基于RISC-V 的數(shù)控電源與直流負(fù)載一體機(jī)設(shè)計(jì)

羅星揚(yáng)，傅忠云

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 211156）

在日常的實(shí)驗(yàn)室電子實(shí)驗(yàn)中，直流電子負(fù)載和可調(diào)直流電源是較為常見的兩種儀器，但目前市面上難以找到一款集合兩者功能的儀器設(shè)備，并且其體積重量較大不便于移動(dòng)。此外，隨著移動(dòng)電子設(shè)備的飛速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)設(shè)備充電速度的要求也在提高[1-3]。

在這種背景下，該文將研究一種以新型RISC-V架構(gòu)微控制器作為控制核心的實(shí)驗(yàn)室桌面用多路供電塢和直流電子負(fù)載一體機(jī)，該設(shè)計(jì)具備以下功能：提供多路電子設(shè)備快充接口、實(shí)驗(yàn)室用可調(diào)直流電壓源及直流電子負(fù)載功能，通過LCD 屏顯示設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)具備故障保護(hù)功能。硬件設(shè)計(jì)上采用專用電壓電流監(jiān)控芯片、DAC 與精密運(yùn)放配合PID 算法控制MOSFET 功率消耗器件[4-5]，并具備上位機(jī)通信功能。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)一體機(jī)集成了多口快速充電、數(shù)控可調(diào)直流電源輸出和直流電子負(fù)載三大主要功能，采用新型RISC-V 內(nèi)核單片機(jī)作為主控制芯片。多口快速充電塢包括兩個(gè)Type-C接口和4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB-A接口，最多可同時(shí)為4 臺(tái)移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)行互相獨(dú)立的大功率快速充電。數(shù)控直流電源提供一路24 V/3 A 可調(diào)直流輸出。電子負(fù)載部分接入待測(cè)電源最高耐壓耐流36 V/8 A，散熱功耗為150 W，可根據(jù)用戶需要設(shè)定為恒流或恒功率模式，另支持開爾文四線高精度電壓測(cè)量[6-7]。前面板可顯示系統(tǒng)狀態(tài)和各類參數(shù)，并可通過按鍵進(jìn)行調(diào)整，支持通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 整體系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 多口快速充電塢

多口快速充電塢模塊根據(jù)輸出電壓關(guān)聯(lián)性可分為三組，每一組之間的電壓和功率輸出互相獨(dú)立不受制約。第一組由SW3518S 作為協(xié)議主控，根據(jù)接入的移動(dòng)設(shè)備的需求調(diào)整Type-C 和USB-A 接口輸出電壓，其支持USB-PD/QC/AFC/FCP/VOOC 等常見快充協(xié)議，Type-C 單口最高輸出功率可達(dá)100 W。第二組由IP6525S 作為快充協(xié)議主控和降壓轉(zhuǎn)換器，最高支持22.5 W 功率輸出。第三組則為固定直流12 V 輸出，使用TI 公司的TPS54331 作為降壓轉(zhuǎn)換器，通過配置反饋腳SW 的電壓值得到12 V 輸出。

2.2 控制板

控制板負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并作為前面板交互操作。整個(gè)控制板由GD32VF103RBT6及其最小系統(tǒng)外圍電路、USB 轉(zhuǎn)串口、EEPROM 存儲(chǔ)器、2.0寸彩色LCD顯示屏、LED指示燈和按鍵構(gòu)成。

GD32VF103RBT6 是兆易創(chuàng)新推出的采用RV 32IMAC 指令集的32 位通用微控制器，運(yùn)行主頻為108 MHz，具備豐富的外設(shè)資源[8]。顯示器件使用2.0寸全彩高清LCD 顯示屏。

2.3 功率板

功率板作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，主要包括輔助電源電路、數(shù)控可調(diào)直流輸出電路、直流電子負(fù)載電路、四線電壓測(cè)量電路、散熱風(fēng)扇電路、NTC 溫度檢測(cè)電路和外部接口。

2.3.1 數(shù)控可調(diào)直流輸出電路

數(shù)控電壓源部分采用基于DAC 控制的方案[9]，可調(diào)輸出DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器選用XL4015E1，最大輸入電壓/電流為36 V/3 A，通過MCP4725 DAC 輸出電壓控制XL4015E1 反饋腳SW 電壓，實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓輸出[10]。

圖2 為數(shù)控可調(diào)直流輸出部分核心電路圖，XL4015E1 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為1.25 V，其輸出電壓與反饋電阻R1、R3的關(guān)系為：

圖2 數(shù)控可調(diào)直流輸出部分核心電路圖

向SW 腳接入DAC 并串聯(lián)限流電阻后，根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL）可推導(dǎo)出輸出電壓Vout與DAC 輸出電壓VDAC的關(guān)系：

易知當(dāng)R1、R2和R3電阻值固定時(shí)，輸出電壓Vout和DAC 輸出電壓VDAC呈線性反比關(guān)系。在圖2 所示反饋電阻值的條件下，經(jīng)過整理可得關(guān)系式為：

考慮到DAC 輸出電壓范圍為0～3.3 V，即通過改變DAC 輸出電壓實(shí)現(xiàn)了輸出電壓在0.92～24 V 之間可調(diào)，外置DAC 選用MCP4725 單通道12 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)0.1 V 輸出電壓調(diào)整步進(jìn)。

2.3.2 直流電子負(fù)載電路

直流電子負(fù)載部分可分為功率管負(fù)載主電路、電流采樣和負(fù)反饋放大電路、DAC 參考電壓輸出電路和使能控制電路，電路原理圖如圖3 所示。其基本原理為電流通過采樣電阻RS1時(shí)產(chǎn)生壓降VSHUNT，經(jīng)過精密運(yùn)放放大后與參考電壓Vref比較，若大于Vref則減小MOSFET 柵極電壓VGS從而降低導(dǎo)通深度，回路電流ID減小，反之則增加VGS，形成負(fù)反饋，直到ID穩(wěn)定在恒定值。根據(jù)理想運(yùn)放的虛短虛斷特性，并忽略MOS 管柵極電流IG，可得到參考電壓Vref和MOS 管回路電流ID的關(guān)系為：

圖3 直流電子負(fù)載部分主要電路圖

由式（4）可知，MOS 功率管回路電流ID與參考電壓Vref成線性正比關(guān)系，因此可通過改變DAC 輸出Vref實(shí)現(xiàn)控制直流電子負(fù)載回路電流。此外，電子負(fù)載部分所接入的待測(cè)電源的電流、電壓的測(cè)量采用INA226 單16 位電流檢測(cè)芯片，采用串行I2C 總線進(jìn)行讀寫，可降低PCB 布線難度。

另外，由于功率MOSFET 自身存在較大的寄生電容，在回路電流負(fù)載較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，嚴(yán)重影響整個(gè)反饋回路工作的穩(wěn)定性和電壓電流測(cè)量精度。針對(duì)此問題引入了PI 調(diào)節(jié)器補(bǔ)償運(yùn)放電路相位差，以消除自激振蕩，提高穩(wěn)定性[4，11]。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 程序代碼結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件控制程序采用自下而上的分層架構(gòu)。最底層由RISC-V 內(nèi)核支持文件和GD32VSDK 構(gòu)成，GD32V-SDK 是兆易創(chuàng)新官方提供的專用于GD32VF103 系列MCU 的固件庫，可通過庫函數(shù)開發(fā)方式操作外設(shè)[12]，中間層為芯片外設(shè)驅(qū)動(dòng)層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。應(yīng)用層位于頂層，包含系統(tǒng)的各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)代碼，如系統(tǒng)狀態(tài)顯示、溫度保護(hù)等。

3.2 程序運(yùn)行流程

系統(tǒng)程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)上電后首先配置ECLIC 中斷優(yōu)先級(jí)分組[13]，隨后對(duì)ADC、TIMER、SPI、I2C總線等片上外設(shè)進(jìn)行初始化，接著對(duì)INA226、MCP4725 等板級(jí)外設(shè)芯片進(jìn)行初始化參數(shù)寫入。當(dāng)所有外設(shè)初始化完畢后刷新GUI 進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)主界面。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

為了使整個(gè)主程序運(yùn)行更高效，將整個(gè)主程序執(zhí)行代碼放在主循環(huán)中，通過配置Timer5 定時(shí)器中斷每隔30 ms 執(zhí)行主循環(huán)中的代碼。首先從INA226讀取直流電源輸出和電子負(fù)載回路的總線電壓電流功率值，根據(jù)需要從MCP3421 讀取16 位四線法測(cè)量電壓值[14]并在LCD 屏顯示。當(dāng)其中任何值超過了預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)立即關(guān)閉輸出，實(shí)現(xiàn)過溫過流保護(hù)。隨后根據(jù)用戶設(shè)定的直流電源輸出電壓值和電子負(fù)載定電流值，調(diào)用增量式PID 整定算法調(diào)整MCP4725 的 輸 出 參 考電壓[15]，調(diào) 整XL4015E1 的SW反饋腳電壓和主功率MOS 管的VGS門極電壓，從而控制直流電源輸出電壓和電子負(fù)載回路電流值，隨后等待下一次中斷循環(huán)執(zhí)行。

正常運(yùn)行時(shí)按下前面板OK 鍵后，將會(huì)彈出參數(shù)設(shè)定界面，可對(duì)直流輸出電壓值和電子負(fù)載輸入電流值進(jìn)行調(diào)整。

4 樣機(jī)制作與性能測(cè)試

根據(jù)前述設(shè)計(jì)進(jìn)行樣機(jī)制作，并進(jìn)行了性能測(cè)試，電壓、電流目標(biāo)調(diào)整精度為0.1 V 和0.1 A。

多口供電塢部分通過接入多個(gè)移動(dòng)電子設(shè)備并串接電流表頭進(jìn)行測(cè)試。Type-C 接口和支持65 W PD供電筆記本電腦的電源接口相連，實(shí)測(cè)功率可以長時(shí)間穩(wěn)定在58 W左右。第二組接口接入移動(dòng)電源，成功激活QC3.0 快充協(xié)議，最大輸出功率可達(dá)18 W。

可調(diào)直流電源部分，分別在空載和滿載狀態(tài)下設(shè)置不同電壓，對(duì)比電壓設(shè)定值和實(shí)際測(cè)量電壓值，其中，3 A 滿載條件下輸出精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 可調(diào)直流電源輸出精度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1 可知，當(dāng)設(shè)置目標(biāo)電壓在1.8～23 V 時(shí)，實(shí)際輸出電壓與設(shè)置目標(biāo)電壓誤差最大不超過0.03 V，滿足設(shè)計(jì)需求。當(dāng)設(shè)置目標(biāo)電壓為1.5 V 時(shí)，誤差為0.17 V。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量和分析，由于功率板上LDO 輸出存在誤差，MCP4725 的工作電壓只有3.28 V，無法達(dá)到理想的3.3 V，根據(jù)式（3），當(dāng)目標(biāo)輸出電壓較低時(shí)難以通過繼續(xù)提高DAC 輸出電壓實(shí)現(xiàn)更低的輸出，后期可通過更換性能更好的LDO 來解決。

直流電子負(fù)載部分，通過接入實(shí)驗(yàn)室用可調(diào)直流電源進(jìn)行性能和精度測(cè)試。恒流模式下輸入精度測(cè)試結(jié)果如表2 所示，測(cè)試在輸入電壓為20 V 的條件下進(jìn)行。

表2 直流電子負(fù)載輸入精度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表2 可知，恒流模式下設(shè)置電流與實(shí)際電流誤差在0.02 A 以內(nèi)，精度基本滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)電流和電壓增大至一定程度時(shí)，回路電壓和電流值會(huì)劇烈波動(dòng)，此時(shí)通過適當(dāng)調(diào)整運(yùn)放部分PI 調(diào)整器的阻容值避免[4，16]劇烈波動(dòng)。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種基于RISC-V 內(nèi)核微控制器的多功能數(shù)控電源與直流負(fù)載一體機(jī)，將數(shù)控直流可調(diào)電源[17-18]、直流電子負(fù)載和多口快速充電塢三大功能集成在一臺(tái)小型設(shè)備中，解決了傳統(tǒng)分立儀器體積大占空間、移動(dòng)不便等問題，并通過數(shù)控方式實(shí)現(xiàn)了彩色LCD 屏顯示、過溫過流保護(hù)、上位機(jī)通信等功

能。通過理論分析了各部分的實(shí)現(xiàn)方法與可行性，并通過制作樣機(jī)驗(yàn)證了其可行性，經(jīng)測(cè)試其工作穩(wěn)定，精度滿足設(shè)計(jì)要求，目前樣機(jī)已投入學(xué)校電類創(chuàng)新實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室的日常使用中，有效提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的效率。