基于STM32F103单片机的可编程通信电源硬件电路设计

Telecom Power Technology ·　１０４　·Ｍａｒ．　１０，　２０２３，　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．５　
 2023年3月10日第40卷第5期
电源与节能技术ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２３．０５．０３２
基于STM32F103单片机的可编程通信电源硬件电路设计
侯江
（山东黄金电力有限公司，山东莱州261400）
摘要：目前，可编程电源已经在通信领域得到广泛应用，可以解决传统电源通过按键或旋钮来对电压进行调整，但无法体现出电源电压变化趋势的问题，通过软件来控制电源输出，并对目标波形进行调整。

分析可编程通信电源系统的需求，从硬件框架、电源原理、控制模式、拓扑结构、输入整流滤波、逆变电路、输出整流滤波以及控制电路等方面进行设计，以供相关人员参考。

关键词：STM32F103；可编程；通信电源；半桥逆变
Design of Hardware Circuit of Programmable Communication Power Supply Based on
STM32F103 Single Chip Microcomputer
HOU Jiang
(Shandong Gold Electric Power Co., Ltd., Laizhou 261400, China)
Abstract: At present, the programmable power supply has been widely used in the communication field, which can solve the problem that the traditional power supply can adjust the voltage through buttons or knobs, but it can’t reflect the changing trend of the power supply voltage. The power supply output is controlled by software, and the target waveform is adjusted. This paper analyzes the requirements of programmable communication power supply system, and designs it from hardware framework, power supply principle, control mode, topological structure, input rectification filter, inverter circuit, output rectification filter and control circuit, etc., for the reference of relevant personnel.
Keywords: STM32F103; programmable; communication power supply; half-bridge inverter
1 可编程通信电源系统需求分析
直流电源在通信系统中发挥着重要作用，传统直流电源通过按键或旋钮对输出电压进行调整，但只能显示实时电压值，无法预测电源电压的改变，因此需要设计具有可编程功能的电源。

通过软件来控制电源电压的输出，根据通信设备的使用情况来输出电压值。

可编程数字电源集计算机技术与电子技术于一体，是对传统直流电源功能的拓展和操作的优化，具有输出电压信号精度高、稳定性好等特点，在外部电磁干扰环境下保持稳定输出。

可编程功能可以满足用户更多的使用需求，通过对电源电压进行监控与反馈，确保直流电源的输出质量较高[1]。

通信电源使用时通常根据需要输出预期电压值，普通电源大多通过按键或旋钮来输出电压，人为设置容易出现错误。

可编程通信电源系统通过软件来对直流电源输出进行控制，能够输出高精度、稳定性好的波形，具有很快的响应速度。

其直流电压输出区间为0.1～200 V，电流区间为0.001～1 A。

2 可编程通信电源系统硬件设计
2.1 硬件框架设计
直流稳压电源由交流电源提供电能，如果交流电源不稳或负载改变，则会对直流稳压电源输出产生影响。

可编程电源为开关线性稳压电源，需要接收软件发送的电压命令，采用处理器来控制脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）输出。

控制开关管的导通与截止来形成PWM波，再经过电感等器件对直流电压进行调整。

电源中的功率晶体管在运行时会切换为导通和截止2种状态，通过合理调整运行状态可以防止发热量变大，确保电能达到较高的转化效率。

采用STM32F103单片机作为可编程电源处理器，从上位机上接收电压设置值，并对PWM的A相、B相输出进行控制，2路PWM幅值相同但相位偏差180°，占空比低于50%。

控制半桥逆变电路中功率开关晶体管的导通与截止，STM32F103单片机输出PWM波形的幅值较低，要通过驱动电路进行变压调整，使输出的PWM波形幅度可以满足开关管导通要求[2,3]。

为了降低开关线性稳压电源输出误差，在电源输出回路增设反馈电路，对电源负载2端的电压进行采样，将采集到的模拟数据进行模/数（Analog/Digital，A/D）转换，再与精密度较高的基准源进行对比，对2者间
收稿日期：2023-01-11
作者简介：侯江（1972—），男，山东招远人，大专，主要研究方向为电气工程。

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Telecom Power Technology
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侯 江：基于STM32F103单片机的 可编程通信电源硬件电路设计
的误差进行处理与补偿。

电源框架设计如图1所示。

12 V 直流稳压电路辅助供电电源模块
A/D 转换电路
工控机
PWM_A
PWM_B
精密基准源
STM 32F 103 单片机最小系统
光电隔离 驱动电路斩波电路斩波电路
半桥逆变电路
负载
采样电路
光电隔离 驱动电路
控制电路模块
5V 直流稳压电路
图1 可编程电源硬件框架
2.2 开关电源原理通信电源的核心为开关电路，主要由功率开关管、二极管、电容以及电感等电子元器件构成，其中功率开关管在开关电路中发挥着重要作用。

将交流电压进行整流滤波后转换为具有脉动分量的直流电压，再通过高频变换器和逆变器转变为交流方波。

采用变压器进行升压或降压处理，再对交流方波电压再次整流滤波，可以获取到理想的直流电压[4]。

直流开关电源工作原理如图2所示。

方波调整与整流滤波
整流滤波
脉宽 调制
基准 电压
比较器控制电路
振荡器
取样器
AC
DC
高频
变换器
逆变电路
图2 直流开关电源工作原理
直流开关电源主要由整流滤波模块、变频变换模块、直流逆变模块、方波调整与整流滤波模块以及控制电路构成，在完成电子元器件的选型后，对各模块进行详细设计。

2.3 可编程通信电源控制模式
可编程通信电源选择PWM 调制方式，由芯片对
逆变电路开关器件的通断状态进行控制，确保输出幅值相同的脉冲信号。

采用脉冲来替代电压波形，多个脉冲可以与原电压波形达到同样的效果，具有输出波形平滑和降低谐波的优点。

根据控制规则来对每个脉冲宽度进行调制，可以控制逆变电路的电压值和输出频率。

脉冲宽度调制具有单极性和双极性2种方式，单极性控制的脉冲载波具备单极性，双极性控制的脉冲载波具备正负交变载波。

在对正弦波形进行脉冲宽度调制时，需要在横轴采用同样的时间间隔将
正弦波划分为N 个部分，即将这正弦波视作N 个同样脉冲宽度、幅值不等的脉冲信号，每个脉冲信号的宽度都为π/n ，脉冲信号幅值就是对应时间的正弦 波幅值[5,6]。

2.4 拓扑结构
根据可编程电源的具体要求，通信电源输入为交流220 V ，输出为直流1 A/22 V 。

结合输入电压、电源功率以及使用要求，采用半桥式拓扑结构，具体如图3所示。

图3中：U in 为输入电压；U out 为输出电压；C 1、C 2为分压电容；SW 1、SW 2为功率开关管；T 为高频变压器；n 1、n 2为变压器两侧线圈匝数；VD 1、VD 2为整流二极管；L 为输出电阻；C 为输出电容。

SW 1、SW 2、C 1以及C 2构成半桥结构，功率开关管SW 1、SW 2轮流导通，如果SW 1导通，则SW 2关断，变压器T 二次侧电压极性与输出侧极性保持相同，二极
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管VD 1为导通状态，二次侧电流通过电阻L 与电容C ；如果SW 2为导通状态，则电路运行状态与SW 1导
通时相反。

SW 1导通电路拓扑结构如图4（a ）所示，SW 2导通电路拓扑结构如图4（b ）所示。

U in
U out
C 1
SW 1
VD 1
VD 2SW 2
C
n 1
n 2n 213T
L
2
5
C 2
图3 开关电源半桥逆变拓扑结构
U in
U in
U out
U out
C 1
C 1
C n 1n 1n 2n 211
33L
L
2
2
5
5
C 2
C 2
（a ）SW 1导通电路拓扑
（b ）SW 2导通电路拓扑
图4 导通电路拓扑
采用半桥拓扑结构的电路，变压器一次侧电压幅值为输入电压U in 的1/2。

在同样的输出功率条件下，半桥式拓扑结构一次侧电流值较大。

可编程电源采用PWM 调制方式，通过调整脉冲信号占空比来控制输出电压U out ，脉冲信号周期为T 。

在开关管周期导通时间t on 内，半桥拓扑结构输出电压为
in 2on out
12U n t
U n T
= （1）
3 结 论
基于STM 32F 103单片机的可编程通信电源设计，可以输入交流电压为220 V 、频率为50 Hz 的电源。

通过桥式整流和电容滤波得到具有脉动成分的直流电，再利用高频变压器进行升压处理，经过全波整流和LC 滤波处理后生成较为理想的输出电压波形。

经过测试，脉动直流电压波形最大值与最小值误差为±2 V ，表明设计的硬件电路具有较好的整流滤波效果，开关
电源可以达到较高的输出精度。

参考文献：
[1] 赵梓羽.基于交错并联PFC 及全桥LLC 谐振变
换器的通信电源设计[D].上海：上海应用技术大学，2021.
[2] 冯展华.基于软开关的中央变电所本安型一体
化通信电源研究与设计[D].青岛：山东科技大学，2018.
[3] 司擎华.基于android 通信电源监控系统的管理
软件设计[D].武汉：武汉工程大学，2014.[4] 陈海彬.新型高压线缆悬浮式电磁感应通信电
源的设计[D].北京：华北电力大学，2009.[5] 邓 颖.基于模糊控制的通信电源蓄电池监测系
统的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.[6] 张日红.晋城供电分公司通信电源远程监控系
统设计与实现[D].保定：华北电力大学，2008.。