一種低成本高精度直流可調(diào)功率電源設(shè)計(jì)

田璐羽 蔣佳妮 王哲涵 夏鯤

（上海理工大學(xué) 上海市 200093）

開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply, SMPS)因其功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備、電力設(shè)備以及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)之一[1]。許多小型電氣設(shè)備的開發(fā)過(guò)程中都需要用到不同類型的測(cè)試電源，如小型鋰電池，常需要測(cè)試其在穩(wěn)流、穩(wěn)功率條件下的工作特性。其中，穩(wěn)流技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，然而穩(wěn)功率開關(guān)電源方面的研究較少，卻存在一定的使用需求。現(xiàn)有的開關(guān)變換器能實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流穩(wěn)定可調(diào)，多路負(fù)載并聯(lián)條件下電流配比可調(diào)等功能，但負(fù)載端功率受負(fù)載影響較大且調(diào)節(jié)復(fù)雜。另外，功率可調(diào)節(jié)電源多為交流調(diào)功拓?fù)鋄2]，直流調(diào)功電源較少且輸出穩(wěn)定性較差，該領(lǐng)域相關(guān)研究有所欠缺。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)功率的直流穩(wěn)功率電源，可以利用紅外遙控預(yù)置期望輸出的功率值，在Buck 電路輸出電壓不變的情況下通過(guò)消耗電路分壓，從而減小負(fù)載端輸出功率，達(dá)到直流調(diào)功的目的。利用比例積分微分控制算法(Proportional-Integral-Derivative Control, PID)調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(Pulse Width Modulation, PWM)的輸出占空比調(diào)節(jié)開關(guān)電路MOSFET 管的開關(guān)頻率，并采用STM32 主控芯片對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)輸出功率穩(wěn)定可調(diào)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度高，成本較低，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案

STM32F103ZET6 為ARM 公司的微控制器，有著良好的性能，其核心處理器為Cortex-M3 ?，速度高達(dá)72MHz，共有144 個(gè)引腳、112 個(gè)GPIO 口、8 個(gè)16 位定時(shí)器、3 個(gè)12 位21 通道ADC 轉(zhuǎn)換單元。由于其運(yùn)行速度快、功耗低、擁有豐富的外設(shè)資源[3][4]，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中被廣泛使用。

因此，系統(tǒng)采用ARM 公司STM32F103ZET6 為控制芯片，使用紅外遙控器選擇輸出功率預(yù)設(shè)值2～10W、斬波電路輸出電壓預(yù)設(shè)值30V，利用STM32 內(nèi)部ADC 轉(zhuǎn)換單元對(duì)斬波電路輸出電壓進(jìn)行采樣，將電壓采樣值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，改變PWM 波頻率控制MOSFET 管的開關(guān)頻率，穩(wěn)定斬波電路輸出電壓。同樣，采樣負(fù)載電壓電流值，計(jì)算得到輸出功率實(shí)際值，并將輸出功率實(shí)際值和預(yù)設(shè)值比較，當(dāng)兩者存在誤差時(shí)通過(guò)主控芯片控制繼電器，改變消耗電路，調(diào)節(jié)輸出功率。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件方案

系統(tǒng)硬件由整流部分、DC-DC 降壓斬波部分、消耗電路部分、電壓電流檢測(cè)部分、主控電路部分、供電模塊組成。圖1 為總體硬件框圖。

市電220V 經(jīng)隔離變壓器隔離和整流橋整流后得到198V 的直流電。該直流電經(jīng)Buck 電路進(jìn)行降壓斬波，得到30V 的輸出電壓。此30V 的直流電也作為主控電路的供電電壓。由繼電器控制串聯(lián)接入主電路的消耗電路電阻值。

2.2 整流部分

直接采用不控整流橋堆KBPC1510，耐壓1000V，可以滿足本系統(tǒng)的基本要求。原理簡(jiǎn)單，器件使用方便，整流效率高且損耗較小，成本更低。

2.3 DC-DC降壓斬波

斬波部分采用降壓型Buck 電路，電路拓?fù)淙鐖D2 所示。其原理是電路中的MOSFET 管周期性導(dǎo)通與關(guān)斷使電路正常工作，其中電感L 與電容C 不斷進(jìn)行充放電，最終在負(fù)載上得到降壓后的輸出電壓[5]。

主控芯片產(chǎn)生PWM 信號(hào)并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET 管[6]通斷，控制輸出電壓。輸出電壓平均值與輸入電壓關(guān)系如式（1）所示，其中Uz為斬波電路輸出電壓，D 為PWM 占空比，Ud為整流輸出電壓。

MOSFET 管的驅(qū)動(dòng)電路采用驅(qū)動(dòng)芯片UCC27324DR，輸出電流4A。主控芯片發(fā)出的PWM 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片輸出，將正向電壓加至MOSFET 管柵源極，實(shí)現(xiàn)通斷控制。

2.4 消耗電路部分

消耗電路為串接在電路負(fù)載端的一系列電阻，由繼電器開合控制其接入的電阻阻值，實(shí)現(xiàn)功率有級(jí)調(diào)節(jié)，阻值范圍為16～75Ω。STM32 主控芯片發(fā)出控制信號(hào)控制繼電器，當(dāng)繼電器閉合時(shí)接入電路的阻值減一，反之加一。圖2 為繼電器外圍電路。

2.5 主控電路及電壓電流檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用ARM 公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6 作為主控芯片，并搭建了STM32 最小系統(tǒng)。外圍電路設(shè)計(jì)有紅外接收頭、LCD 顯示屏、按鍵復(fù)位電路。

圖1：系統(tǒng)總體硬件方案

圖2：繼電器外圍電路

圖3：負(fù)載電壓檢測(cè)電路

圖4：系統(tǒng)供電框圖

圖5：系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)電路采用ACS712ELCTR-05B-T 電流傳感器，對(duì)負(fù)載電流io進(jìn)行檢測(cè)。該電流傳感器對(duì)輸入電流的檢測(cè)范圍為-5～5A，靈敏度為185mV/A。負(fù)載電流經(jīng)電流檢測(cè)電路后得到轉(zhuǎn)換電壓Uior，之后經(jīng)過(guò)同相比例運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離與幅值放大，放大倍數(shù)為10 倍。放大后的電壓接入STM32 芯片自帶ADC，該ADC 輸入范圍為0～3.3V。

電壓檢測(cè)電路由斬波電路輸出電壓檢測(cè)與負(fù)載電壓檢測(cè)組成。斬波電路輸出電壓檢測(cè)采用并聯(lián)在斬波輸出端的支路電阻Rz及電流傳感器組成。通過(guò)檢測(cè)流經(jīng)支路電阻的電流Iz，利用歐姆定律得出斬波電路輸出電壓Uz。同理，Iz經(jīng)電流傳感器得到轉(zhuǎn)換后的電壓Ur，經(jīng)運(yùn)放比例放大20 倍后得到接入ADC 的反饋電壓Uizr。計(jì)算過(guò)程如式（2）、（3）、（4）所示。

圖6：系統(tǒng)軟件流程圖

因此得到反饋電壓Uizr與斬波電路輸出電壓Uz的關(guān)系式。如式（5）所示，其中Rz為支路限流電阻。

負(fù)載電壓檢測(cè)電路采用兩個(gè)串聯(lián)比例運(yùn)算放大器，負(fù)載輸出電壓Vo經(jīng)運(yùn)放縮小5 倍得到輸出Vr，Vr接入主控電路的ADC 進(jìn)行負(fù)載電壓采樣。其中一階運(yùn)放U12 比例系數(shù)為1，起到隔離、反向的作用。如圖3 為負(fù)載電壓檢測(cè)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.6 供電部分

本系統(tǒng)需要對(duì)MCU 主控芯片、斬波電路、檢測(cè)電路等部分進(jìn)行供電。選用以ME6203A50M3G 線性穩(wěn)壓器、XC6206P332MR 線性穩(wěn)壓器為主的電路作為輔助電源。圖7 為系統(tǒng)的供電框圖。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 PID控制算法

本系統(tǒng)中PID 控制算法主要用于斬波電路穩(wěn)壓環(huán)節(jié)中，根據(jù)其輸出電壓偏差值計(jì)算所需控制量，由軟件實(shí)現(xiàn)控制量對(duì)PWM 輸出占空比的調(diào)整，并通過(guò)STM32 芯片IO 口輸出，控制MOSFET 管的開關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)斬波電路的電壓閉環(huán)[7]。式（3）為根據(jù)增量式PID 算法得到控制增量的計(jì)算公式。

其中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，e(n)為當(dāng)前時(shí)刻電壓值，為當(dāng)前電壓誤差， 為前一時(shí)刻電壓誤差。

3.2 濾波算法

除去硬件RC 濾波外，系統(tǒng)加入了軟件濾波以提高采樣精度。考慮到傳統(tǒng)的軟件濾波算法如采樣多次取平均值會(huì)占用主控芯片的存儲(chǔ)空間，而數(shù)字濾波算法可以良好抑制周期干擾，同時(shí)能夠節(jié)省RAM 空間。因此，利用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)ADC 采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。一階低通濾波算法的公式如式（4）所示[8]。

表1：測(cè)試結(jié)果記錄

其中，Y(n)為當(dāng)前濾波輸出值，Y(n-1)為上一次濾波輸出值，a 為濾波系數(shù)，X(n)為當(dāng)前采樣值。

3.3 設(shè)計(jì)思路及流程圖

顯示屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前斬波電路輸出電壓、輸出功率的實(shí)際值。主控板上裝有紅外接收頭，通過(guò)紅外遙控設(shè)置輸出功率的預(yù)定值，將數(shù)據(jù)存入主控芯片的存儲(chǔ)單元中。利用STM32 芯片自帶的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)單元集中處理。如圖5 為系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)。

上電后進(jìn)行定時(shí)器、IO 口等寄存器、顯示、PWM 等的參數(shù)初始化。輸出閉環(huán)處于關(guān)閉狀態(tài)，初始占空比0.15。控制頻率20kHz，每次進(jìn)入PWM 中斷后對(duì)電壓、電流值進(jìn)行采樣，主控芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用PID 算法計(jì)算并調(diào)整PWM 輸出占空比，穩(wěn)定斬波電路輸出電壓，同時(shí)計(jì)算出負(fù)載上的實(shí)際輸出功率，如果計(jì)算值與預(yù)定值存在一定范圍的偏差，則調(diào)整消耗電路，芯片發(fā)出信號(hào)控制繼電器開合。若計(jì)算值大于預(yù)定值，則增加消耗電路串聯(lián)電阻個(gè)數(shù)，減小負(fù)載上的輸出功率；反之，減小消耗電路串聯(lián)電阻個(gè)數(shù)。當(dāng)計(jì)算值與預(yù)定值間的誤差小于設(shè)定死區(qū)范圍時(shí)，不做調(diào)整，以保證輸出值的穩(wěn)定性[9]。

此外，系統(tǒng)軟件設(shè)置有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到的電壓、電流值超過(guò)限定值時(shí)，開啟保護(hù)即由軟件控制關(guān)閉輸出。系統(tǒng)程序流程圖如圖6 所示。

3.4 部分程序說(shuō)明

系統(tǒng)程序模塊主要分為初始化程序、主控制程序、ADC 檢測(cè)程序、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)程序、顯示與紅外程序。現(xiàn)就主控制程序中功率調(diào)節(jié)、電壓閉環(huán)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)進(jìn)行說(shuō)明。

3.4.1 功率調(diào)節(jié)

程序中設(shè)置I/O 口輸出數(shù)組，長(zhǎng)度為60，分別對(duì)應(yīng)著0～59 個(gè)繼電器閉合時(shí)的GPIO 口輸出情況。將數(shù)組元素值賦給GPIO 口相應(yīng)寄存器，通過(guò)指針指向數(shù)組元素的移動(dòng)來(lái)改變GPIO 輸出值，繼而控制繼電器開合，改變消耗電路。當(dāng)功率采樣值與限定值間的誤差大于一定范圍后，再進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

3.4.2 電壓閉環(huán)

程序中將電壓采樣值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，并設(shè)置了死區(qū)范圍。同功率調(diào)節(jié)類似，當(dāng)采樣值與預(yù)設(shè)值間誤差大于死區(qū)范圍值時(shí)，才進(jìn)行PWM 占空比的調(diào)整。程序中限定PWM 占空比D 的范圍為0.05～0.95，初始值設(shè)定為D=0.15。限定范圍與死區(qū)范圍可通過(guò)程序更改。

3.4.3 過(guò)壓過(guò)流保護(hù)

程序限定了系統(tǒng)電壓、電流的最大值，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)限定值時(shí)，關(guān)閉所有I/O 口輸出，關(guān)閉電壓閉環(huán)。即關(guān)閉總輸出。限定值可通過(guò)程序更改。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試條件：市電220V 電源、220:220 隔離變壓器一臺(tái)、FLUKE NORMA 4000CN 功率分析儀一臺(tái)、1～100Ω 滑動(dòng)變阻器一臺(tái)、TEKTRONIX MD04054C 示波器一臺(tái)。

如表1 所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，輸出電壓電流基本穩(wěn)定，電壓紋波很小。負(fù)載端功率平均值穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值附近，功率波動(dòng)穩(wěn)定于2%以內(nèi)，誤差較小。證明系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)直流輸出功率的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文提出了一種可調(diào)功率的直流穩(wěn)功率電源。由測(cè)試結(jié)果可知，該電源輸出功率穩(wěn)定，偏差較小，能夠?qū)崿F(xiàn)在負(fù)載5～20Ω 范圍內(nèi)功率可調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為2～10W。通過(guò)STM32 主控芯片控制電路輸出，用戶可通過(guò)紅外遙控設(shè)置輸出功率的預(yù)定值，LCD 顯示屏顯示輸出功率預(yù)定值及當(dāng)前輸出的電壓、電流及功率檢測(cè)值。相比傳統(tǒng)的開關(guān)變換器，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸出功率實(shí)時(shí)檢測(cè)、精確調(diào)整，穩(wěn)定性更高且成本較低，具有良好的工程應(yīng)用前景。