基于PID算法的四開關(guān)數(shù)字電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冀曉霏，郭棟梁，牛 亮，薛冠男

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 信息設(shè)備研究所，山西 太原 030024)

近些年，隨著新項(xiàng)目的牽引和國內(nèi)各元器件研制單位的技術(shù)攻關(guān)，國產(chǎn)電子元器件水平取得長足發(fā)展[1]，但國內(nèi)集成穩(wěn)壓模塊的研制，一般采用進(jìn)口的電源管理芯片作為內(nèi)核，外圍搭建進(jìn)口或國產(chǎn)分離元器件制作出各種功率的集成模塊，主要元器件國產(chǎn)化率不高。本文主要是對經(jīng)典降壓電路和升壓電路進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一款基于PID算法的四開關(guān)數(shù)字電源。研究數(shù)字電源，可以通過器件選型選取國產(chǎn)單片機(jī)等相關(guān)芯片及分離元件，繞過國外的集成電源芯片的技術(shù)封鎖，為實(shí)現(xiàn)自主可控國產(chǎn)電源奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

數(shù)字電源由四開關(guān)升降壓主電路、保護(hù)電路、MOS管驅(qū)動電路、電源轉(zhuǎn)換電路、液晶屏驅(qū)動電路、信號采集電路及單片機(jī)主控電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 數(shù)字電源結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)主控電路以STM32F334為主控芯片，通過F334的高分辨率定時(shí)器HRPWM生成所需PWM來驅(qū)動四開關(guān)MOS管通斷，實(shí)現(xiàn)升降壓控制；信號采集電路用于實(shí)時(shí)采集電源的運(yùn)行參數(shù)，利用PID算法對采集信號進(jìn)行運(yùn)算控制，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流輸出；F334依據(jù)采集信號和運(yùn)算結(jié)果控制保護(hù)電路工作，實(shí)現(xiàn)過壓過流保護(hù)；電源轉(zhuǎn)換電路用于產(chǎn)生12V和3.3V兩路電源，為其它電路提供電源；液晶屏支持觸摸操作，可用于設(shè)置輸出電壓或電流，液晶屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)字電源的運(yùn)行參數(shù)及故障信息等。

1.1 四開關(guān)升降壓主電路

本設(shè)計(jì)最高電壓為36V，最大電流為5A，這里選用國產(chǎn)華潤微生產(chǎn)的MOS管CRST065N08N，耐壓高達(dá)80V，最大持續(xù)電流85A，其主電路如圖2所示。

圖2 四開關(guān)升降壓主電路

1.2 電源轉(zhuǎn)換電路

電源電路選用上海貝嶺生產(chǎn)的BL9359和BL1117-33X兩款芯片，將升降壓主電路的輸入端和輸出端作為輸入，經(jīng)BL9359轉(zhuǎn)換產(chǎn)生DC 12V，為MOS管驅(qū)動電路供電。再通過BL1117-33X轉(zhuǎn)換產(chǎn)生DC3.3V，為運(yùn)放和F334提供電源。

1.3 MOS管驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用上海貝嶺生產(chǎn)的半橋MOS驅(qū)動芯片BLD2113，該芯片10～20V的VCC工作電壓范圍，最高系統(tǒng)工作電壓可達(dá)600V,2.5A/2.5A驅(qū)動電流能力。

1.4 信號采集電路

采集電路利用國產(chǎn)運(yùn)放芯片SGM358，將輸入輸出電壓按比例縮小到F334內(nèi)部ADC能夠接受的采樣范圍，對其進(jìn)行采樣處理。

針對輸出電流的采集，本系統(tǒng)將采樣電阻放在升降壓主電路低端，由于采樣電阻比較小，壓降較低，需要通過SGM358放大后再進(jìn)行采樣。

1.5 液晶屏驅(qū)動電路

液晶屏驅(qū)動電路通過RS232串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，將單片機(jī)上傳的信息(電源運(yùn)行參數(shù)、故障信息)在液晶屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。它還支持觸摸操作，可用于設(shè)置輸出電壓或電流。

1.6 主控電路

STM32F334具有高分辨率定時(shí)器(HRTIM)外設(shè)，控制精度達(dá)217ps，HRTIM由一個(gè)主定時(shí)器和5個(gè)子定時(shí)器組成。F334主要應(yīng)用于DC/DC轉(zhuǎn)換、BUCK/BOOST轉(zhuǎn)換、DC/AC轉(zhuǎn)換及各種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源控制場合。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制軟件和人機(jī)交互軟件組成。其中單片機(jī)控制軟件采用增量型PID電壓/電流控制模式，它將采集到的輸出電壓/電流值與用戶期望的輸出值比較產(chǎn)生偏差值。PID算法依據(jù)偏差值計(jì)算出所需的PWM占空比，通過調(diào)整占空比實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流輸出。單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算和PWM占空比更新均在定時(shí)器3中進(jìn)行[3]。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

本設(shè)計(jì)中液晶屏支持觸摸操作，這里選用迪文公司生產(chǎn)的串口電容觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)。首先，利用迪文DGUS軟件完成圖形界面設(shè)計(jì)后通過SD卡導(dǎo)入觸摸屏中，然后通過特定指令進(jìn)行TFT驅(qū)動、顯示、串口通信等軟件設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，該數(shù)字電源的開關(guān)頻率：200 kHz，輸入電壓：12～36V，輸出電壓：0～36V可編程調(diào)節(jié)，最大功率180W，實(shí)現(xiàn)了電源參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、電路保護(hù)及恒壓恒流輸出，具有成本低、實(shí)時(shí)性高、國產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。在200kHz開關(guān)頻率下，PWM占空比不同輸出電壓不同，如圖4、5所示。

圖4 輸出電壓6V

圖5 輸出電壓13V