蘇天賜 四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院

一、引言

普通的開關(guān)電源基本上采用的模擬電源的方式，模擬開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)專一，不同的設(shè)備需要不同的硬件產(chǎn)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上適應(yīng)各種工作。采用數(shù)字電源控制的方式，加上全橋?qū)ΨQBUCK-BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的智能化，在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下，我們只需要給單片機(jī)更新程序固件，即可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

二、設(shè)計(jì)方案

采用STM32F334單片機(jī)作為核心控制單元加上全橋BUCKBOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能輕松的應(yīng)對(duì)各種電源需求環(huán)境。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在任意方向輸入電壓，另外一個(gè)通道即可輸出設(shè)定電壓值，電流等于設(shè)定值后，電源轉(zhuǎn)換位恒流（CC）模式，方案思路如圖1所示。

圖1

三、硬件設(shè)計(jì)

(一）全橋BUCK-BOOST

全橋BUCK-BOOST電路能實(shí)現(xiàn)電源雙向升降壓的功能，通過半橋驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOS管，單片機(jī)控制PWM波占空比即可控制輸出電壓結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2

(二）主控以及信號(hào)放大電路

本設(shè)計(jì)主控采用STM32F334數(shù)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(nèi)核，內(nèi)嵌FPU浮點(diǎn)計(jì)算單元，保證了MCU對(duì)數(shù)據(jù)有較高的處理速度。0.2us的ADC采樣速度加上高速的浮點(diǎn)計(jì)算單元，克服了傳統(tǒng)數(shù)字電源環(huán)路響應(yīng)慢的問題。ADC的分辨率12位，輸出電源進(jìn)度不會(huì)低于1%。該芯片的高分辨率HRTIMER，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率最大可達(dá)4.608GHz,在輸出PWM頻率為250KHz的情況下，分辨率仍然可以達(dá)到14位的高分辨率，在如此高的分辨率下，輸出PWM幾乎相當(dāng)于模擬信號(hào)。OLED屏幕通過單片機(jī)SPI驅(qū)動(dòng)，能夠顯示實(shí)時(shí)的輸入輸出電壓電流。4個(gè)獨(dú)立按鍵功能分別為確認(rèn)、返回、加和減，通過OLED菜單就可以設(shè)定輸出電壓和電流。

信號(hào)放大電路，使用精密運(yùn)放將電流采樣電阻信號(hào)電壓放大，輸入給單片機(jī)ADC，由于低側(cè)采樣電阻會(huì)影響輸出電壓精度，所以采用精密運(yùn)放通過差分電路將輸出信號(hào)縮小10倍。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）程序框圖

接入電源后，單片機(jī)通過ADC檢測(cè)端口電壓值，判斷輸入電壓方向，并采用相應(yīng)方向的電源控制程序，ADC采集電壓電流后，經(jīng)過簡單濾波后輸入PID程序運(yùn)算，運(yùn)算完成后即可改變PWM輸出信號(hào)。程序框圖如圖3。

圖3

(二）串級(jí)PID算法

本設(shè)計(jì)采用的核心控制算法為串級(jí)PID控制算法，電壓作為外環(huán)，電流作為內(nèi)環(huán)。內(nèi)環(huán)運(yùn)算度快，能夠?qū)敵鲭娏魍蛔冏龀隹焖俜磻?yīng)，電壓作為外環(huán)，能精確控制輸出電壓精度。限制電壓環(huán)路的輸出，能夠限制輸出電流，當(dāng)電壓環(huán)輸出最大時(shí)，電路進(jìn)入恒流（CC）模式。算法框圖如圖4。

圖4

五、總結(jié)

本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)突出，輸出輸入電壓范圍寬，效率高，有良好的用戶界面，實(shí)現(xiàn)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(shè)備等應(yīng)用。