計量開關電源設計

安徽師范大學皖江學院電子工程系 趙 巖 譚熒屏 張 上 謝若愚 謝小東

1 引言

開關電源廣泛應用于家庭生活、工業(yè)工廠、軍事科研等一些電力提供場所中，在電力方面占據著十分重要的地位。開關電源又分為直流開關電源和交流開關電源，根據不同的需求不同種類應用于不同的場所，如手機充電器、電腦電源適配器、多路供電電源等。因此本課題對開關電源進行研究和設計也十分必要。

目前市場上常見開關電源，已有恒壓恒流功能，高端的開關電源如手機充電器、電瓶車充電器、多直流供電電源，已具有效率高、樣式多樣、輸出穩(wěn)定；電壓、電流、電能輸出顯示功能、及防過充自關斷等功能。但仍有可改善之地，在輸出模式、防過充形式、電源自關斷方面、安全性能方面仍需加以關注和投入研究，這是為了提高開關電源在生活中的利用效率和開關電源工作時的可靠性，以及提高人們的生活水平必須進行的工作。

2 開關電源設計內容

本開關電源的設計是基于STM32微控制器，開關電源的主要系統(tǒng)組成部分包括開關電源部分、微控制器部分、模式選擇部分、信息顯示部分、語音通訊部分、性能檢測部分。

在現(xiàn)有開關電源基礎上進行擴展，為克服開關電源電能輸出選擇模式單一對開關電源進行多模式模塊選擇設計，通過STM32擴展出“定時輸出”“定量輸出”以及“自由輸出”模塊。定時輸出即由人為定時控制系統(tǒng)關斷；定量輸出即人為設定電能輸出控制系統(tǒng)關斷；自由輸出即系統(tǒng)用于為外接電池充電時進行自我識別，充滿即斷從而避免了過充及長時間的涓流。顯示部分進一步顯示系統(tǒng)工作實時數據即工作狀態(tài)下電壓、電流、輸出電量、工作時長及系統(tǒng)工作狀態(tài)。通過語音通訊模塊對系統(tǒng)進行實施模式選擇、時長設定、電量設定等指令對系統(tǒng)進行語音控制。性能檢測模塊通過對系統(tǒng)數據采集和分析與系統(tǒng)正常工作數據實時對比，進行對系統(tǒng)的工作性能及安全性能進行分析并進行報警。

3 系統(tǒng)總體設計方案

該開關電源通過微處理器STM32對此電源系統(tǒng)進行控制。如圖1所示是該計量開關電源系統(tǒng)的設計框圖。包括系統(tǒng)的總功能，包括直流開關電源，以及微控制器STM32，語音模塊，模式選擇模塊，顯示模塊，性能檢測模塊。

（1）開關電源輸出端附加采壓采流電路對系統(tǒng)輸出電壓電流進行取樣，用STM32采集電流電壓，用OLED對系統(tǒng)輸出數據電壓、電流、電能、工作時長、工作狀況進行顯示。即在輸出端的主線路上加一個康銅絲電阻，在損耗極小的情況下對電壓進行采樣可按照實驗比例計算主線路實際電壓。對電流進行采樣時用MAX4172芯片轉化電流信號為電壓信號供STM32采集計算干路電流，然后在STM32內進行電能計算并實時累加，采集的電壓計算的電能以及充電時長在OLED上進行顯示。在開關電源輸出端加手動開關和電子開關連接STM32對開關電源進行智能關斷，以完成對此系統(tǒng)的數據顯示模塊和智能控制。

（2）在STM32上外加控制電路，用三個按鍵控制定時、定量、自由三種模式，另設兩個按鍵用于定時定量模式下進行時間、能量選擇；外設語音通訊模塊通過語音指令對系統(tǒng)輸出模式選擇，定時定量進行選擇控制。即設置三個按鍵用來選擇定時、定量、自由三種模式，另設兩個按鍵用來在定時定量模式下選擇時長和量值，兩個按鍵為加減按鍵。在定時模式下設置每加減按鍵一次步進0.5小時，在達到設定時長時，由微控制器控制電子開關繼電器控制開關電源關斷，系統(tǒng)不再輸出；在定量模式下設置每加減按鍵一次步進1kw·h，當輸出電能達到設定值，由微控制器控制電子開關繼電器控制開關電源關斷，系統(tǒng)停止輸出；在自由模式下，開關電源采流模塊檢測輸出電流，當電池充滿時輸出電流減小至毫安即電池充電充滿，由STM32檢測控制電源自動關斷，系統(tǒng)停止輸出，從而避免系統(tǒng)對用電器超時工作。語音控制以同樣方式代替按鍵進行模式選擇和定時定量設定。以上完成模式選擇和語音模塊。

（3）性能檢測模塊通過采集輸出干路電壓和計算輸出效率在STM32內部與原設定實驗室數據對比，當與實驗室數據不相符時判定開關電源工作異常，STM32會在OLED顯示屏上及時提示“系統(tǒng)異常”字樣，并且會自動關斷開關電源，如果已修復再次插上時仍不能會正常工作，系統(tǒng)會再次被關斷，直到完全修復正常，系統(tǒng)正常工作。避免了電源不正常工作對用電器或電池造成損害以及發(fā)生用電事故。

圖1 計量開關電源系統(tǒng)總框圖

4 結論

與現(xiàn)有開關電源相比這種計量開關電源有三個顯著優(yōu)勢：

（1）輸出模式多樣性，定時、定量、自由三種模式，為用戶增加了選擇性更便于用戶使用，定時定量關斷和自由智能關斷更有效的防護了對用電器超時工作造成損壞，避免了充電使用過程中的過充及長時間涓流對電池造成的損害。

（2）液晶顯示模塊顯示實時電壓、輸出能量、充電時間、自身安檢情況也為電源增添了色彩，更便于用戶了解掌握系統(tǒng)工作情況；語音控制功能使用戶操作更簡便更人性化。

（3）智能檢測功能更優(yōu)于現(xiàn)有開關電源功能，現(xiàn)有電源并無安全檢測模塊，然而不能保證用戶的使用安全。本開關電源自帶工作安全狀況檢測并實時顯示，當電源發(fā)生故障或損壞時電源檢測控制系統(tǒng)關斷開關電源，有效的避免了故障使用，降低了對電池的損壞和用戶人身安全的風險。

[1]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)[M].北京：清華大學出版社,2005.

[2]朱清慧.Proteus教程——電子線路設計、制版與仿真[M].北京：清華大學出版社,2008.

[3]曾松偉,周素茵,章云,周竹.“電路分析”課程教學改革探討[J].電氣電子教學學報,2014(06)：53-55.