基于STM32的开关电源设计

赵祖玉 周广楼

摘 要：本文在开关电源和数字控制技术现有基础上，研制一款以STM32为控制核心的开关电源，输出电压0〜12V可调，最大可带100A负载，可调整电压和电流等级，设置稳压或稳流输出模式，输出噪声纹波电压峰-峰值较小，DC-DC变换器的效率能够达到80%以上，整个电路采用多种保护功能来实现系统的可靠性，而且具有输出电压、电流的显示功能。

关键词：单片机 开关电源 DC/DC变换器

1．研究背景

目前我国市场上的开关电源中，功率管基本都采用双极型的晶体管，其开关频率可达到几十千赫；如果是MOSFET管的开关电源，转换频率可达到几百千赫。为了有更高的开关频率，就得采用高速的开关器件。谐振电路具有兆赫以上开关频率，它可以迅速地提高开关的速度，理论上开关损耗应该为零，噪声也非常小，这是提高开关电源频率的一种方式。

2．课题研究内容

本课题在开关电源和数字控制技术现有基础上，研制一款以STM32为控制核心的数控开关电源，输出电压0〜12V可调，最大可带100A负载，可根据用户的功率需求调整电压和电流等级，设置稳压或稳流输出模式，并通过485通讯协议实现触屏控制和远程控制。得出适合于设计要求的主电路的结构，并在此基础上设计出具体的驱动电路、控制电路、保护电路。通过按键调节占空比的大小，输出可调电压30V～36V，最大输出电流可以达到2A，电压调整率和负载调整率尽可能低，DC-DC变换器的效率达到80%以上。采用过流保护、 滤波保护等多种保护功能，保证了系统的可靠性。根据设计要求以及主电路的结构，对电路中各参数进行计算。最后对电路进行仿真测试，并根据不足进行改进。

2.1 系统设计要求

开关电源是工作原理很简单，就是对开关管进行控制，然后使其不断地进行“开路”和 “闭合”，改变对输入电压的脉冲宽度，对占空比进行反馈对比，达到所需时进行输出，一般输入输出都需要有整流滤波电路。

本文所设计的开关电源是电源内部的采样、算法运算、PWM生成、通讯与监测控制等主要功能都是通过数字控制技术实现的电源产品。它以STM32 为控制核心，小到可以生成PWM的定时器、大到用于实现人机交互界面的触摸屏都是 它的控制对象，此外它还可对电源的输出电压电流及温度等指标进行监控，以实现对电 源系统的保护。由此可以发现，它不单单是对模拟电源的控制部分进行“升级”，而且 将电源系统的各个主要模块均进行“数字化”处理，通过与算法的配合，对电源的控制 策略进行优化，提升了电源的整体性能。本文所设计电源的工作原理为：微控制器STM32将电压与电流信号经过采样后转换为数字量与给定值进行比较，经算法计算之后向PWM控制器发出指令产生驱动信号，分别控制全桥变换器的四个功率开关管的通断，使输出电压或电流迅速达到给定值，以实现稳压或稳流的效果。其中，由于控制方式选用移相控制，控制开关管的四路PWM驱动信号必须是互补带死区的，通过改变超前和滞后桥臂驱动信号的移相角来改 变输出电压与电流，而移相角的大小是STM32根据输出反馈回来的电压电流值及其内部的算法共同确定的。

2.2 主回路拓扑

设计开关稳压电源，首先要确定主电路方案，主电路是整个电路设计的核心，选择一个合适的主电路是设计成功的关键。本设计通过间接直流变流和Boost斩波电路两个方案进行选择。

方案一：采用变压器升压的隔离型PWM直流－交流-直流变换器电路，这种方法制作的电路效率比较低,开关辐射/纹波比较大，电路也比较复杂。

方案二：采用以BOOST为核心的升压电路，利用单片机输出PWM驱动MOS管，控制开关管的通断，这种电路输出电压范围宽，而且也相对稳定，单片机低功耗、成本低、抗干扰性强的特点，更好地提高了系统的效率。

选用全桥式作为 DC/DC变换器主拓扑，它有以下两点优势。首先，它电路结构简洁，所用元器件不多，适用于中大功率的场合，其回路结构便 于实现磁复位、抑制直流偏磁，并且在承受相同的电流和电压的条件下，输出功率是半 桥式变换器的两倍；其次，全桥式变换器易于高频化、抗干扰能力强、开关管耐压值较 低、工作效率较高，符合本文所设计的数控开关电源的设计需求。因此，方案二更容易实现题目的要求，选择方案二作为设计的主电路。

升压斩波电路的基本原理：先假设电感和电容都足够大。当开关处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定不变，同时电容C向负载R供电，因C值很大，基本保持负载电压不变，此阶段L积蓄了一定的能量。当开关处于断态时，E和L共同向C充电，同时向R提供能量。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，L将交替的存储和释放能量，L储能后使电压泵升，C将输出电压保持恒定。输出电压与输入电压的关系为U0=(T/toff)*E，可以通过调节占空比来改变输出电压。

升压斩波电路目前一般应用于直流电动机传动；用作单相功率因数校正电路；用于其他交直流电源中等等。在如今这个电子科技不断发展的时代，升压斩波电路也一定会不断发展，有更广泛的发展空间。

2.3 开关电源的总体方案

2.3.1 控制方法及实现方案

主电路确定之后，为了配合主电路完成整个运行，需要控制电路进行辅助，这样系统才能正常工作。因此，还需要选择一个合理的控制方案。

方案一：利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。这种办法容易实现，工作也比较稳定，但不容易实现输出电压的键盘设定和步进调整，很难实现设计中的这一要求。

方案二：利用单片机产生PWM控制信号，通过输入程序来输出PWM,单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出，用按键来调节占空比，实现输出30V-36V可调。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试来达到自己所需的要求，此设计理所当然对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂，需要设计人员的耐心调试。

因此，方案二更容易实现题目的要求，选择方案二作为设计的控制电路。

2.3.2 系统总体方案

根据以上方案的选择，已经完成了系统的主体框架，能够实现系统的基本运行。为了能够进行稳定运行，还需要加入一些保护电路，保护电路可以使设计运行更可靠，系统更安全。此外，通过单片机的控制加入显示电路，随时观察输出电压电流，通过按键有效地控制电压电流的大小。

系统设计的主要技术指标如下：

⑴输入额定电压：220VAC(?0%),单相工频50Hz；

输出电压：0〜12VDC连续可调；

最大可带100A负载；

最大输出功率1200W；

开关频率：100kHz。

参考文献：

[1]赵玉剑、范修容.单片机与PC 串行通信的实现[M]．北京机械工业出版社.2008

[2]郭昌鑫,郑祺文,梁钰明,巫坤铤,周宇媚,周卫星.基于STM32的智能垃圾桶系统[J].科技与创新,2021(07):43-44.

[3]宋佳超,林俊烨,邢伟志,张思涵,蒋冰蕾,吴文慧.基于人脸年龄识别的车内儿童防滞留监测系统[J].电子制作,2021(07):23-25.

[4]Qian Liu. Based on STM32 Illegal Vehicle Monitoring System[J]. International Core Journal of Engineering,2021,7(3).