基于STM32F103C8T6的USB直流充電器設(shè)計(jì)*

陳素芹， 余紅英， 萬(wàn)鸞飛， 劉　權(quán)

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，南京 210039)

?

基于STM32F103C8T6的USB直流充電器設(shè)計(jì)*

陳素芹1， 余紅英1， 萬(wàn)鸞飛1， 劉權(quán)2

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，南京 210039)

摘要：以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心控制器,設(shè)計(jì)了USB接口的直流穩(wěn)壓充電器；系統(tǒng)以高效率的TPS5430為穩(wěn)壓電源，以低功耗、高精度的INA128P為放大電路，利用STM32F103C8T6內(nèi)部集成高速A/D采集充電電壓和電流；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：充電器能實(shí)現(xiàn)5 V和2 A的最大充電電流輸出，并在LCD12864上實(shí)時(shí)顯示電壓、電流及功率，同時(shí)設(shè)置了過(guò)載和過(guò)壓欠壓保護(hù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32F103FC8T6；TPS5430；電壓調(diào)整率；負(fù)載調(diào)整率

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，便攜式電子設(shè)備極大的改變了人們的生活方式。為了使用方便，這些小功率的便攜電子設(shè)備均可采用USB接口的直流充電器進(jìn)行充電，為此設(shè)計(jì)了以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心控制器的USB穩(wěn)壓直流充電器[1]。由于電網(wǎng)電壓允許有±10%的變化，且負(fù)載變化也將引起直流電源內(nèi)阻上壓降變化，系統(tǒng)從電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和效率等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以高效率的TPS5430為穩(wěn)壓電路、STM32F103C8T6單片機(jī)為核心控制器，利用STM32F103C8T6內(nèi)部集成高速A/D采集充電電壓和電流并在LCD12864上實(shí)時(shí)顯示，按鍵設(shè)定輸出報(bào)警電壓誤差值，過(guò)載時(shí)通過(guò)保護(hù)電路斷開(kāi)負(fù)載，系統(tǒng)整體采用單點(diǎn)共地降低各模塊的相互干擾，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1　系統(tǒng)總體框圖Fig.1　General outline of the system

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1直流穩(wěn)壓電源[3]

系統(tǒng)以肖特基二極管搭建整流橋，使用輸出效率和負(fù)載調(diào)整率均較好的TPS5430芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電源，可輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓，實(shí)現(xiàn)最大充電電流為2 A。經(jīng)測(cè)試電流能達(dá)到3 A，TPS5430穩(wěn)壓模塊的效率約為80%，要使系統(tǒng)在滿載2 A時(shí)效率不低于40%，這就要求變壓器的效率不低于40%/80%=50%，輸出功率為2 A×5 V=10 W，要求變壓器功率不低于10/50%=20 W，考慮到測(cè)量顯示系統(tǒng)功耗，變壓器選擇15 V/30 W，穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。

圖2　直流穩(wěn)壓電源Fig.2　DC voltage-stablized electric source

2.2電壓電流采集電路[4]

圖3　負(fù)電壓電路圖Fig.3　Negative voltage chart

圖4　電流采集電路Fig.4　Current collection circuit

圖5　負(fù)載控制電路Fig.5　Load control circuit

系統(tǒng)負(fù)電壓和電流采集電路如圖3、圖4所示，負(fù)載(R5)控制電路如圖5所示。采用低功耗、高精度的通用儀表放大器INA128P構(gòu)建放大電路，利用7660S輸出-5 V電壓為INA128P供電，調(diào)節(jié)R10使放大倍數(shù)穩(wěn)定在50倍；電壓采集電路如圖6所示，R11為20 mΩ、1 W的大功率采樣電阻，采用精密電阻分壓方式來(lái)采集電壓，分壓比為1/2。

圖6　電壓采集電路Fig.6　Voltage collection circuit

(1)

顯示電流=A/D采集值÷

(2)

由于系統(tǒng)對(duì)電壓、電流的采集精度要求很高，因此采集電路的設(shè)計(jì)尤為重要，在采樣電阻兩端直接采集，以減少干擾，在軟件上采用多種濾波算法，使采集數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、可靠。

3軟件設(shè)計(jì)

充電器系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為控制核心。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行初始化操作，檢測(cè)外部Flash中上次斷電時(shí)數(shù)據(jù)并顯示，程序中設(shè)有1 s的中斷來(lái)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的電壓電流值，通過(guò)按鍵設(shè)置過(guò)壓欠壓報(bào)警值，判斷是否過(guò)載和充電電壓是否達(dá)到報(bào)警值，是則開(kāi)啟保護(hù)斷開(kāi)負(fù)載，單片機(jī)采集充電電壓和電流經(jīng)處理后在LCD12864上實(shí)時(shí)顯示[5]。

系統(tǒng)程序在Keil MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7　程序流程圖Fig.7　Procedure flow chart

4測(cè)試結(jié)果

輸入電壓220 V時(shí)，改變負(fù)載電阻，三位半萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)值為真值，LCD12864實(shí)時(shí)顯示數(shù)值為測(cè)量值，不同負(fù)載下測(cè)得的電壓、電流、瞬時(shí)功率如表1所示。LCD12864實(shí)時(shí)顯示充電電壓、充電電流、瞬時(shí)功率，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定報(bào)警電壓值，突然斷電時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)向負(fù)載的充電電路并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，供電恢復(fù)后可顯示斷電時(shí)的充電電壓、電流，如圖8所示。

圖8　12864顯示結(jié)果Fig.8　12864 display result

負(fù)載/Ω充電電流真值/A充電電流測(cè)量值/A充電電壓真值/V充電電壓測(cè)量值/V瞬時(shí)功率/W空載004.9995.0010200.2480.2494.9995.0001.245100.5080.5105.0015.0012.55050.9510.9535.0015.0004.7652.52.0932.0955.0105.01110.49滿載2.1852.1864.9964.99510.92

輸入電壓220 V變化范圍為+15%～-20%條件下,測(cè)得空載和滿載充電電壓及電壓調(diào)整率如表2所示。

表2　輸入電壓220 V變化范圍為+15%～-20%

輸入電壓220 V，輸出5 V，滿載(2.2 Ω)時(shí)測(cè)得輸入電流0.117 A、充電電壓4.995 V、充電電流2.186 A，可得滿載時(shí)效率為42.46%。

5結(jié)論

由測(cè)試結(jié)果可知，充電器輸入170～250 V交流電壓，輸出5 V、最大充電電流為2 A 的直流穩(wěn)定電壓，電壓調(diào)整率低于0.1%、負(fù)載調(diào)整率0.24%、滿載時(shí)效率高于40%；可在LCD12864上實(shí)時(shí)顯示電壓、電流及瞬時(shí)功率，充電電流最大顯示誤差0.4%，充電電壓最大顯示誤差0.04%；突然斷電時(shí)能自動(dòng)斷開(kāi)向負(fù)載的充電電路，供電恢復(fù)后可顯示斷電時(shí)的充電電壓、電流；通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定誤差報(bào)警電壓值，當(dāng)電壓超出誤差報(bào)警值或過(guò)載時(shí)，電路將報(bào)警并自動(dòng)斷開(kāi)負(fù)載進(jìn)行保護(hù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]周良權(quán).模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2009

ZHOU L Q.Basic Analog Electronics[M].Beijing:Higher Education Press,2009

[2] 蔡順燕.基于AT89C52的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].成都師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30(3)：112-115

CAI S Y.Design of NC DC-power Supply Based on AT89C52[J].Journal of Chengdu Normal University,2014,30(3)：112-115

[3] 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011

HUANG Z W.System Design of National Undergraduate Electronic Design Contest[M].Beijing:Beihang University Press,2011

[4] 陶玉貴.模擬電子技術(shù)[M].安徽：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010

TAO Y G.Analog Electronics[M].Anhui:Press of University of Science and Technology of China,2010

[5] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009

GUO T X.51 single-chip C Language Tutorial[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009

責(zé)任編輯：田靜

USB DC Charger Design Based on STM32F103C8T6

CHEN Su-qin1, YU Hong-ying1,WAN Luan-fei1, LIU Quan2

(1.Wuhu Institute of Technology, Anhui Wuhu 241006;2.The 14th Research Institute of CETC, Jiangsu Nanjing 210039)

Abstract：It is based on core-controlling chip of STM32F103C8T6 MCU to design a DC voltage charger with USB interface. The system uses the integrated high speed A/D inside STM32F103C8T6 to collect the charge voltage and current with high efficiency of TPS5430 as the power supply, low power consumption, high accuracy of the INA128P as the amplifying circuit. The test results prove that the charger can achieve 5 V, 2 A maximum charging current output and real-time display on LCD 12864 in a dynamic way. The charger is also equipped with the overload and over-voltage under-voltage protection. So the charger has high practical value.

Key words:STM32F103FC8T6；TPS5430；voltage regulation rate；load regulation rate

中圖分類號(hào)：O221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-058X(2016)02-0045-04

作者簡(jiǎn)介：陳素芹(1983-)，女，江蘇淮安人，講師，從事電子與通信研究.

*基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A449);安徽省高校省級(jí)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2012SJJD048);蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目(WZYZR201310).

收稿日期：2015-10-04；修回日期：2015-11-16.

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0002.010