基于STM32的數(shù)控穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王平

摘要：本論文提出了一種數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，以LM2576為主要穩(wěn)壓IC，結(jié)合電壓采集、運(yùn)放減法器反饋閉環(huán)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)穩(wěn)壓，利用STM32的DAC輸出并運(yùn)放放大產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了一款高效能、精密可控式數(shù)字開關(guān)電源。開關(guān)電源可以實(shí)現(xiàn)1.2～24V線性精確可控輸出，分辨率至少0.1V（受限于測(cè)量設(shè)備）。

關(guān)鍵詞：LM2596 STM32 反饋閉環(huán) 數(shù)控開關(guān)電源 遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：Tp302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）04-0080-02

1 數(shù)控開關(guān)電源的方案設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的數(shù)控開關(guān)電源[1，2]主要為了輸出1.2～24V，負(fù)載電流不低于3A，并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)精確可調(diào)，調(diào)整分辨率不低于0.1V。通常，一個(gè)開關(guān)電源需要接入220V交流電，并通過變壓器AC/DC整流轉(zhuǎn)換，以輸出低壓直流電，然后再利用反饋型降壓穩(wěn)壓開關(guān)芯片進(jìn)行控制和電壓調(diào)整。由于市場(chǎng)上現(xiàn)有的220V轉(zhuǎn)24V技術(shù)已經(jīng)非常成熟，比如常見的開關(guān)電源和電源適配器，因此本設(shè)計(jì)中將著重設(shè)計(jì)后端數(shù)控降壓部分，前段整流部分將用常用開關(guān)電源替代。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字控制，必須使用單片機(jī)來控制降壓穩(wěn)壓開關(guān)芯片，單片機(jī)再通過串口跟PC主機(jī)通信。單片機(jī)將使用目前較為流行的32位單片機(jī)STM32。

1.1 反饋腳的數(shù)控設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)主要完成的工作是對(duì)比功能，即將LM2596的輸出電壓值與所需值對(duì)比，然后進(jìn)行相應(yīng)的反饋腳控制，因此，可以使用運(yùn)放來替代這部分工作?？梢允褂眠\(yùn)放減法器電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)比做差。由于一般單片機(jī)的DAC輸出不會(huì)高過工作電壓，如5V或3.3V，因此在運(yùn)放減法器前，還必須進(jìn)行線性放大，也可以使用運(yùn)放搭建。

1.2 LM2596與運(yùn)放[4]構(gòu)成的電路

其中，LM2596引腳1接24V開關(guān)電源輸入，右端端子JP2的1，2分別接單片機(jī)DAC輸出以及開關(guān)OFF控制。

1.3 STM32最小系統(tǒng)

系統(tǒng)中的STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)包括STM32單片機(jī)芯片、復(fù)位電路、石英晶振時(shí)鐘電路。

除此之外，最小系統(tǒng)中還包含JTAG仿真、下載電路，用于程序測(cè)試仿真以及下載；4個(gè)LED燈電路，用于顯示STM32運(yùn)行狀態(tài)，或者其他需要顯示的用途。

2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的下位機(jī)STM32所需完成的功能主要為以下幾個(gè)：

（1）與PC主機(jī)串口通信[3]；

（2）控制LM2596輸出的開和關(guān)；

（3）控制LM2596輸出的電壓值；

（4）保存和讀取設(shè)定的電壓值，以便下一次啟動(dòng)后默認(rèn)輸出電壓為關(guān)機(jī)前的輸出電壓；

（5）由于電源需要很高的可靠性，而STM32也有可能會(huì)死機(jī)，因此需要加入看門狗，讓它死機(jī)自動(dòng)重啟[5]。

對(duì)于功能1，采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后用串口轉(zhuǎn)USB線轉(zhuǎn)為USB接入PC機(jī)。單片機(jī)通過該串口即可進(jìn)行通信。由于串口屬于底層的通信方式，因此單片機(jī)軟件中需要做串口數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、格式對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)應(yīng)答等功能。

對(duì)于功能2，采用一個(gè)單片機(jī)IO管腳和一個(gè)開關(guān)三極管來控制LM2596的ON/OFF管腳，即可實(shí)現(xiàn)輸出控制。

對(duì)于功能3，根據(jù)前一章電路設(shè)計(jì)的原理，單片機(jī)只要改變相連DAC的電壓輸出，即可直接改變LM2596的輸出電壓。這里需要注意，并不是所有STM32都有DAC輸出，需要選擇具體的型號(hào)。本設(shè)計(jì)中，使用的是STM32F103RC，帶有兩個(gè)DAC輸出。

對(duì)于功能4，由于沒有外接片外EEPROM芯片，因此只能利用STM32片內(nèi)的FLASH進(jìn)行數(shù)據(jù)掉電保存。同時(shí)，F(xiàn)LASH中也會(huì)保存有程序本身，因此必須要將兩塊數(shù)據(jù)區(qū)域隔離開，否則會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)覆蓋。通常，程序數(shù)據(jù)從FLASH的低段開始寫入，因此保存的數(shù)據(jù)可以寫入在FLASH最高段，這樣就不會(huì)互相覆蓋。同時(shí)，燒錄程序時(shí)，也需注意不要將整個(gè)FLASH擦除，否則燒錄前保存的數(shù)據(jù)也會(huì)被擦除。

對(duì)于功能5，可以打開STM32的獨(dú)立開門狗，并設(shè)置喂狗時(shí)間，超時(shí)后自動(dòng)重啟。

當(dāng)DAC的參考電壓為VREF的時(shí)候，DAC的輸出電壓是線性的從0～VREF，12位模式下DAC輸出電壓與VREF以及DORx的計(jì)算公式如下：

DACx輸出電壓=

3 測(cè)試結(jié)果與分析

由上述分析可得VOUT與數(shù)字量DA中間的關(guān)系表達(dá)式：

實(shí)際輸出電壓如圖4所示，為20.5V，與理論值很接近。

證明該電路設(shè)計(jì)輸出電壓精度已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]琦瑋，李樹華.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，（04）：15-20.

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