍的電壓進(jìn)行劃分，在設(shè)定完電壓后對電壓根據(jù)劃分的區(qū)域?qū)﹄妷哼M(jìn)行區(qū)域選擇，進(jìn)行粗調(diào)，然后初步調(diào)完后對該區(qū)域內(nèi)電壓進(jìn)行微調(diào)(PWM調(diào)節(jié))即可達(dá)到快速調(diào)節(jié)并穩(wěn)定輸出的目的，軟件算法流程如圖10所示。

圖10 軟件算法流程圖

在系統(tǒng)中采用了經(jīng)典的PID自動控制算法，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集輸出電壓與設(shè)定的值進(jìn)行比較，通過輸出占空比不同的PWM波從而實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋。對設(shè)定電壓，其頻率為一固定值，這時(shí)只需要調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON，為避免過度調(diào)節(jié)從而使得輸出無法穩(wěn)定，需要設(shè)定設(shè)定值和調(diào)節(jié)輸出值的偏差δ(t)，在實(shí)際測得的電壓值VOUT(t)和設(shè)定值VREF(t)差值θ(t)小于等于δ(t)時(shí)，調(diào)節(jié)結(jié)束，穩(wěn)定輸出；當(dāng)實(shí)際測得的電壓值VOUT(t)和設(shè)定值VREF(t)差值θ(t)大于δ(t)時(shí)，則需進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)際偏差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)為反饋測得的輸出電壓與設(shè)定電壓的偏差；KP為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；KI為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；KD為微分調(diào)節(jié)系數(shù)；θ(t)為實(shí)際測得的電壓值和設(shè)定值的實(shí)時(shí)差值；θ1(t)為實(shí)際測得的電壓值和設(shè)定值的最終差值。

3 電源實(shí)測結(jié)果

電源實(shí)測結(jié)果如表1所示，市電經(jīng)降壓整流后得到較為穩(wěn)定的30 V直流電壓，設(shè)定不同的輸入電壓可得到紋波小于0.4的穩(wěn)定輸出電壓，并用0～100 Ω的負(fù)載測試結(jié)果，實(shí)測結(jié)果表明電源效率均可達(dá)到91%以上，但在重載下效率有所降低。

表1 設(shè)定電壓與實(shí)際輸入、輸出電流電壓表

4 結(jié)論

采用以上方法設(shè)計(jì)了一款以市電輸入、可人為設(shè)定的1～24 V可調(diào)開關(guān)電源,它的外圍電路簡單、輸出穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)，并且顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示電壓，不需要再用電壓表去測量電壓，操作簡單方便，該電源系統(tǒng)更換輸入適合于太陽能微轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電源和電池充放電、直流UPS應(yīng)用、太陽能路燈控制燈等。另外由于該電源采用單片機(jī)控制，可以在軟件及算法上不斷地進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)電源的輸出性能和品質(zhì)參數(shù)；由于利用STM32單片機(jī)引腳數(shù)較少，可進(jìn)一步擴(kuò)展其功能，豐富其應(yīng)用。