基于RISC-V 的数控电源与直流负载一体机设计

2022-09-14罗星扬傅忠云

电子设计工程 2022年17期

罗星扬，傅忠云

（南京航空航天大学金城学院，江苏南京 211156）

在日常的实验室电子实验中，直流电子负载和可调直流电源是较为常见的两种仪器，但目前市面上难以找到一款集合两者功能的仪器设备，并且其体积重量较大不便于移动。此外，随着移动电子设备的飞速发展，对移动设备充电速度的要求也在提高[1-3]。

在这种背景下，该文将研究一种以新型RISC-V架构微控制器作为控制核心的实验室桌面用多路供电坞和直流电子负载一体机，该设计具备以下功能：提供多路电子设备快充接口、实验室用可调直流电压源及直流电子负载功能，通过LCD 屏显示设备状态，同时具备故障保护功能。硬件设计上采用专用电压电流监控芯片、DAC 与精密运放配合PID 算法控制MOSFET 功率消耗器件[4-5]，并具备上位机通信功能。

1 系统整体架构设计

整个一体机集成了多口快速充电、数控可调直流电源输出和直流电子负载三大主要功能，采用新型RISC-V 内核单片机作为主控制芯片。多口快速充电坞包括两个Type-C接口和4个标准USB-A接口，最多可同时为4 台移动电子设备进行互相独立的大功率快速充电。数控直流电源提供一路24 V/3 A 可调直流输出。电子负载部分接入待测电源最高耐压耐流36 V/8 A，散热功耗为150 W，可根据用户需要设定为恒流或恒功率模式，另支持开尔文四线高精度电压测量[6-7]。前面板可显示系统状态和各类参数，并可通过按键进行调整，支持通过串口与上位机进行通信。整体系统结构框架如图1 所示。

图1 整体系统框架

2 系统硬件电路设计

2.1 多口快速充电坞

多口快速充电坞模块根据输出电压关联性可分为三组，每一组之间的电压和功率输出互相独立不受制约。第一组由SW3518S 作为协议主控，根据接入的移动设备的需求调整Type-C 和USB-A 接口输出电压，其支持USB-PD/QC/AFC/FCP/VOOC 等常见快充协议，Type-C 单口最高输出功率可达100 W。第二组由IP6525S 作为快充协议主控和降压转换器，最高支持22.5 W 功率输出。第三组则为固定直流12 V 输出，使用TI 公司的TPS54331 作为降压转换器，通过配置反馈脚SW 的电压值得到12 V 输出。

2.2 控制板

控制板负责监测和控制整个系统的工作状态，并作为前面板交互操作。整个控制板由GD32VF103RBT6及其最小系统外围电路、USB 转串口、EEPROM 存储器、2.0寸彩色LCD显示屏、LED指示灯和按键构成。

GD32VF103RBT6 是兆易创新推出的采用RV 32IMAC 指令集的32 位通用微控制器，运行主频为108 MHz，具备丰富的外设资源[8]。显示器件使用2.0寸全彩高清LCD 显示屏。

2.3 功率板

功率板作为整个系统的核心部分，其构成相对复杂，主要包括辅助电源电路、数控可调直流输出电路、直流电子负载电路、四线电压测量电路、散热风扇电路、NTC 温度检测电路和外部接口。

2.3.1 数控可调直流输出电路

数控电压源部分采用基于DAC 控制的方案[9]，可调输出DC-DC 开关稳压器选用XL4015E1，最大输入电压/电流为36 V/3 A，通过MCP4725 DAC 输出电压控制XL4015E1 反馈脚SW 电压，实现可调电压输出[10]。

图2 为数控可调直流输出部分核心电路图，XL4015E1 的内部基准电压为1.25 V，其输出电压与反馈电阻R1、R3的关系为：

图2 数控可调直流输出部分核心电路图

向SW 脚接入DAC 并串联限流电阻后，根据基尔霍夫电流定律（KCL）可推导出输出电压Vout与DAC 输出电压VDAC的关系：

易知当R1、R2和R3电阻值固定时，输出电压Vout和DAC 输出电压VDAC呈线性反比关系。在图2 所示反馈电阻值的条件下，经过整理可得关系式为：

考虑到DAC 输出电压范围为0～3.3 V，即通过改变DAC 输出电压实现了输出电压在0.92～24 V 之间可调，外置DAC 选用MCP4725 单通道12 数模转换器，可实现0.1 V 输出电压调整步进。

2.3.2 直流电子负载电路

直流电子负载部分可分为功率管负载主电路、电流采样和负反馈放大电路、DAC 参考电压输出电路和使能控制电路，电路原理图如图3 所示。其基本原理为电流通过采样电阻RS1时产生压降VSHUNT，经过精密运放放大后与参考电压Vref比较，若大于Vref则减小MOSFET 栅极电压VGS从而降低导通深度，回路电流ID减小，反之则增加VGS，形成负反馈，直到ID稳定在恒定值。根据理想运放的虚短虚断特性，并忽略MOS 管栅极电流IG，可得到参考电压Vref和MOS 管回路电流ID的关系为：

图3 直流电子负载部分主要电路图

由式（4）可知，MOS 功率管回路电流ID与参考电压Vref成线性正比关系，因此可通过改变DAC 输出Vref实现控制直流电子负载回路电流。此外，电子负载部分所接入的待测电源的电流、电压的测量采用INA226 单16 位电流检测芯片，采用串行I2C 总线进行读写，可降低PCB 布线难度。

另外，由于功率MOSFET 自身存在较大的寄生电容，在回路电流负载较大时会产生自激振荡，严重影响整个反馈回路工作的稳定性和电压电流测量精度。针对此问题引入了PI 调节器补偿运放电路相位差，以消除自激振荡，提高稳定性[4，11]。

3 软件程序设计

3.1 程序代码结构

整个系统的软件控制程序采用自下而上的分层架构。最底层由RISC-V 内核支持文件和GD32VSDK 构成，GD32V-SDK 是兆易创新官方提供的专用于GD32VF103 系列MCU 的固件库，可通过库函数开发方式操作外设[12]，中间层为芯片外设驱动层和设备驱动层。应用层位于顶层，包含系统的各个功能实现代码，如系统状态显示、温度保护等。

3.2 程序运行流程

系统程序流程图如图4 所示。系统上电后首先配置ECLIC 中断优先级分组[13]，随后对ADC、TIMER、SPI、I2C总线等片上外设进行初始化，接着对INA226、MCP4725 等板级外设芯片进行初始化参数写入。当所有外设初始化完毕后刷新GUI 进入系统状态参数主界面。

图4 系统程序流程图

为了使整个主程序运行更高效，将整个主程序执行代码放在主循环中，通过配置Timer5 定时器中断每隔30 ms 执行主循环中的代码。首先从INA226读取直流电源输出和电子负载回路的总线电压电流功率值，根据需要从MCP3421 读取16 位四线法测量电压值[14]并在LCD 屏显示。当其中任何值超过了预设的安全阈值时立即关闭输出，实现过温过流保护。随后根据用户设定的直流电源输出电压值和电子负载定电流值，调用增量式PID 整定算法调整MCP4725 的输出参考电压[15]，调整XL4015E1 的SW反馈脚电压和主功率MOS 管的VGS门极电压，从而控制直流电源输出电压和电子负载回路电流值，随后等待下一次中断循环执行。

正常运行时按下前面板OK 键后，将会弹出参数设定界面，可对直流输出电压值和电子负载输入电流值进行调整。

4 样机制作与性能测试

根据前述设计进行样机制作，并进行了性能测试，电压、电流目标调整精度为0.1 V 和0.1 A。

多口供电坞部分通过接入多个移动电子设备并串接电流表头进行测试。Type-C 接口和支持65 W PD供电笔记本电脑的电源接口相连，实测功率可以长时间稳定在58 W左右。第二组接口接入移动电源，成功激活QC3.0 快充协议，最大输出功率可达18 W。

可调直流电源部分，分别在空载和满载状态下设置不同电压，对比电压设定值和实际测量电压值，其中，3 A 满载条件下输出精度测试结果如表1所示。

表1 可调直流电源输出精度测试结果

根据表1 可知，当设置目标电压在1.8～23 V 时，实际输出电压与设置目标电压误差最大不超过0.03 V，满足设计需求。当设置目标电压为1.5 V 时，误差为0.17 V。经过实际测量和分析，由于功率板上LDO 输出存在误差，MCP4725 的工作电压只有3.28 V，无法达到理想的3.3 V，根据式（3），当目标输出电压较低时难以通过继续提高DAC 输出电压实现更低的输出，后期可通过更换性能更好的LDO 来解决。

直流电子负载部分，通过接入实验室用可调直流电源进行性能和精度测试。恒流模式下输入精度测试结果如表2 所示，测试在输入电压为20 V 的条件下进行。