智能数控开关稳压电源设计

苏天赐 四川轻化工大学自动化与信息工程学院

一、引言

普通的开关电源基本上采用的模拟电源的方式，模拟开关电源拓扑结构专一，不同的设备需要不同的硬件产品来供电。市面上的各种模拟DCDC电源层出不穷，但是基本很难有一种电源在不改变其硬件结构的基础上适应各种工作。采用数字电源控制的方式，加上全桥对称BUCK-BOOST拓扑结构，就能够实现开关稳压电源的智能化，在不改变硬件结构的情况下，我们只需要给单片机更新程序固件，即可适应不同的工作环境。

二、设计方案

采用STM32F334单片机作为核心控制单元加上全桥BUCKBOOST拓扑结构，能轻松的应对各种电源需求环境。本设计实现在任意方向输入电压，另外一个通道即可输出设定电压值，电流等于设定值后，电源转换位恒流（CC）模式，方案思路如图1所示。

图1

三、硬件设计

(一）全桥BUCK-BOOST

全桥BUCK-BOOST电路能实现电源双向升降压的功能，通过半桥驱动芯片驱动4个MOS管，单片机控制PWM波占空比即可控制输出电压结构如图2。

图2

(二）主控以及信号放大电路

本设计主控采用STM32F334数字电源专用芯片，该芯片是32位MCU且具有72M的主频，采用Arm Cortex-M4内核，内嵌FPU浮点计算单元，保证了MCU对数据有较高的处理速度。0.2us的ADC采样速度加上高速的浮点计算单元，克服了传统数字电源环路响应慢的问题。ADC的分辨率12位，输出电源进度不会低于1%。该芯片的高分辨率HRTIMER，驱动时钟频率最大可达4.608GHz,在输出PWM频率为250KHz的情况下，分辨率仍然可以达到14位的高分辨率，在如此高的分辨率下，输出PWM几乎相当于模拟信号。OLED屏幕通过单片机SPI驱动，能够显示实时的输入输出电压电流。4个独立按键功能分别为确认、返回、加和减，通过OLED菜单就可以设定输出电压和电流。

信号放大电路，使用精密运放将电流采样电阻信号电压放大，输入给单片机ADC，由于低侧采样电阻会影响输出电压精度，所以采用精密运放通过差分电路将输出信号缩小10倍。

四、软件设计

（一）程序框图

接入电源后，单片机通过ADC检测端口电压值，判断输入电压方向，并采用相应方向的电源控制程序，ADC采集电压电流后，经过简单滤波后输入PID程序运算，运算完成后即可改变PWM输出信号。程序框图如图3。

图3

(二）串级PID算法

本设计采用的核心控制算法为串级PID控制算法，电压作为外环，电流作为内环。内环运算度快，能够对输出电流突变做出快速反应，电压作为外环，能精确控制输出电压精度。限制电压环路的输出，能够限制输出电流，当电压环输出最大时，电路进入恒流（CC）模式。算法框图如图4。

图4

五、总结

本设计优点突出，输出输入电压范围宽，效率高，有良好的用户界面，实现了电源的智能化管理。适用范围广，适合太阳能供电、锂电池充放电和各种DC输入电压的设备等应用。