基于STM32F103C8T6的USB直流充电器设计*

陈素芹， 余红英， 万鸾飞， 刘　权

(1.芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241006；2.中国电子科技集团公司第十四研究所，南京 210039)



基于STM32F103C8T6的USB直流充电器设计*

陈素芹1， 余红英1， 万鸾飞1， 刘权2

(1.芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241006；2.中国电子科技集团公司第十四研究所，南京 210039)

摘要：以STM32F103C8T6单片机为核心控制器,设计了USB接口的直流稳压充电器；系统以高效率的TPS5430为稳压电源，以低功耗、高精度的INA128P为放大电路，利用STM32F103C8T6内部集成高速A/D采集充电电压和电流；实验结果表明：充电器能实现5 V和2 A的最大充电电流输出，并在LCD12864上实时显示电压、电流及功率，同时设置了过载和过压欠压保护，具有较高的实用价值。

关键词：STM32F103FC8T6；TPS5430；电压调整率；负载调整率

随着电子技术的发展，便携式电子设备极大的改变了人们的生活方式。为了使用方便，这些小功率的便携电子设备均可采用USB接口的直流充电器进行充电，为此设计了以STM32F103C8T6单片机为核心控制器的USB稳压直流充电器[1]。由于电网电压允许有±10%的变化，且负载变化也将引起直流电源内阻上压降变化，系统从电压调整率、负载调整率和效率等方面进行了设计。

1系统总体方案设计

系统以高效率的TPS5430为稳压电路、STM32F103C8T6单片机为核心控制器，利用STM32F103C8T6内部集成高速A/D采集充电电压和电流并在LCD12864上实时显示，按键设定输出报警电压误差值，过载时通过保护电路断开负载，系统整体采用单点共地降低各模块的相互干扰，系统总体结构如图1所示[2]。

图1　系统总体框图Fig.1　General outline of the system

2硬件电路设计

2.1直流稳压电源[3]

系统以肖特基二极管搭建整流桥，使用输出效率和负载调整率均较好的TPS5430芯片构成稳压电源，可输出稳定的5 V直流电压，实现最大充电电流为2 A。经测试电流能达到3 A，TPS5430稳压模块的效率约为80%，要使系统在满载2 A时效率不低于40%，这就要求变压器的效率不低于40%/80%=50%，输出功率为2 A×5 V=10 W，要求变压器功率不低于10/50%=20 W，考虑到测量显示系统功耗，变压器选择15 V/30 W，稳压电源电路如图2所示。

图2　直流稳压电源Fig.2　DC voltage-stablized electric source

2.2电压电流采集电路[4]

图3　负电压电路图Fig.3　Negative voltage chart

图4　电流采集电路Fig.4　Current collection circuit

图5　负载控制电路Fig.5　Load control circuit

系统负电压和电流采集电路如图3、图4所示，负载(R5)控制电路如图5所示。采用低功耗、高精度的通用仪表放大器INA128P构建放大电路，利用7660S输出-5 V电压为INA128P供电，调节R10使放大倍数稳定在50倍；电压采集电路如图6所示，R11为20 mΩ、1 W的大功率采样电阻，采用精密电阻分压方式来采集电压，分压比为1/2。

图6　电压采集电路Fig.6　Voltage collection circuit

(1)

显示电流=A/D采集值÷

(2)

由于系统对电压、电流的采集精度要求很高，因此采集电路的设计尤为重要，在采样电阻两端直接采集，以减少干扰，在软件上采用多种滤波算法，使采集数据更加稳定、可靠。

3软件设计

充电器系统采用STM32F103C8T6作为控制核心。系统开机后，首先进行初始化操作，检测外部Flash中上次断电时数据并显示，程序中设有1 s的中断来实时存储系统采集的电压电流值，通过按键设置过压欠压报警值，判断是否过载和充电电压是否达到报警值，是则开启保护断开负载，单片机采集充电电压和电流经处理后在LCD12864上实时显示[5]。

系统程序在Keil MDK开发环境下用C语言编写，软件设计流程图如图7所示。

图7　程序流程图Fig.7　Procedure flow chart

4测试结果

输入电压220 V时，改变负载电阻，三位半万用表测量数值为真值，LCD12864实时显示数值为测量值，不同负载下测得的电压、电流、瞬时功率如表1所示。LCD12864实时显示充电电压、充电电流、瞬时功率，通过键盘设定报警电压值，突然断电时自动断开向负载的充电电路并存储数据，供电恢复后可显示断电时的充电电压、电流，如图8所示。

图8　12864显示结果Fig.8　12864 display result

负载/Ω充电电流真值/A充电电流测量值/A充电电压真值/V充电电压测量值/V瞬时功率/W空载004.9995.0010200.2480.2494.9995.0001.245100.5080.5105.0015.0012.55050.9510.9535.0015.0004.7652.52.0932.0955.0105.01110.49满载2.1852.1864.9964.99510.92

输入电压220 V变化范围为+15%～-20%条件下,测得空载和满载充电电压及电压调整率如表2所示。

表2　输入电压220 V变化范围为+15%～-20%

输入电压220 V，输出5 V，满载(2.2 Ω)时测得输入电流0.117 A、充电电压4.995 V、充电电流2.186 A，可得满载时效率为42.46%。

5结论

由测试结果可知，充电器输入170～250 V交流电压，输出5 V、最大充电电流为2 A 的直流稳定电压，电压调整率低于0.1%、负载调整率0.24%、满载时效率高于40%；可在LCD12864上实时显示电压、电流及瞬时功率，充电电流最大显示误差0.4%，充电电压最大显示误差0.04%；突然断电时能自动断开向负载的充电电路，供电恢复后可显示断电时的充电电压、电流；通过键盘设定误差报警电压值，当电压超出误差报警值或过载时，电路将报警并自动断开负载进行保护，具有较高的实用价值。

参考文献(References)：

[1]周良权.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2009

ZHOU L Q.Basic Analog Electronics[M].Beijing:Higher Education Press,2009

[2] 蔡顺燕.基于AT89C52的数控直流稳压电源设计[J].成都师范学院学报，2014，30(3)：112-115

CAI S Y.Design of NC DC-power Supply Based on AT89C52[J].Journal of Chengdu Normal University,2014,30(3)：112-115

[3] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011

HUANG Z W.System Design of National Undergraduate Electronic Design Contest[M].Beijing:Beihang University Press,2011

[4] 陶玉贵.模拟电子技术[M].安徽：中国科学技术大学出版社，2010

TAO Y G.Analog Electronics[M].Anhui:Press of University of Science and Technology of China,2010

[5] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009

GUO T X.51 single-chip C Language Tutorial[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009

责任编辑：田静

USB DC Charger Design Based on STM32F103C8T6

CHEN Su-qin1, YU Hong-ying1,WAN Luan-fei1, LIU Quan2

(1.Wuhu Institute of Technology, Anhui Wuhu 241006;2.The 14th Research Institute of CETC, Jiangsu Nanjing 210039)

Abstract：It is based on core-controlling chip of STM32F103C8T6 MCU to design a DC voltage charger with USB interface. The system uses the integrated high speed A/D inside STM32F103C8T6 to collect the charge voltage and current with high efficiency of TPS5430 as the power supply, low power consumption, high accuracy of the INA128P as the amplifying circuit. The test results prove that the charger can achieve 5 V, 2 A maximum charging current output and real-time display on LCD 12864 in a dynamic way. The charger is also equipped with the overload and over-voltage under-voltage protection. So the charger has high practical value.

Key words:STM32F103FC8T6；TPS5430；voltage regulation rate；load regulation rate

中图分类号：O221.2

文献标志码：A

文章编号：1672-058X(2016)02-0045-04

作者简介：陈素芹(1983-)，女，江苏淮安人，讲师，从事电子与通信研究.

*基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2015A449);安徽省高校省级教学质量与教学改革工程项目(2012SJJD048);芜湖职业技术学院自然科学研究项目(WZYZR201310).

收稿日期：2015-10-04；修回日期：2015-11-16.

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0002.010