基于STM32可調(diào)壓DC—DC電源設(shè)計(jì)

李志鵬+李琳琳+周丹丹

摘 要 相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源具有效率高、輸出功率大、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著電子元器件工藝的進(jìn)步和新型元件的出現(xiàn)，開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)在不斷的放大。DC-DC（直流轉(zhuǎn)直流）是開關(guān)電源中一個(gè)重要的研究方向，本文以Sepic變換電路為基礎(chǔ)，以目前ARM新型高速單片機(jī)STM32為控制核心，設(shè)計(jì)了一種智能DC-DC可調(diào)壓電源設(shè)計(jì)。可以廣泛用于智能手機(jī)，平板，智能機(jī)器人等集成度較高的電子設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】STM32 DC-DC電源 Sepic變換電路

1 Sepic變換電路原理

Sepic變換電路是6中基本的DC-DC開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，其特點(diǎn)為：既可以升壓，也可以降壓，輸入電壓與輸出電壓同極性。

如圖1，左端為輸入電壓Vin，右端為輸出平均電壓Vout。在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)V閉合，電源為電感L1充電，同時(shí)耦合電容C1經(jīng)開關(guān)V為電感L2充電，續(xù)流二極管D1截止，此時(shí)，輸出端濾波電容C2維持負(fù)載兩端的電壓；當(dāng)開關(guān)V斷開，電感L2經(jīng)續(xù)流二極管為負(fù)載供電，同時(shí)，電感L1釋放能量為耦合電容C1充電，在同一個(gè)時(shí)刻電容C1、續(xù)流二極管D1為負(fù)載供電，在斷開情況下流過續(xù)流二極管D1的電流iD為電感L1、電感L2流過電流之和。輸出平均電壓Vout可由下列關(guān)系式得到：

式中，ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間，toff為開關(guān)每次關(guān)斷的時(shí)間。由上式可以看出，只要控制好一個(gè)周期內(nèi)開通與關(guān)斷的時(shí)間，就可以設(shè)置該電源為升壓型或降壓型。

開關(guān)電源的核心是對(duì)開關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)間的控制，一般選用全控型器件作為開關(guān)器件如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。續(xù)流二極管采用肖特基二極管可以降低導(dǎo)通壓降，提高轉(zhuǎn)換效率。在開關(guān)周期T恒定，通過改變脈沖寬度ton來改變占空比，這種方式稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM），用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓幅值頻率的控制。

2 基于STM32的PID控制原理

本文選用STM32f103為例進(jìn)行講解。使用stm32單片機(jī)作為核心，采用閉環(huán)反饋控制，控制系統(tǒng)如圖2。

該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

設(shè)定值與輸出控制值之間的關(guān)系：

（3）式中，e（t）=R（t）-Uout（t），Kp為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)當(dāng)輸出值與設(shè)定值不同時(shí)，PID調(diào)節(jié)器就會(huì)快速穩(wěn)定響應(yīng)（比例控制能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，迅速反應(yīng)誤差從而減小誤差；積分控制的作用消除靜差；微分控制用來減小超調(diào)量，克服震蕩，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性提高），通過定時(shí)器輸出不同占空比的PWN波來精準(zhǔn)控制IGBT的開通與關(guān)斷從而控制輸出電壓。需要注意的是，由于stm32最大輸出3.3V電壓，不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，因此需要在stm32單片機(jī)與IGBT之間添加驅(qū)動(dòng)電路。

整個(gè)電路的邏輯框圖如圖3所示。

3 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用了Multisim 14.0進(jìn)行系統(tǒng)仿真，設(shè)計(jì)輸入為10V，輸出可調(diào)范圍為3V至40V。輸出波形如下：

由4、5圖可以看出，在輸入10V的情況下，通過改變PWM的占空比，可以在2V至40V之間進(jìn)行自由快速切換。

在輸出端加入LDO線性穩(wěn)壓裝置，采用分立元件，可以有效降低紋波，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

在電子技術(shù)快速發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品正朝著小型化，智能化的方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)正是著眼于電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，通過主流的STM32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電源快速精準(zhǔn)的控制并且實(shí)現(xiàn)了小型化，智能化，為電子產(chǎn)品內(nèi)部節(jié)省了寶貴的空間，降低了功耗，符合國(guó)家節(jié)能減排，綠色發(fā)展的理念。

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作者單位

成都理工大學(xué) 四川省成都市 610059