基于STM32的開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

厲俊　鄭佳蕙

摘? 要：本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控元件產(chǎn)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(qū)動(dòng)電路控制雙向DC/DC電路中場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)。電路采用閉環(huán)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(hào)，單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)PWM做出調(diào)整，對(duì)并聯(lián)供電系統(tǒng)的輸出電流電壓進(jìn)行穩(wěn)定的步進(jìn)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出及電流的不同比例分配。該系統(tǒng)的輸出誤差和負(fù)載調(diào)整率低，具有過(guò)流保護(hù)功能，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)能輸出穩(wěn)定直流電壓8V，電流誤差絕對(duì)值小于2%，供電效率達(dá)到70%以上。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);開(kāi)關(guān)電源;并聯(lián)供電;過(guò)流保護(hù);比例分配

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shù)的不斷發(fā)展，直流電源供電系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、儀表儀器測(cè)量、航天軍事、計(jì)算機(jī)控制和日用家居等領(lǐng)域。在直流電源的實(shí)際使用過(guò)程中，各種負(fù)載對(duì)于電源的要求越來(lái)越高，當(dāng)單臺(tái)電源不能提供負(fù)載持續(xù)工作的全部容量時(shí)，就需要多個(gè)直流電源模塊并聯(lián)使用，以提高電源的容量、功率、精度和運(yùn)行的可靠性。由于電源各自參數(shù)的差異性，使得各個(gè)電源的輸出電壓和內(nèi)阻均會(huì)存在差異，當(dāng)其中一個(gè)電源發(fā)生故障，其他電源往往處于重載工作狀態(tài)[1]，無(wú)法滿(mǎn)足電源的穩(wěn)定性和安全性的要求。因此將多個(gè)小功率開(kāi)關(guān)電源[2]模塊以“積木式”并聯(lián)組合起來(lái)，較單個(gè)大功率電源系統(tǒng)有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活性高、效率更佳和方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了利用STM32單片機(jī)控制，以雙向DC/DC電路為核心電路的開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。本供電系統(tǒng)對(duì)輸出電壓電流進(jìn)行采樣檢測(cè)，反饋至單片機(jī)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定和電流成比例分配的功能。并采取過(guò)流保護(hù)措施，保證電源模塊不會(huì)損壞，極大地提高了并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2? 并聯(lián)供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（Parallel power supply system overall design）

本系統(tǒng)由兩個(gè)DC/DC電源并聯(lián)模塊、單片機(jī)控制模塊、電壓電流采樣檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)模塊等部分組成。輸入的24V直流電壓通過(guò)兩個(gè)額定功率均為16W，輸出電壓為8V的DC/DC并聯(lián)電源模塊降壓，利用STM32產(chǎn)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(hào)，單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)PWM做出調(diào)整，對(duì)并聯(lián)供電系統(tǒng)的輸出電流電壓進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，電路采用閉環(huán)反饋控制[3]，極大地提高了并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)控。該系統(tǒng)的輸出誤差和負(fù)載調(diào)整率低，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能很好地輸出穩(wěn)定直流電壓8V，實(shí)現(xiàn)兩路電流不同比例的分配，且各模塊電流誤差絕對(duì)值小于2%，系統(tǒng)總體供電效率達(dá)到70%以上，并且當(dāng)系統(tǒng)的總電流超過(guò)設(shè)定值4.5A時(shí)，會(huì)啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3? 并聯(lián)供電系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)（Hardware circuit design of parallel power supply system）

3.1? ?主控模塊單片機(jī)的選用

采用超低功耗的STM32單片機(jī)作為開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的核心主控模塊，STM32是低電壓、低功耗、高性能的ARM Cortex-M內(nèi)核[4]的32位微控制器。STM32外設(shè)豐富，功能齊全，有高達(dá)112個(gè)的快速I(mǎi)/O端口、13個(gè)通信接口、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位的us級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器和2個(gè)通道12位的D/A轉(zhuǎn)換器，相對(duì)于其他單片機(jī)而言，低能耗、集成廣、主頻高、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)強(qiáng)、調(diào)試方便、穩(wěn)定性高。它能通過(guò)內(nèi)置定時(shí)器產(chǎn)生占空比不同的PWM波，改變PWM波的頻率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。

3.2? ?DC/DC核心控制電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心電路主要為兩個(gè)雙向DC-DC電路并聯(lián)構(gòu)成的供電系統(tǒng)。輸入直流電壓，通過(guò)DC-DC并聯(lián)結(jié)構(gòu)降壓，經(jīng)STM32芯片采樣、控制和調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的直流電壓。

一個(gè)雙向DC-DC電路可以看作可由兩個(gè)單向DC-DC變換器反向并聯(lián)而得，進(jìn)而更高效的實(shí)現(xiàn)高壓能量端與低壓端之間的雙向流動(dòng)。DC/DC模塊并聯(lián)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(yōu)點(diǎn)在于二極管兩端并聯(lián)了一個(gè)MOS管，自舉回路[5]不會(huì)變成低阻回路，解決了電路在小電流時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足 （其中D為占空比）的線性條件。圖3為DC/DC模塊并聯(lián)電路圖。

STM32單片機(jī)分別給兩個(gè)DC/DC電路各提供一路可調(diào)占空比（D）和頻率的PWM調(diào)制信號(hào)，兩路PWM信號(hào)分別通過(guò)以IR2103芯片為核心的驅(qū)動(dòng)電路，各產(chǎn)生兩路頻率相同、相位互反的增強(qiáng)PWM，用以驅(qū)動(dòng)DC/DC電路上的四個(gè)MOS管，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓大小的變化。

如果對(duì)上下兩個(gè)DC/DC電路同時(shí)進(jìn)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(duì)電壓和電流兩個(gè)指標(biāo)，將兩個(gè)DC/DC電路拆分為一個(gè)恒壓源和一個(gè)恒流源分別進(jìn)行控制。在穩(wěn)壓源輸出電壓穩(wěn)定的情況下，并聯(lián)總電壓大小必定穩(wěn)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(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.3? ?DC/DC核心控制電路的設(shè)計(jì)

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(guò)的電流轉(zhuǎn)換為微弱的電壓，從而能夠準(zhǔn)確地反映出電路中電流的微小變化。但數(shù)量級(jí)較小的采樣電壓易與電路自帶的電壓波動(dòng)混淆，無(wú)法輸入單片機(jī)進(jìn)行精確的數(shù)值讀取。因此必須將采樣電壓放大后再輸入STM32單片機(jī)，減少噪聲對(duì)其精確性的干擾。

INA282是TI公司生產(chǎn)的一款高精度，寬共模輸入范圍[6]的雙向電流檢測(cè)器。該芯片為內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。使用INA282作為采樣電路的核心芯片，通過(guò)它將采樣電流穩(wěn)定放大約50倍，將放大的輸出電壓經(jīng)可調(diào)電阻進(jìn)行分壓，保證最大的輸出電壓在3.0V左右，低于STM32單片機(jī)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(lián)供電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（Software design of parallel power supply system）

并聯(lián)供電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Keil5作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用于處理采樣收集的反饋數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)改變單片機(jī)輸出的調(diào)制信號(hào)。系統(tǒng)程序采用模塊化方式設(shè)計(jì)，主要包括三通道ADC采樣[7]，電流分流比例調(diào)整，PWM波占空比實(shí)時(shí)調(diào)整等，根據(jù)流程圖各功能模塊的算法程序設(shè)計(jì)：在程序開(kāi)始對(duì)各功能模塊進(jìn)行初始化，啟動(dòng)并聯(lián)供電系統(tǒng)開(kāi)始工作。當(dāng)電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，調(diào)整負(fù)載以改變總電流大小，STM32單片機(jī)不停地檢測(cè)與采樣電路輸出相連的單片機(jī)I/O口，一旦查詢(xún)到I/O口有信號(hào)，就進(jìn)入相應(yīng)的子程序其執(zhí)行程序，控制PWM波的輸出情況，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓分流的最終效果。圖5為并聯(lián)供電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(guān)系外還與通斷MOS管的PWM波的占空比有關(guān)，單片機(jī)通過(guò)引腳上的I/O口輸出PWM信號(hào)，在輸入電壓給定的情況下用以驅(qū)動(dòng)DC/DC電路上的兩個(gè)MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓大小的變化。初始化程序片段如下：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;

//設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重載寄存器周期的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;

//設(shè)置用來(lái)作為T(mén)IM1時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上計(jì)數(shù)模式

脈沖寬度調(diào)制模式可以生成一個(gè)PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)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(wěn)壓源PWM波實(shí)時(shí)調(diào)整

單片機(jī)實(shí)時(shí)改變PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓大小的變化，從而控制電壓或電流。

依據(jù)Buck電路（其中D為占空比）的公式，當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓小于設(shè)定值，則增大PWM波的占空比來(lái)增大接下來(lái)的輸出電壓;反之，減小PWM波的占空比。以下為在主函數(shù)內(nèi)穩(wěn)壓源端PWM波動(dòng)態(tài)調(diào)整以穩(wěn)定電壓在設(shè)定范圍內(nèi)的程序片段：

int main（void）

{

u16 adcx，adcy，adcz;? //adcx穩(wěn)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(shí)器兩路PWM對(duì)應(yīng)IO口PA8，PA9

Adc_Init（）;

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

u16 zhankongbi2=3800;? //穩(wěn)壓源一路PWM2的占空比

u16 z1，z2;? ? //根據(jù)總電流大小調(diào)整，設(shè)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(wěn)壓源的采樣? //轉(zhuǎn)換值adcx=采樣值*

4096/3.3

if（adcx>2340）? //輸出電壓8V的轉(zhuǎn)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(jiān)測(cè)

單片機(jī)通過(guò)ADC通道獲取采樣電壓，通過(guò)短時(shí)間內(nèi)多次采樣取平均值[9]得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)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(jìn)逼近

單片機(jī)從I/O口接收到的反饋電壓信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)化公式： 轉(zhuǎn)化成adc采樣值進(jìn)行比較。由于硬件電路具有自帶的噪聲波，導(dǎo)致必定會(huì)產(chǎn)生不可避免地誤差，因此本研究通過(guò)步進(jìn)加減[10]改變PWM占空比使反饋值不斷逼近計(jì)算結(jié)果得到的adc值，使反饋得到的adc值重復(fù)進(jìn)入子程序自動(dòng)調(diào)整，最后在一個(gè)小區(qū)間范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。以下為查詢(xún)步進(jìn)式調(diào)整恒流源端PWM信號(hào)占空比的函數(shù)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(shù)內(nèi)需要根據(jù)采樣得到的總電流采樣值adcz確定均流需要調(diào)整的比例，當(dāng)adcz進(jìn)入一個(gè)設(shè)定范圍，就默認(rèn)其總電流達(dá)到了一個(gè)確切值，通過(guò)判斷語(yǔ)句后進(jìn)入子程序。子程序內(nèi)根據(jù)總電流采樣值adcy要逼近的計(jì)算值預(yù)設(shè)定了其允許波動(dòng)的上下限值z(mì)1、z2，根據(jù)極值z(mì)1、z2調(diào)用執(zhí)行adjcurrent（）調(diào)整電路。

if（adcz>=3100&&adcz<3140）

{z1=2520;z2=2350;

adjcurrent（z1，z2）;}

4.5? ?過(guò)流保護(hù)

當(dāng)調(diào)整負(fù)載后總電流值超過(guò)4.5A時(shí)，單片機(jī)的采樣值adcz經(jīng)過(guò)判斷后進(jìn)入子程序，在子程序內(nèi)設(shè)置兩路PWM信號(hào)的占空比為零，此時(shí)相當(dāng)于單片機(jī)的I/O口沒(méi)有調(diào)制信號(hào)輸出，電路沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)不工作。延時(shí)6秒，在期間手動(dòng)將負(fù)載阻值擴(kuò)大，防止再過(guò)流，6秒過(guò)后PWM波恢復(fù)輸出且占空比為重新設(shè)定的初值。

以下為過(guò)流保護(hù)的程序片段：

if（adcz>1240）? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//判斷過(guò)流

{? ? zhankongbi1=0;? ? ?//過(guò)流保護(hù)

zhankongbi2=0;

int i;

for （i=1;i<=6;i++）? ? //延時(shí)6秒

{ delay_ms（10000）;}

zhankongbi1=2000;

zhankongbi2=2000;? //自動(dòng)恢復(fù)

}

5? ?測(cè)試方案與結(jié)果（Test plan and results）

通過(guò)多次測(cè)試和誤差計(jì)算，實(shí)際測(cè)試效果均達(dá)到并超出預(yù)期指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文設(shè)計(jì)了一款以雙向DC-DC電路為核心的開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)，通過(guò)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(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器[11]進(jìn)行采集，軟件部分通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM給模塊提供控制電壓，對(duì)硬件進(jìn)行控制，構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)電路的電壓穩(wěn)定輸出、按比例調(diào)節(jié)分流和過(guò)流保護(hù)的功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)供電系統(tǒng)的效率不低于70%，在指定比例下的電流誤差絕對(duì)值不大于2%，過(guò)流保護(hù)調(diào)試時(shí)偏差在±0.2A以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了本文所述電路參數(shù)的正確性及控制策略的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：

厲? 俊（1999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電子技術(shù)及信息科學(xué)，電力電子技術(shù).

鄭佳蕙（1999-），女，本科生.研究領(lǐng)域：電子技術(shù)及信息科學(xué)，電力電子技術(shù).