基于STM32的開關電源模塊并聯供電系統

2020-03-20 03:42:37厲俊鄭佳蕙

軟件工程 2020年3期

厲俊　鄭佳蕙

摘? 要：本設計以STM32單片機為主控元件產生PWM脈沖，雙向DC/DC電路為核心電路，利用以IR2103芯片為主的驅動電路控制雙向DC/DC電路中場效應管的開關。電路采用閉環反饋控制，高精度的INA282作為采樣電路核心芯片輸出反饋信號，單片機根據反饋信號對PWM做出調整，對并聯供電系統的輸出電流電壓進行穩定的步進調整，從而實現穩壓輸出及電流的不同比例分配。該系統的輸出誤差和負載調整率低，具有過流保護功能，經測試系統能輸出穩定直流電壓8V，電流誤差絕對值小于2%，供電效率達到70%以上。

關鍵詞：STM32單片機;開關電源;并聯供電;過流保護;比例分配

中圖分類號：TP242? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：In this design，the STM32 MCU is used as the main control component to generate the PWM pulse.The bidirectional DC/DC circuit is the core circuit.The drive circuit based on the IR2103 chip is used to control the switch of the FET in the bidirectional DC/DC circuit.The circuit adopts closed-loop feedback control.The high-precision INA282 is used as the sampling circuit core chip to output the feedback signal.The MCU adjusts the PWM according to the feedback signal，and performs stable step adjustment on the output current and voltage of the parallel power supply system to achieve the regulated output and distribute different proportions of current.The system has low output error，low load regulation，and an overcurrent protection function.The tested system can output a stable DC voltage of 8V.The absolute value of the current error is less than 2%.The power supply efficiency is over 70%.

Keywords：STM32 single-chip microcomputer;switching power supply;parallel power supply;overcurrent

protection;proportional distribution

1? ?引言（Introduction）

隨著電源技術的不斷發展，直流電源供電系統已廣泛應用于工業生產、儀表儀器測量、航天軍事、計算機控制和日用家居等領域。在直流電源的實際使用過程中，各種負載對于電源的要求越來越高，當單臺電源不能提供負載持續工作的全部容量時，就需要多個直流電源模塊并聯使用，以提高電源的容量、功率、精度和運行的可靠性。由于電源各自參數的差異性，使得各個電源的輸出電壓和內阻均會存在差異，當其中一個電源發生故障，其他電源往往處于重載工作狀態[1]，無法滿足電源的穩定性和安全性的要求。因此將多個小功率開關電源[2]模塊以“積木式”并聯組合起來，較單個大功率電源系統有穩定性強、靈活性高、效率更佳和方便維護等優點。本文設計了利用STM32單片機控制，以雙向DC/DC電路為核心電路的開關電源模塊并聯供電系統。本供電系統對輸出電壓電流進行采樣檢測，反饋至單片機閉環控制，從而實現輸出電壓恒定和電流成比例分配的功能。并采取過流保護措施，保證電源模塊不會損壞，極大地提高了并聯供電系統的穩定性和可靠性。

2? 并聯供電系統總體設計（Parallel power supply system overall design）

本系統由兩個DC/DC電源并聯模塊、單片機控制模塊、電壓電流采樣檢測和過流保護模塊等部分組成。輸入的24V直流電壓通過兩個額定功率均為16W，輸出電壓為8V的DC/DC并聯電源模塊降壓，利用STM32產生PWM脈沖，高精度的INA282作為采樣電路核心芯片輸出反饋信號，單片機根據反饋信號對PWM做出調整，對并聯供電系統的輸出電流電壓進行控制和調節，電路采用閉環反饋控制[3]，極大地提高了并聯供電系統的穩定性和可靠性，實現高精度調控。該系統的輸出誤差和負載調整率低，經過測試，該系統能很好地輸出穩定直流電壓8V，實現兩路電流不同比例的分配，且各模塊電流誤差絕對值小于2%，系統總體供電效率達到70%以上，并且當系統的總電流超過設定值4.5A時，會啟動過流保護及自動恢復功能。系統總體設計如圖1所示。

3? 并聯供電系統的硬件電路設計（Hardware circuit design of parallel power supply system）

3.1? ?主控模塊單片機的選用

采用超低功耗的STM32單片機作為開關電源模塊并聯供電系統的核心主控模塊，STM32是低電壓、低功耗、高性能的ARM Cortex-M內核[4]的32位微控制器。STM32外設豐富，功能齊全，有高達112個的快速I/O端口、13個通信接口、11個定時器、3個12位的us級的A/D轉換器和2個通道12位的D/A轉換器，相對于其他單片機而言，低能耗、集成廣、主頻高、操作簡單、適應強、調試方便、穩定性高。它能通過內置定時器產生占空比不同的PWM波，改變PWM波的頻率，實現實時監測和調節。

3.2? ?DC/DC核心控制電路的設計

本系統的核心電路主要為兩個雙向DC-DC電路并聯構成的供電系統。輸入直流電壓，通過DC-DC并聯結構降壓，經STM32芯片采樣、控制和調節，輸出穩定的直流電壓。

一個雙向DC-DC電路可以看作可由兩個單向DC-DC變換器反向并聯而得，進而更高效的實現高壓能量端與低壓端之間的雙向流動。DC/DC模塊并聯原理圖如圖2所示。

本文中研究所用到的是其中的Buck降壓電路端。相比于純Buck電路，它的優點在于二極管兩端并聯了一個MOS管，自舉回路[5]不會變成低阻回路，解決了電路在小電流時無法滿足（其中D為占空比）的線性條件。圖3為DC/DC模塊并聯電路圖。

STM32單片機分別給兩個DC/DC電路各提供一路可調占空比（D）和頻率的PWM調制信號，兩路PWM信號分別通過以IR2103芯片為核心的驅動電路，各產生兩路頻率相同、相位互反的增強PWM，用以驅動DC/DC電路上的四個MOS管，來實現輸出電壓大小的變化。

如果對上下兩個DC/DC電路同時進行電壓和電流的操控，就難以平衡輸出電壓的大小和電流的分配。因此，針對電壓和電流兩個指標，將兩個DC/DC電路拆分為一個恒壓源和一個恒流源分別進行控制。在穩壓源輸出電壓穩定的情況下，并聯總電壓大小必定穩定;在總電流一定，恒流源輸出電流恒定的情況下，另一路的電流必定也被鉗制在穩定的范圍內波動。

3.3? ?DC/DC核心控制電路的設計

采樣電阻采用電阻極小、有較寬的使用溫度范圍的康銅絲，利用康銅絲上通過的電流轉換為微弱的電壓，從而能夠準確地反映出電路中電流的微小變化。但數量級較小的采樣電壓易與電路自帶的電壓波動混淆，無法輸入單片機進行精確的數值讀取。因此必須將采樣電壓放大后再輸入STM32單片機，減少噪聲對其精確性的干擾。

INA282是TI公司生產的一款高精度，寬共模輸入范圍[6]的雙向電流檢測器。該芯片為內部基準的超小型、低功耗、16位模數轉換器。使用INA282作為采樣電路的核心芯片，通過它將采樣電流穩定放大約50倍，將放大的輸出電壓經可調電阻進行分壓，保證最大的輸出電壓在3.0V左右，低于STM32單片機可承受的最大輸入電壓3.3V。采樣電路原理圖如圖4所示。

4? 并聯供電系統的軟件設計（Software design of parallel power supply system）

并聯供電系統軟件設計采用Keil5作為開發平臺，用于處理采樣收集的反饋數據和實時改變單片機輸出的調制信號。系統程序采用模塊化方式設計，主要包括三通道ADC采樣[7]，電流分流比例調整，PWM波占空比實時調整等，根據流程圖各功能模塊的算法程序設計：在程序開始對各功能模塊進行初始化，啟動并聯供電系統開始工作。當電路系統穩定工作后，調整負載以改變總電流大小，STM32單片機不停地檢測與采樣電路輸出相連的單片機I/O口，一旦查詢到I/O口有信號，就進入相應的子程序其執行程序，控制PWM波的輸出情況，實現穩壓分流的最終效果。圖5為并聯供電系統軟件設計流程圖。

4.1? ?PWM波的輸出

雙向DC-DC電路的輸出電壓大小除了與輸入電壓有直接關系外還與通斷MOS管的PWM波的占空比有關，單片機通過引腳上的I/O口輸出PWM信號，在輸入電壓給定的情況下用以驅動DC/DC電路上的兩個MOS管來實現輸出電壓大小的變化。初始化程序片段如下：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;

//設置在下一個更新事件裝入活動的自動重載寄存器周期的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;

//設置用來作為TIM1時鐘頻率除數的預分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上計數模式

脈沖寬度調制模式可以生成一個PWM信號，該PWM信號頻率由ARR寄存器值決定，其占空比則由CCR寄存器[8]值決定。程序片段如下：

void TIM_SetCompare3（TIM_TypeDef* TIMx， uint16_t Compare3）

{

assert_param（IS_TIM_LIST3_PERIPH（TIMx））;

TIMx->CCR3=Compare3;

}

4.2? ?穩壓源PWM波實時調整

單片機實時改變PWM波的占空比，實現輸出電壓大小的變化，從而控制電壓或電流。

依據Buck電路（其中D為占空比）的公式，當檢測到輸出電壓小于設定值，則增大PWM波的占空比來增大接下來的輸出電壓;反之，減小PWM波的占空比。以下為在主函數內穩壓源端PWM波動態調整以穩定電壓在設定范圍內的程序片段：

int main（void）

{

u16 adcx，adcy，adcz;? //adcx穩壓源電壓采樣，adcy恒流源電流采樣，adcz總電路電流采樣

TIM1_PWM_Init（9999，0）;? //定時器兩路PWM對應IO口PA8，PA9

Adc_Init（）;

u16 zhankongbi1=3850;? //恒流源一路PWM1的占空比

u16 zhankongbi2=3800;? //穩壓源一路PWM2的占空比

u16 z1，z2;? ? //根據總電流大小調整，設定范圍z，其中z1是最小值，z2是最大值

TIM_SetCompare3（TIM1，zhankongbi1）;

while（1）

{

adcx=Get_Adc_Average（ADC_Channel_0，255）;

//獲取穩壓源的采樣? //轉換值adcx=采樣值*

4096/3.3

if（adcx>2340）? //輸出電壓8V的轉換值在2300-2340之間

{? zhankongbi2-=5;

TIM_SetCompare4（TIM1，zhankongbi2）;

}

if（adcx<2300）

{? zhankongbi2+=5;

TIM_SetCompare4（TIM1，zhankongbi2）;

}

4.3? ?ADC采樣監測

單片機通過ADC通道獲取采樣電壓，通過短時間內多次采樣取平均值[9]得到相對準確的數值。程序片段如下：

u16 Get_Adc_Average（u8 ch，u8 times）

{

u32 temp_val=0;

u8 t;

for（t=0;t

{temp_val+=Get_Adc（ch）;

delay_ms（5）; }

return temp_val/times;

}

4.4? ?比例確定及步進逼近

單片機從I/O口接收到的反饋電壓信號通過轉化公式：轉化成adc采樣值進行比較。由于硬件電路具有自帶的噪聲波，導致必定會產生不可避免地誤差，因此本研究通過步進加減[10]改變PWM占空比使反饋值不斷逼近計算結果得到的adc值，使反饋得到的adc值重復進入子程序自動調整，最后在一個小區間范圍內穩定波動。以下為查詢步進式調整恒流源端PWM信號占空比的函數adjcurrent（）。

void adjcurrent（int z1，int z2）

{

if（adcy>z2）

{ zhankongbi1-=5;

TIM_SetCompare3（TIM1，zhankongbi1）;}

if（adcx

{ hankongbi2+=5;

TIM_SetCompare3（TIM1，zhankongbi1）;}

}

在主函數內需要根據采樣得到的總電流采樣值adcz確定均流需要調整的比例，當adcz進入一個設定范圍，就默認其總電流達到了一個確切值，通過判斷語句后進入子程序。子程序內根據總電流采樣值adcy要逼近的計算值預設定了其允許波動的上下限值z1、z2，根據極值z1、z2調用執行adjcurrent（）調整電路。

if（adcz>=3100&&adcz<3140）

{z1=2520;z2=2350;

adjcurrent（z1，z2）;}

4.5? ?過流保護

當調整負載后總電流值超過4.5A時，單片機的采樣值adcz經過判斷后進入子程序，在子程序內設置兩路PWM信號的占空比為零，此時相當于單片機的I/O口沒有調制信號輸出，電路沒有驅動信號不工作。延時6秒，在期間手動將負載阻值擴大，防止再過流，6秒過后PWM波恢復輸出且占空比為重新設定的初值。

以下為過流保護的程序片段：

if（adcz>1240）? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//判斷過流

{? ? zhankongbi1=0;? ? ?//過流保護

zhankongbi2=0;

int i;

for （i=1;i<=6;i++）? ? //延時6秒

{ delay_ms（10000）;}

zhankongbi1=2000;

zhankongbi2=2000;? //自動恢復

}

5? ?測試方案與結果（Test plan and results）

通過多次測試和誤差計算，實際測試效果均達到并超出預期指標，測試結果如表1所示。

6? ?結論（Conclusion）

本文設計了一款以雙向DC-DC電路為核心的開關電源模塊并聯供電系統，通過以INA282芯片為主要器件的采樣放大電路，將取得的電壓反饋給STM32單片機的A/D轉換器[11]進行采集，軟件部分通過單片機產生PWM給模塊提供控制電壓，對硬件進行控制，構成閉環控制結構，實現了并聯電路的電壓穩定輸出、按比例調節分流和過流保護的功能。經過測試，該系統供電系統的效率不低于70%，在指定比例下的電流誤差絕對值不大于2%，過流保護調試時偏差在±0.2A以內，驗證了本文所述電路參數的正確性及控制策略的可行性。

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