智能數控開關穩壓電源設計

蘇天賜 四川輕化工大學自動化與信息工程學院

一、引言

普通的開關電源基本上采用的模擬電源的方式，模擬開關電源拓撲結構專一，不同的設備需要不同的硬件產品來供電。市面上的各種模擬DCDC電源層出不窮，但是基本很難有一種電源在不改變其硬件結構的基礎上適應各種工作。采用數字電源控制的方式，加上全橋對稱BUCK-BOOST拓撲結構，就能夠實現開關穩壓電源的智能化，在不改變硬件結構的情況下，我們只需要給單片機更新程序固件，即可適應不同的工作環境。

二、設計方案

采用STM32F334單片機作為核心控制單元加上全橋BUCKBOOST拓撲結構，能輕松的應對各種電源需求環境。本設計實現在任意方向輸入電壓，另外一個通道即可輸出設定電壓值，電流等于設定值后，電源轉換位恒流（CC）模式，方案思路如圖1所示。

圖1

三、硬件設計

(一）全橋BUCK-BOOST

全橋BUCK-BOOST電路能實現電源雙向升降壓的功能，通過半橋驅動芯片驅動4個MOS管，單片機控制PWM波占空比即可控制輸出電壓結構如圖2。

圖2

(二）主控以及信號放大電路

本設計主控采用STM32F334數字電源專用芯片，該芯片是32位MCU且具有72M的主頻，采用Arm Cortex-M4內核，內嵌FPU浮點計算單元，保證了MCU對數據有較高的處理速度。0.2us的ADC采樣速度加上高速的浮點計算單元，克服了傳統數字電源環路響應慢的問題。ADC的分辨率12位，輸出電源進度不會低于1%。該芯片的高分辨率HRTIMER，驅動時鐘頻率最大可達4.608GHz,在輸出PWM頻率為250KHz的情況下，分辨率仍然可以達到14位的高分辨率，在如此高的分辨率下，輸出PWM幾乎相當于模擬信號。OLED屏幕通過單片機SPI驅動，能夠顯示實時的輸入輸出電壓電流。4個獨立按鍵功能分別為確認、返回、加和減，通過OLED菜單就可以設定輸出電壓和電流。

信號放大電路，使用精密運放將電流采樣電阻信號電壓放大，輸入給單片機ADC，由于低側采樣電阻會影響輸出電壓精度，所以采用精密運放通過差分電路將輸出信號縮小10倍。

四、軟件設計

（一）程序框圖

接入電源后，單片機通過ADC檢測端口電壓值，判斷輸入電壓方向，并采用相應方向的電源控制程序，ADC采集電壓電流后，經過簡單濾波后輸入PID程序運算，運算完成后即可改變PWM輸出信號。程序框圖如圖3。

圖3

(二）串級PID算法

本設計采用的核心控制算法為串級PID控制算法，電壓作為外環，電流作為內環。內環運算度快，能夠對輸出電流突變做出快速反應，電壓作為外環，能精確控制輸出電壓精度。限制電壓環路的輸出，能夠限制輸出電流，當電壓環輸出最大時，電路進入恒流（CC）模式。算法框圖如圖4。

圖4

五、總結

本設計優點突出，輸出輸入電壓范圍寬，效率高，有良好的用戶界面，實現了電源的智能化管理。適用范圍廣，適合太陽能供電、鋰電池充放電和各種DC輸入電壓的設備等應用。