基于STM32F407的升壓斬波電路設(shè)計(jì)

陳朝興 倪強(qiáng) 陳亮 杜罡 劉楊 鄒細(xì)勇 石巖

摘 要：隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電源的品質(zhì)要求越來越嚴(yán)格，針對(duì)當(dāng)前DC-DC升壓裝置存在效率低、紋波電壓大，輸出電壓不穩(wěn)定等問題，設(shè)計(jì)了一種輸入電壓可變、輸出恒定的電源。該電路利用STM32F407產(chǎn)生PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)控制MOS管的通斷，通過電阻分壓對(duì)輸出電壓采樣，并與參考電壓進(jìn)行比較，兩者的差值自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM的占空比，形成閉環(huán)控制，從而達(dá)到電壓輸出穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：DC-DC； 升壓； 恒壓輸出； STM32F407； PWM；

0 引言

針對(duì)傳統(tǒng)的線性電源體積較大，效率低，耗費(fèi)的金屬多，而且工作時(shí)發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，不能滿足日益提高的要求，于是催生出了相對(duì)穩(wěn)定、相對(duì)高效，且做得體積更小、質(zhì)量更小、轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高的的開關(guān)電源，目前許多電子設(shè)備都應(yīng)用了開關(guān)電源[1，2]。

開關(guān)電源技術(shù)是由PWM波控制的全控型器件的開通與關(guān)斷進(jìn)行調(diào)節(jié)電壓輸出的技術(shù)。由于便攜的數(shù)碼電子產(chǎn)品的普及，推動(dòng)著DC-DC 變換器不斷改進(jìn)完善。將PWM波技術(shù)使用于DC-DC直流變換器的方法，在一定程度上解決了隨著開關(guān)頻率的提高電磁干擾增大的問題[3]。本文利用STM32F407單片機(jī)產(chǎn)生PWM對(duì)MOS管關(guān)斷進(jìn)行控制的方法進(jìn)行升壓。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，Boost主電路通過MOS管的開通時(shí)間來控制輸出電壓，對(duì)輸出的電壓進(jìn)行采樣后反饋給STM32F407單片機(jī)，經(jīng)過一定的運(yùn)算后與給定值進(jìn)行比較，通過內(nèi)部的PID控制算法，調(diào)節(jié)輸出的PWM占空比，控制MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)值，完成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

2電路原理

2.1 主變換電路

升壓斬波電路是DC-DC變換電路的一種，可以將直流電壓升高到固定的直流電壓，一般來說指直流到直流的變換，不包含DC-AC-DC 的變換[4]。

在分析直流升壓斬波電路時(shí)，假設(shè)電感L與電容C都是完美的器件其值視為無限大。升壓斬波電路電壓的輸出取決于全控型器件V的通斷。當(dāng)MOS管V導(dǎo)通時(shí)，由直流電源E向電感L放電，它的電流i1，記為I1。因?yàn)殡娙莸腃值極大，可以將看成一個(gè)直流電源向R提供能量，其電壓值可以看成恒定的u0，記為U0。如果晶體管V一個(gè)周期記為T，導(dǎo)通的時(shí)間為ton，則導(dǎo)通時(shí)間段中L上積蓄的能量為EI1ton。

當(dāng)MOS管V關(guān)斷時(shí)，電感L和直流電源電源E向電容C充電一起給R供給能量，這時(shí)電流為i0，記為I0。假設(shè)V的斷開的時(shí)間為toff，則電感在這段時(shí)間中放出的能量為（U0 - E）I1toff，當(dāng)升壓斬波電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，在電感 L上得到的能量和釋放的能量是一樣的。于是根據(jù)相等關(guān)系得到等式：

也就是升壓斬波電路的電壓的輸出的幅度取決于占空比α，升壓斬波電路能夠使輸出電壓升高，是因?yàn)閮蓚€(gè)主要原因：其中一個(gè)是因?yàn)殡姼性谟须妷旱纳仙墓δ?，第二個(gè)是因?yàn)殡娙萦休敵鲭妷罕３值墓δ堋Ｔ诶碚摲治鲋?，我們可以認(rèn)為在V處于通態(tài)時(shí)，電容得值極大所以電壓保持在u0。實(shí)際上電容的值是有限的，無法實(shí)現(xiàn)保持u0，所以實(shí)際所得的值要略小于式（4）所得的值。但是一般電容的值C足夠大，這個(gè)誤差可以小到忽略。

假如忽視電路中的損耗則可以認(rèn)為負(fù)載R消耗了全部電源E所供給的能量。根據(jù)這一關(guān)系可以得到：

2.2 控制電路

控制電路由控制芯片，保護(hù)模塊組成?？刂齐娐返淖饔檬钱a(chǎn)生PWM 波來控制全控型器件的開通和關(guān)閉。系統(tǒng)的控制芯片采用ST公司的STM32F407，此款芯片采用Cortex - M4內(nèi)核，帶FPU和DSP指令集，片上最高工作頻率達(dá)到168MHz，STM32F407有5個(gè)最重要的時(shí)鐘源，為HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，從來源上可分為外部時(shí)鐘源和內(nèi)部時(shí)鐘源，外部時(shí)鐘源就是從外部通過接晶振的方式獲取時(shí)鐘源，其中HSE、LSE是外部時(shí)鐘源，其它是內(nèi)部時(shí)鐘源[5]。綜合考慮，選擇STM32F407單片機(jī)作為控制電路的核心，能夠快速響應(yīng)，恒壓輸出。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是設(shè)置在主電路和控制電路中間的電路用來增大從控制電路出來的信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電路輸出的控制信號(hào)加在全控型器件的兩端改變其通斷。

為了提高STM32F407單片機(jī)IO口的驅(qū)動(dòng)能力，采用經(jīng)典的圖騰柱電路，圖2所示圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，Q2與Q3構(gòu)成圖騰柱的基礎(chǔ)電路。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)Q3導(dǎo)通，當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)Q2不導(dǎo)通。作為一個(gè)電壓增大電路驅(qū)動(dòng)MOS管。圖騰柱電路作為驅(qū)動(dòng)電路能夠快速增大電流，快速結(jié)束對(duì)MOSFE的G極的充電。其電路損耗較小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，簡(jiǎn)易而且成本小，適用于功率較小的電路。如果做成大功率可采用6N137作為驅(qū)動(dòng)，電路同樣簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)，在此不作討論。

3 控制器運(yùn)行原理

升壓斬波電路的軟件的設(shè)計(jì)思路是由STM32F407單片機(jī)發(fā)生93KHz的PWM，來驅(qū)動(dòng)MOS管的通斷使得電壓得到上升，再將輸出電壓分壓，STM32F407單片機(jī)通過片內(nèi)AD采樣電壓信號(hào)。其中的一些主要的子程序包括：

（1）PWM生成，PWM 波的輸出頻率是由定時(shí)器的時(shí)鐘選定的，STM32F407可以輸出多路PWM。假定定時(shí)器工作向上計(jì)數(shù)PWM模式，且CNT

（2）占空比修改子程序，設(shè)定一個(gè)用于比較的基準(zhǔn)值，與STM32F407單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換得來的真值比較。當(dāng)真值比參考值大時(shí)占空比增加，當(dāng)真值小于參考值時(shí)占空比減小.

4 電路測(cè)試

STM32F407單片機(jī)需要3.3V的供電電源，所以對(duì)不同的輸入電壓（5～20V），進(jìn)行DC-DC降壓變換，通過芯片AMS117-3.3使輸出穩(wěn)定在3.3V， 制作硬件電路，進(jìn)行調(diào)試，在不同的輸入電壓（+5V、+10V、+15V、+20V）時(shí)，PWM占空比和輸出的電壓分別如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)輸入的電壓從+5V增大+20V時(shí)，由STM32F407單片機(jī)動(dòng)態(tài)改變PWM的占空比，α減小，β增大，輸出電壓始終維持在+24V左右。

5 總結(jié)

采用Boost結(jié)構(gòu)搭建的主電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，通過對(duì)主電路的原理進(jìn)行分析，選取合適的MOS管、電感、電容等元器件，有效的降低了高頻開關(guān)產(chǎn)生的噪聲干擾。同時(shí)，降低MOS管的開關(guān)損耗，電源的轉(zhuǎn)換效率得到了提高。選取功能強(qiáng)大、損耗低、自帶ADC采樣的STM32F407單片機(jī)作為控制芯片，可以快速穩(wěn)定的從變化的輸入電壓（5-20V）中產(chǎn)生恒定的24V輸出電壓。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬永翔，郭云玲.一種DC-DC變換器的設(shè)計(jì)[J].電器開關(guān)，2009，6（1）：62-64.

[2] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：100-108.

[3] 王學(xué)梅，張波，丘東元.DC-DC變換器主要技術(shù)發(fā)展綜述[A].電源世界，2008.（4）：21-24.

[4] 陳榮.直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)升壓斬波器的設(shè)計(jì)與控制[A].Chinese Journal of Power Sources，2011.（12）：1568-1571.

[5] Jun Wen， Taotao Jin and Keyue Smedley .A New Interleaved Isolated Boost Converter for High Power Applications[A] 2010 journal of system Simulation 22（8）：2023-2029.