基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源設(shè)計(jì)

屈彪，張文超

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源設(shè)計(jì)

屈彪，張文超

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對(duì)當(dāng)前市面上數(shù)控電源電路復(fù)雜、成本較高、同一數(shù)控電源系統(tǒng)不能兼并恒壓恒流的情況，研究了3種數(shù)控電源常見的設(shè)計(jì)方案，并深入探究了基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源設(shè)計(jì)方案。與市面上的數(shù)控電源相比，本設(shè)計(jì)是基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源，通過STM32控制數(shù)字電位器來(lái)改變DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器反饋量來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路采用兩個(gè)反饋回路，電壓反饋回路和電流采樣、放大反饋回路，可以根據(jù)用戶的選擇實(shí)現(xiàn)，恒壓和恒流模式之間自動(dòng)切換。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于該方法設(shè)計(jì)的數(shù)控電源恒壓、恒流精度高，且電路工作穩(wěn)定，價(jià)格低廉。

DC/DC；數(shù)控電源；STM32；數(shù)字電位器

數(shù)控電源是針對(duì)傳統(tǒng)模擬電源的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。數(shù)控電源分為數(shù)控電壓源和數(shù)控電流源。數(shù)控電壓源，具有輸出電壓穩(wěn)定、精度高且調(diào)節(jié)范圍寬、響應(yīng)快，穩(wěn)定性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控恒流源具有輸出精度高且調(diào)節(jié)范圍寬、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、輸出不隨輸入電壓、負(fù)載變化而變化等特點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控電壓源和數(shù)控電流源共存，輸出精度高且調(diào)節(jié)范圍寬的系統(tǒng)是電子技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)之一。文中分別論述了基于DAC的數(shù)控電源、基于MOS管的數(shù)控電源和基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源等數(shù)控電源的設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)討論了DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源通用的設(shè)計(jì)方法。并給出相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例以及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1　數(shù)控電源設(shè)計(jì)方案比較

直流穩(wěn)壓電源朝著數(shù)字化方向發(fā)展。因此對(duì)于數(shù)控恒壓源的研究是必要的[3]。數(shù)控電源顧名思義，即是通過數(shù)字信號(hào)控制電源輸出。因此可以借助很多數(shù)字控制模擬量的器件來(lái)進(jìn)行模擬電路數(shù)模字化，比如DAC、MOS管、數(shù)字電位器等方式[1]。這些器件是通過數(shù)字量來(lái)控制模擬電路的電壓、電阻、電路導(dǎo)通時(shí)間，從而達(dá)到數(shù)控電源的目的。

1.1基于DAC的數(shù)控電源

圖1為基于DAC的數(shù)控電源工作簡(jiǎn)圖。采用MCU作為數(shù)控電源的控制單元，通過改變DAC的輸入數(shù)字量來(lái)改變輸出控制電壓，從而使輸出功率管的控制電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測(cè)實(shí)際輸出電壓電流值的大小，可以將輸出電壓、電流經(jīng)過采樣，用MCU實(shí)時(shí)對(duì)電壓、電流進(jìn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及顯示[3]。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輸出、采樣、比較、調(diào)整的閉環(huán)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的魯棒性。

1.2基于MOS管的數(shù)控電源

圖1中的功率放大元件始終工作在“線性連續(xù)”狀態(tài)下，其自身功耗較高，電源整體效率較低。而圖2中的MOS管工作在“開關(guān)”狀態(tài)下，可大大提高效率。

圖1　基于DAC的數(shù)控電源結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，50 Hz 220 V交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器（消除來(lái)自電網(wǎng)的干擾）濾波→整流濾波器→直流電壓。該直流電壓作為輸入電源加到功率變換電路，功率變換電路在占空比可變的PWM控制信號(hào)控制下，將輸入直流電源轉(zhuǎn)換成高頻率脈沖（“通斷”）式“直流電”，再經(jīng)功率儲(chǔ)能元件（電感或變壓器）變換成低壓的高頻率脈沖式“直流電”，在經(jīng)過整流濾波電路轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定連續(xù)的直流電壓輸出到負(fù)載。由微控制器產(chǎn)生脈寬（占空比）可調(diào)的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率變換電路工作。控制信號(hào)的脈寬（占空比）是要根據(jù)輸出電壓的反饋信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的，具體就是利用微控制器中的高速ADC通道定時(shí)采集輸出電壓和輸出電流值，并與設(shè)定值相比較，再根據(jù)其誤差程度和控制算法來(lái)調(diào)節(jié)PWM控制信號(hào)的占空比，從而自動(dòng)將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。比較控制算法可采用PID算法由軟件程序完成[2]。此外，這種數(shù)控電源很容易實(shí)現(xiàn)過壓、過流和短路故障保護(hù)。圖中功率變換電路采用了MOS管，當(dāng)然亦可采用IGBT和可控硅等功率器件。

圖2　基于MOS管的數(shù)控電源結(jié)構(gòu)框圖

1.3基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源

DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，用作恒壓源，當(dāng)負(fù)載電流在額定范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓保持不變。以圖3所示的基于DC/DC的數(shù)控電源原理框圖為例，探討一下DC/DC的數(shù)控電源恒壓、恒流原理。圖3中包含電壓反饋電路和電流反饋電路。當(dāng)用戶選擇恒壓輸出時(shí)，系統(tǒng)電壓反饋電路起作用，圖3中R1、R2構(gòu)成輸出電壓采樣電路，用于設(shè)置輸出電壓的大小[4]。當(dāng)輸出電壓Vout因負(fù)載變化而變化時(shí)，反饋電壓Vf也隨著變化，DC/DC穩(wěn)壓器內(nèi)部的控制電路根據(jù)反饋電壓Vf（采樣電壓）與Vref差值的大小來(lái)適當(dāng)調(diào)整功率變換電路的控制參數(shù)（如PWM的占空比等），使輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定的值，達(dá)到穩(wěn)壓的目的[5]。當(dāng)用戶選擇恒流輸出時(shí)，系統(tǒng)電流反饋電路起作用，恒流源和恒壓源在電路上的差別反應(yīng)在兩者的采樣電路采集的對(duì)象不一樣。恒壓源為了保持輸出電壓的恒定，需要實(shí)時(shí)對(duì)輸出電壓跟蹤、控制，在負(fù)載變化的情況下使輸出電壓不隨負(fù)載的變化而變化，而恒流源是指在負(fù)載變化的情況下，穩(wěn)壓器能根據(jù)負(fù)載的變化相應(yīng)調(diào)整輸出電壓，保持輸出電流不變，恒流源采樣電路采集的是輸出的電流信號(hào)，但實(shí)際上采集的是經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換（采樣電阻）后反應(yīng)電流大小的電壓信號(hào)，因此，把輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入到DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳，就能實(shí)現(xiàn)恒壓源到恒流源的轉(zhuǎn)變。圖3中的RS為采樣電阻，將RS上的電壓信號(hào)經(jīng)過由R3、Rf、運(yùn)放A組成的放大器，輸入到DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳，通過設(shè)置R3、Rf大小來(lái)設(shè)置輸出電流的大小。一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)算放大器的增益都能做到很大，這樣電路中就可以采用很小的采樣電阻，從而達(dá)到降低損耗、提高效率的目。

圖3　基于DC/DC的數(shù)控電源原理框圖

DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓

其中Vref為 DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部自帶的基準(zhǔn)電壓或者用戶外接的基準(zhǔn)電壓。由式（1）可知，合理設(shè)置電阻R1、R2的值，即可獲得所需的輸出電壓值。在實(shí)際電路中R2保持不變，將R1用數(shù)字電位器代替，開關(guān)S1、S2、S3用繼電器替換。即可改裝成數(shù)控電壓源。

當(dāng)電路進(jìn)入恒流工作狀態(tài)時(shí)，輸出電流Iout滿足式（2）：

將式（2）變換得出：

由式（3）可以看出，合理設(shè)置電阻Rf、R3和RS的值，即可獲得所需的輸出電流值，并能獲得理想的效率。同數(shù)控電壓源一樣，RS、R3使用固定值，而Rf用數(shù)字電位器代替，開關(guān)S1、S2、S3用繼電器替換，即可改裝成數(shù)控電流源[6]。

通過對(duì)上述3種數(shù)控電源實(shí)現(xiàn)方案的深入研究與實(shí)際運(yùn)用，基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源，其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）電路簡(jiǎn)單，功能齊全，易于擴(kuò)展。

基于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)控電源，相對(duì)于前兩種方案，電路更加精簡(jiǎn)，電流電壓兩個(gè)回路切換非常方便。電流輸出范圍寬，輸出小電流時(shí)使用大的采樣電阻，輸出大電流時(shí)使用小的采樣電阻，以減小電路本身功耗。

2）數(shù)控電源精度高，誤差小，易于控制。數(shù)控電源既能方便輸入和選擇預(yù)設(shè)電壓電流值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且可以任意設(shè)定輸出電壓或電流，給電路實(shí)驗(yàn)帶來(lái)極大的方便提高了工作效率。

3）元件取材廣泛，價(jià)格低廉。DC/DC開關(guān)數(shù)控電源基于可調(diào)輸出的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，即輸出電壓采樣電路外置的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的。目前，在市面上可以找到很多價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的可調(diào)輸出的DC/DC單片集成開關(guān)穩(wěn)壓器或者控制器，如 LM2596-ADJ、LT1086-ADJ、TL494、MC34063等。

2　設(shè)計(jì)實(shí)例

由于整個(gè)電路元件較多，尺寸較大。限于篇幅，此處只將核心電路簡(jiǎn)化后給出。圖4所示是基于LM2596-ADJ的數(shù)控電源的電壓環(huán)路部分。電壓環(huán)路只是將圖3中R2用數(shù)字電位器X9241替換。X9241是4個(gè)數(shù)字電位器為一體的CMOS集成電路，每個(gè)電位器包含63個(gè)電阻，數(shù)字電位器滑臂位置的控制由用戶通過I2C串行總線傳遞增益碼控制，X9241自帶I2C二線接口，接法簡(jiǎn)單，使用方便，可靈活控制滑臂位置，改變阻值大小。本設(shè)計(jì)是通過STM32控制數(shù)字電位器X9241的電阻值從而改變輸出的電壓值。電路原理在前文已做過詳細(xì)說(shuō)明，此處不再敖述。

圖4　數(shù)控電源電壓環(huán)路原理圖

圖5所示是圖4所示數(shù)控電源中控制芯片供電電路。電路的核心元件是TL431，TL431的內(nèi)部含有一個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF（2腳）端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。TL431、2SC4762、R7、R8組成了精密5 V穩(wěn)壓電路，再通過AMS1117-3.3 V輸出3.3 V電壓給STM32控制器提供電壓。

圖5　數(shù)控電源輔助電源電路原理圖

數(shù)控電流源的電流反饋環(huán)路與數(shù)控電壓源的電壓反饋環(huán)路類似，只需將圖3中的Rf用數(shù)字電位器X9241替換。通過STM32來(lái)控制X9241電阻值的大小即可改變輸出電流值，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。

3　軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示，本設(shè)計(jì)軟件，主要負(fù)責(zé)電流、電壓模式切換，電流、電壓值設(shè)定（控制數(shù)字電位器 X9421），輸出的電壓、電流采樣，比較、調(diào)整、輸出等。在此對(duì)程序如何切換到電流工作模式進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。當(dāng)用戶選擇電流輸出時(shí)程序進(jìn)入電流模式，即本文圖3中開關(guān)S1、S2切換到1端。進(jìn)入電流模式后，根據(jù)用戶對(duì)輸出值的需求切換不同的采樣電阻，即本文圖3中開關(guān)S3切換，降低功耗。確定輸出模式和輸出值大小后，電路開始輸出用戶輸入的值，為了提高精確度，電路中加入了電流采樣，在通過STM32計(jì)算比較，再對(duì)電路輸出值進(jìn)行調(diào)整。電壓工作模式，與電流工作模式類似。

圖6　數(shù)控電源控制程序流程圖

4　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

系統(tǒng)電源是由MPS-3003L-3穩(wěn)壓電源提供的18 V電源，測(cè)試結(jié)果直接由STM32內(nèi)部ADC測(cè)得。在數(shù)控電壓環(huán)路測(cè)試中，設(shè)定輸出電壓和實(shí)際輸出電壓數(shù)值，其結(jié)果如表1所示。在數(shù)控電流環(huán)路測(cè)試中，設(shè)定輸出電流和實(shí)際輸出電流數(shù)值，其結(jié)果如表2所示。

表1　恒壓精度測(cè)試數(shù)據(jù)

表2　恒流精度測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可見，本設(shè)計(jì)的數(shù)控電壓源具有穩(wěn)壓效果好、可調(diào)范圍寬、輸出精度高等。由表2中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，為了實(shí)驗(yàn)的客觀性和真實(shí)性，在實(shí)際測(cè)試使用兩種方式測(cè)試：1）取不同的電流值來(lái)作基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。2）設(shè)定電流值為450 mA，改變輸出端負(fù)載，進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、誤差小、精度高。

5　結(jié)　論

基于LM2596-ADJ的數(shù)控電源，很好的解決了傳統(tǒng)的數(shù)控電源中存在的不足，硬件簡(jiǎn)單實(shí)用、軟件簡(jiǎn)潔明了。經(jīng)實(shí)踐證明，基于LM2596-ADJ的數(shù)控電源長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠，該電路的成功設(shè)計(jì)，說(shuō)明了利用市面常用DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)成高效的數(shù)控電源的方法的可行性，且取材廣泛，成本低。電路具有恒壓、恒流精度高、效率高。該數(shù)控電壓源電路不僅可用于繼電器吸合/釋放電壓測(cè)試，還可用于對(duì)電壓要求較高的電路系統(tǒng)中等，而數(shù)控電流源電路不僅可用于微小電阻測(cè)量中，也可以大功率LED驅(qū)動(dòng)，還可用于電池充電等。

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The design of numerical power based on DC/DC

QU Biao，ZHANG Wen-chao
（Electronic Information School of Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

In this paper，the current market digitally controlled power circuit complexity，high cost，the same can not be digitally controlled power systems merger constant-voltage/constant-current case study three common design digitally controlled power，and in-depth study of the DC/DC switching regulator numerical control power supply design.Compared with the numerical control market power，the design is based on the DC/DC switching regulator numerical control power，STM32 controlled by the digital potentiometer to change the DC/DC switching regulator feedback to achieve.Circuit uses two feedback loops，voltage and current sampling feedback loop，the feedback loop amplification can be achieved according to the user's selection，automatic switching between constant voltage and constant current modes.According to the experimental data show that the method based on the design of digitally controlled power constant voltage，constant current，high precision，and the circuit is stable，low prices.

DC/DC；numerical power；STM32；digital potentiomete

TN7

A

1674－6236（2016）21-0170-04

2015-10-22稿件編號(hào)：201510148

屈 彪（1989—），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。