基于DC/DC开关稳压器的数控电源设计

屈彪，张文超

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

基于DC/DC开关稳压器的数控电源设计

屈彪，张文超

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

针对当前市面上数控电源电路复杂、成本较高、同一数控电源系统不能兼并恒压恒流的情况，研究了3种数控电源常见的设计方案，并深入探究了基于DC/DC开关稳压器的数控电源设计方案。与市面上的数控电源相比，本设计是基于DC/DC开关稳压器的数控电源，通过STM32控制数字电位器来改变DC/DC开关稳压器反馈量来实现。电路采用两个反馈回路，电压反馈回路和电流采样、放大反馈回路，可以根据用户的选择实现，恒压和恒流模式之间自动切换。根据实验数据表明，基于该方法设计的数控电源恒压、恒流精度高，且电路工作稳定，价格低廉。

DC/DC；数控电源；STM32；数字电位器

数控电源是针对传统模拟电源的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。数控电源分为数控电压源和数控电流源。数控电压源，具有输出电压稳定、精度高且调节范围宽、响应快，稳定性好、效率高等优点。数控恒流源具有输出精度高且调节范围宽、效率高、适应性强、输出不随输入电压、负载变化而变化等特点。如何设计一个数控电压源和数控电流源共存，输出精度高且调节范围宽的系统是电子技术应用热点之一。文中分别论述了基于DAC的数控电源、基于MOS管的数控电源和基于DC/DC开关稳压器的数控电源等数控电源的设计方案，并重点讨论了DC/DC开关稳压器的数控电源通用的设计方法。并给出相关设计实例以及相关测试数据。

1　数控电源设计方案比较

直流稳压电源朝着数字化方向发展。因此对于数控恒压源的研究是必要的[3]。数控电源顾名思义，即是通过数字信号控制电源输出。因此可以借助很多数字控制模拟量的器件来进行模拟电路数模字化，比如DAC、MOS管、数字电位器等方式[1]。这些器件是通过数字量来控制模拟电路的电压、电阻、电路导通时间，从而达到数控电源的目的。

1.1基于DAC的数控电源

图1为基于DAC的数控电源工作简图。采用MCU作为数控电源的控制单元，通过改变DAC的输入数字量来改变输出控制电压，从而使输出功率管的控制电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压电流值的大小，可以将输出电压、电流经过采样，用MCU实时对电压、电流进行监控、数据处理及显示[3]。实现了一个输出、采样、比较、调整的闭环系统，增加了系统的鲁棒性。

1.2基于MOS管的数控电源

图1中的功率放大元件始终工作在“线性连续”状态下，其自身功耗较高，电源整体效率较低。而图2中的MOS管工作在“开关”状态下，可大大提高效率。

图1　基于DAC的数控电源结构框图

图2中，50 Hz 220 V交流电经电网滤波器（消除来自电网的干扰）滤波→整流滤波器→直流电压。该直流电压作为输入电源加到功率变换电路，功率变换电路在占空比可变的PWM控制信号控制下，将输入直流电源转换成高频率脉冲（“通断”）式“直流电”，再经功率储能元件（电感或变压器）变换成低压的高频率脉冲式“直流电”，在经过整流滤波电路转化成稳定连续的直流电压输出到负载。由微控制器产生脉宽（占空比）可调的PWM控制信号驱动功率变换电路工作。控制信号的脉宽（占空比）是要根据输出电压的反馈信号来实时调节的，具体就是利用微控制器中的高速ADC通道定时采集输出电压和输出电流值，并与设定值相比较，再根据其误差程度和控制算法来调节PWM控制信号的占空比，从而自动将输出电压稳定在设定值。比较控制算法可采用PID算法由软件程序完成[2]。此外，这种数控电源很容易实现过压、过流和短路故障保护。图中功率变换电路采用了MOS管，当然亦可采用IGBT和可控硅等功率器件。

图2　基于MOS管的数控电源结构框图

1.3基于DC/DC开关稳压器的数控电源

DC/DC开关稳压器广泛应用于各种电子设备中，用作恒压源，当负载电流在额定范围内变化时，其输出电压保持不变。以图3所示的基于DC/DC的数控电源原理框图为例，探讨一下DC/DC的数控电源恒压、恒流原理。图3中包含电压反馈电路和电流反馈电路。当用户选择恒压输出时，系统电压反馈电路起作用，图3中R1、R2构成输出电压采样电路，用于设置输出电压的大小[4]。当输出电压Vout因负载变化而变化时，反馈电压Vf也随着变化，DC/DC稳压器内部的控制电路根据反馈电压Vf（采样电压）与Vref差值的大小来适当调整功率变换电路的控制参数（如PWM的占空比等），使输出电压稳定在一个固定的值，达到稳压的目的[5]。当用户选择恒流输出时，系统电流反馈电路起作用，恒流源和恒压源在电路上的差别反应在两者的采样电路采集的对象不一样。恒压源为了保持输出电压的恒定，需要实时对输出电压跟踪、控制，在负载变化的情况下使输出电压不随负载的变化而变化，而恒流源是指在负载变化的情况下，稳压器能根据负载的变化相应调整输出电压，保持输出电流不变，恒流源采样电路采集的是输出的电流信号，但实际上采集的是经过I/V转换（采样电阻）后反应电流大小的电压信号，因此，把输出的电流信号转换成电压信号，输入到DC/DC开关稳压器的反馈引脚，就能实现恒压源到恒流源的转变。图3中的RS为采样电阻，将RS上的电压信号经过由R3、Rf、运放A组成的放大器，输入到DC/DC开关稳压器的反馈引脚，通过设置R3、Rf大小来设置输出电流的大小。一般来说，运算放大器的增益都能做到很大，这样电路中就可以采用很小的采样电阻，从而达到降低损耗、提高效率的目。

图3　基于DC/DC的数控电源原理框图

DC/DC开关稳压器输出电压

其中Vref为 DC/DC开关稳压器内部自带的基准电压或者用户外接的基准电压。由式（1）可知，合理设置电阻R1、R2的值，即可获得所需的输出电压值。在实际电路中R2保持不变，将R1用数字电位器代替，开关S1、S2、S3用继电器替换。即可改装成数控电压源。

当电路进入恒流工作状态时，输出电流Iout满足式（2）：

将式（2）变换得出：

由式（3）可以看出，合理设置电阻Rf、R3和RS的值，即可获得所需的输出电流值，并能获得理想的效率。同数控电压源一样，RS、R3使用固定值，而Rf用数字电位器代替，开关S1、S2、S3用继电器替换，即可改装成数控电流源[6]。

通过对上述3种数控电源实现方案的深入研究与实际运用，基于DC/DC开关稳压器的数控电源，其优点如下：

1）电路简单，功能齐全，易于扩展。

基于DC/DC开关稳压器的数控电源，相对于前两种方案，电路更加精简，电流电压两个回路切换非常方便。电流输出范围宽，输出小电流时使用大的采样电阻，输出大电流时使用小的采样电阻，以减小电路本身功耗。

2）数控电源精度高，误差小，易于控制。数控电源既能方便输入和选择预设电压电流值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，给电路实验带来极大的方便提高了工作效率。

3）元件取材广泛，价格低廉。DC/DC开关数控电源基于可调输出的DC/DC开关稳压器设计，即输出电压采样电路外置的DC/DC开关稳压器设计的。目前，在市面上可以找到很多价格低廉、性能优良的可调输出的DC/DC单片集成开关稳压器或者控制器，如 LM2596-ADJ、LT1086-ADJ、TL494、MC34063等。

2　设计实例

由于整个电路元件较多，尺寸较大。限于篇幅，此处只将核心电路简化后给出。图4所示是基于LM2596-ADJ的数控电源的电压环路部分。电压环路只是将图3中R2用数字电位器X9241替换。X9241是4个数字电位器为一体的CMOS集成电路，每个电位器包含63个电阻，数字电位器滑臂位置的控制由用户通过I2C串行总线传递增益码控制，X9241自带I2C二线接口，接法简单，使用方便，可灵活控制滑臂位置，改变阻值大小。本设计是通过STM32控制数字电位器X9241的电阻值从而改变输出的电压值。电路原理在前文已做过详细说明，此处不再敖述。

图4　数控电源电压环路原理图

图5所示是图4所示数控电源中控制芯片供电电路。电路的核心元件是TL431，TL431的内部含有一个2.5 V的基准电压，所以当在REF（2脚）端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。TL431、2SC4762、R7、R8组成了精密5 V稳压电路，再通过AMS1117-3.3 V输出3.3 V电压给STM32控制器提供电压。

图5　数控电源辅助电源电路原理图

数控电流源的电流反馈环路与数控电压源的电压反馈环路类似，只需将图3中的Rf用数字电位器X9241替换。通过STM32来控制X9241电阻值的大小即可改变输出电流值，此处不再详细说明。

3　软件设计

如图6所示，本设计软件，主要负责电流、电压模式切换，电流、电压值设定（控制数字电位器 X9421），输出的电压、电流采样，比较、调整、输出等。在此对程序如何切换到电流工作模式进行简要说明。当用户选择电流输出时程序进入电流模式，即本文图3中开关S1、S2切换到1端。进入电流模式后，根据用户对输出值的需求切换不同的采样电阻，即本文图3中开关S3切换，降低功耗。确定输出模式和输出值大小后，电路开始输出用户输入的值，为了提高精确度，电路中加入了电流采样，在通过STM32计算比较，再对电路输出值进行调整。电压工作模式，与电流工作模式类似。

图6　数控电源控制程序流程图

4　实验及结果分析

系统电源是由MPS-3003L-3稳压电源提供的18 V电源，测试结果直接由STM32内部ADC测得。在数控电压环路测试中，设定输出电压和实际输出电压数值，其结果如表1所示。在数控电流环路测试中，设定输出电流和实际输出电流数值，其结果如表2所示。

表1　恒压精度测试数据

表2　恒流精度测试数据

由表1可见，本设计的数控电压源具有稳压效果好、可调范围宽、输出精度高等。由表2中测试数据可以看出，为了实验的客观性和真实性，在实际测试使用两种方式测试：1）取不同的电流值来作基准进行测试。2）设定电流值为450 mA，改变输出端负载，进行测试。测试结果表明：所设计的数控电流源系统输出稳定、误差小、精度高。

5　结　论

基于LM2596-ADJ的数控电源，很好的解决了传统的数控电源中存在的不足，硬件简单实用、软件简洁明了。经实践证明，基于LM2596-ADJ的数控电源长期工作稳定可靠，该电路的成功设计，说明了利用市面常用DC/DC稳压器设计成高效的数控电源的方法的可行性，且取材广泛，成本低。电路具有恒压、恒流精度高、效率高。该数控电压源电路不仅可用于继电器吸合/释放电压测试，还可用于对电压要求较高的电路系统中等，而数控电流源电路不仅可用于微小电阻测量中，也可以大功率LED驱动，还可用于电池充电等。

[1]梅阳凤.数字开关电源的设计与实现[D].广州：广东工业大学，2011.

[2]吕德深，梁承权.基于STC12C5A60S2与PID算法的数控电源的设计与实现[J].电子设计工程，2014，22（9）:127-130.

[3]晏勇.基于MSP430大功率高效数控恒流源[J].西南民族大学学报.自然科学版，2011，37（5）:810-815.

[4]刘仁贵，侯成英.基于DC/DC开关稳压器的大功率LED恒流驱动设计[J].电子设计工程，2012，20（5）:97-102.

[5]张磊.高精度数字开关电源系统的研究[D].成都：电子科技大学，2006.

[6]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版:北京：高等教育出版社，2006.

The design of numerical power based on DC/DC

QU Biao，ZHANG Wen-chao
（Electronic Information School of Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

In this paper，the current market digitally controlled power circuit complexity，high cost，the same can not be digitally controlled power systems merger constant-voltage/constant-current case study three common design digitally controlled power，and in-depth study of the DC/DC switching regulator numerical control power supply design.Compared with the numerical control market power，the design is based on the DC/DC switching regulator numerical control power，STM32 controlled by the digital potentiometer to change the DC/DC switching regulator feedback to achieve.Circuit uses two feedback loops，voltage and current sampling feedback loop，the feedback loop amplification can be achieved according to the user's selection，automatic switching between constant voltage and constant current modes.According to the experimental data show that the method based on the design of digitally controlled power constant voltage，constant current，high precision，and the circuit is stable，low prices.

DC/DC；numerical power；STM32；digital potentiomete

TN7

A

1674－6236（2016）21-0170-04

2015-10-22稿件编号：201510148

屈 彪（1989—），男，湖南衡阳人，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统与应用。