基于STM32F407的升压斩波电路设计

陈朝兴 倪强 陈亮 杜罡 刘杨 邹细勇 石岩

摘 要：随着电子信息技术的发展，人们对电源的品质要求越来越严格，针对当前DC-DC升压装置存在效率低、纹波电压大，输出电压不稳定等问题，设计了一种输入电压可变、输出恒定的电源。该电路利用STM32F407产生PWM（Pulse Width Modulation）信号控制MOS管的通断，通过电阻分压对输出电压采样，并与参考电压进行比较，两者的差值自动调节PWM的占空比，形成闭环控制，从而达到电压输出稳定。

关键词：DC-DC； 升压； 恒压输出； STM32F407； PWM；

0 引言

针对传统的线性电源体积较大，效率低，耗费的金属多，而且工作时发热现象严重，不能满足日益提高的要求，于是催生出了相对稳定、相对高效，且做得体积更小、质量更小、转换效率相对较高的的开关电源，目前许多电子设备都应用了开关电源[1，2]。

开关电源技术是由PWM波控制的全控型器件的开通与关断进行调节电压输出的技术。由于便携的数码电子产品的普及，推动着DC-DC 变换器不断改进完善。将PWM波技术使用于DC-DC直流变换器的方法，在一定程度上解决了随着开关频率的提高电磁干扰增大的问题[3]。本文利用STM32F407单片机产生PWM对MOS管关断进行控制的方法进行升压。

1 系统结构

系统的原理框图如图1所示，Boost主电路通过MOS管的开通时间来控制输出电压，对输出的电压进行采样后反馈给STM32F407单片机，经过一定的运算后与给定值进行比较，通过内部的PID控制算法，调节输出的PWM占空比，控制MOS管的导通时间，使输出电压稳定在一个值，完成一个闭环系统。

2电路原理

2.1 主变换电路

升压斩波电路是DC-DC变换电路的一种，可以将直流电压升高到固定的直流电压，一般来说指直流到直流的变换，不包含DC-AC-DC 的变换[4]。

在分析直流升压斩波电路时，假设电感L与电容C都是完美的器件其值视为无限大。升压斩波电路电压的输出取决于全控型器件V的通断。当MOS管V导通时，由直流电源E向电感L放电，它的电流i1，记为I1。因为电容的C值极大，可以将看成一个直流电源向R提供能量，其电压值可以看成恒定的u0，记为U0。如果晶体管V一个周期记为T，导通的时间为ton，则导通时间段中L上积蓄的能量为EI1ton。

当MOS管V关断时，电感L和直流电源电源E向电容C充电一起给R供给能量，这时电流为i0，记为I0。假设V的断开的时间为toff，则电感在这段时间中放出的能量为（U0 - E）I1toff，当升压斩波电路工作在稳态时，在电感 L上得到的能量和释放的能量是一样的。于是根据相等关系得到等式：

也就是升压斩波电路的电压的输出的幅度取决于占空比α，升压斩波电路能够使输出电压升高，是因为两个主要原因：其中一个是因为电感在有电压的上升的功能，第二个是因为电容有输出电压保持的功能。在理论分析中，我们可以认为在V处于通态时，电容得值极大所以电压保持在u0。实际上电容的值是有限的，无法实现保持u0，所以实际所得的值要略小于式（4）所得的值。但是一般电容的值C足够大，这个误差可以小到忽略。

假如忽视电路中的损耗则可以认为负载R消耗了全部电源E所供给的能量。根据这一关系可以得到：

2.2 控制电路

控制电路由控制芯片，保护模块组成。控制电路的作用是产生PWM 波来控制全控型器件的开通和关闭。系统的控制芯片采用ST公司的STM32F407，此款芯片采用Cortex - M4内核，带FPU和DSP指令集，片上最高工作频率达到168MHz，STM32F407有5个最重要的时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，从来源上可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，其中HSE、LSE是外部时钟源，其它是内部时钟源[5]。综合考虑，选择STM32F407单片机作为控制电路的核心，能够快速响应，恒压输出。

2.3 驱动电路

驱动电路是设置在主电路和控制电路中间的电路用来增大从控制电路出来的信号的驱动能力，驱动电路输出的控制信号加在全控型器件的两端改变其通断。

为了提高STM32F407单片机IO口的驱动能力，采用经典的图腾柱电路，图2所示图腾柱驱动电路，Q2与Q3构成图腾柱的基础电路。当Q2导通时Q3导通，当Q3导通时Q2不导通。作为一个电压增大电路驱动MOS管。图腾柱电路作为驱动电路能够快速增大电流，快速结束对MOSFE的G极的充电。其电路损耗较小，驱动能力强，简易而且成本小，适用于功率较小的电路。如果做成大功率可采用6N137作为驱动，电路同样简单可靠，实现隔离驱动，在此不作讨论。

3 控制器运行原理

升压斩波电路的软件的设计思路是由STM32F407单片机发生93KHz的PWM，来驱动MOS管的通断使得电压得到上升，再将输出电压分压，STM32F407单片机通过片内AD采样电压信号。其中的一些主要的子程序包括：

（1）PWM生成，PWM 波的输出频率是由定时器的时钟选定的，STM32F407可以输出多路PWM。假定定时器工作向上计数PWM模式，且CNT

（2）占空比修改子程序，设定一个用于比较的基准值，与STM32F407单片机模数转换得来的真值比较。当真值比参考值大时占空比增加，当真值小于参考值时占空比减小.

4 电路测试

STM32F407单片机需要3.3V的供电电源，所以对不同的输入电压（5～20V），进行DC-DC降压变换，通过芯片AMS117-3.3使输出稳定在3.3V， 制作硬件电路，进行调试，在不同的输入电压（+5V、+10V、+15V、+20V）时，PWM占空比和输出的电压分别如表1所示。

由测试结果可知，当输入的电压从+5V增大+20V时，由STM32F407单片机动态改变PWM的占空比，α减小，β增大，输出电压始终维持在+24V左右。

5 总结

采用Boost结构搭建的主电路，电路结构简单可靠，通过对主电路的原理进行分析，选取合适的MOS管、电感、电容等元器件，有效的降低了高频开关产生的噪声干扰。同时，降低MOS管的开关损耗，电源的转换效率得到了提高。选取功能强大、损耗低、自带ADC采样的STM32F407单片机作为控制芯片，可以快速稳定的从变化的输入电压（5-20V）中产生恒定的24V输出电压。

参考文献

[1] 马永翔，郭云玲.一种DC-DC变换器的设计[J].电器开关，2009，6（1）：62-64.

[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009：100-108.

[3] 王学梅，张波，丘东元.DC-DC变换器主要技术发展综述[A].电源世界，2008.（4）：21-24.

[4] 陈荣.直驱风电系统升压斩波器的设计與控制[A].Chinese Journal of Power Sources，2011.（12）：1568-1571.

[5] Jun Wen， Taotao Jin and Keyue Smedley .A New Interleaved Isolated Boost Converter for High Power Applications[A] 2010 journal of system Simulation 22（8）：2023-2029.