高效直流稳定电源 (1)

3.数字设定及显示电路的设计
实验中我们的数字设定功能是通过 4x4 的矩键进行数字的输入， 在单片机中 经过相应程序的转换将输入的值传导给设定值达到了可数字设定的目的； 在实际 电路中由于需要较高的整机效率，在显示模块中我们选用了低功耗的 OLED，在 具体的操作中，当遇到需要需要显示时，由单片机向 OLED 中通过相应的协议写 入数据，OLED 接受到数据时对数据进行实时显示。
2．工作模式的设计方案与选择
方案一：用线性电源完成实验要求 该方案的电源技术成熟，稳定度高，但所需的滤波电容的体积和重量也相当 大，线性电源工作时电路输出量反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的 压降，在输出量较大时，调整管的功耗会变大很多，致使转换效率降低。
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外部AD
采样电路
输出量
控 制 器
4.MOSFET 电路的设计方案与选择
方案一：采用 MTY25N60E MOS 管，它常用于电力领域的应用。,可以应用于 电力供应、电机控制、PWM 变流器等领域，但功耗较高。 方案二：采用 TI 公司 CSD16556Q5BMOS 管，其具有非常低的导通内阻、快速 开关和低热敏电阻。 因为在此题目下承受最高 2A 的电流，发热比较严重，通过比较论证，选择 方案二，采用 CSD16556Q5B。
3.A/D 的设计方案与选择
A/D 转换器是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号以便于数字系 统进行处理，存储、控制和显示。题目要求精度在 5%，所以 A/D 转换器精度最 小为 8 位。 方案一：采用 STM32 自带 A/D 转换器。自带的 A/D 转换器精度只有 12 位， 精度较低，因此不宜采用。 方案二：采用 TI 公司的 ADS1115，ADS1115 是具有 16 位分辨率的高精度 模数转换器 (ADC)。其在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性。优点是： 分辨率高，精度大，抗干扰能力强。因此选用方案二。
图 4 buck 电路计算原理图
工作原理见图中 bt=0 时刻驱动 V 导通， 电源 E 向负载供电， 负载电压 uo=E， 负载电流 io 按指数曲线上升。t=t1 时控制 V 关断，二极管 VD 续流负载电压 uo 近似为零负载电流呈指数曲线下降， 通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动 小。
t power supply with BUCK topology with synchronous rectification. Using STM32-F103RBT6 as the main control chip. Control by PWM control technology TI low power MOSFET controls CSD16556Q5B to achieve stable output using TI chips INA282, OPA2333 sampling of voltage. Real-time voltage sampling using the ADS1115.The PID control PWM to achieve constant voltage, and constant current functions and keys for digital settings that are available. Key words: high efficiency DC stabilized power supply rectification STM32-F103RBT PWM control BUCK with synchronous
4.保护电路
在恒流模式下，为保证输出电压不得超过 11V。当单片机采集到的输出电压 值大于 11V，就会触发单片机的过压保护功能，将 MOS 管强行拉低，切断电路， 此时电路上的警示灯，报警器会发生提醒,在恒压模式下，由于输出电流不得超 过 2V。 当单片机采集到的输出电流值大于 2V， 就会触发单片机的过流保护功能， 将 MOS 管强行拉低，切断电路，此时电路上的警示灯，报警器会发生提醒！
2.恒压模式电路工作原理
恒压工作模式时， 后级负载两端的电压根据设定的电压值进行调整从而保持 恒定。 （电压采样电路见附录图 3）外部 AD 通过电压采样电路将分压电阻分得的 电压采集到，并传送到单片机中，单片机通过一定的运算将采集的电压值转化为 实际输出电压，并与设定值比较如发生偏移，则进行 PID 远算，通过调节占空比 的数值，将电压实际值调控到与设定值一致。
5.工作模式切换的设计方案与选择
题目要求恒压工作模式和恒流工作模式。 方案一：使用继电器开关进行模式间的切换，使用时切换慢，操作不方便。 方案二：单片机通过键盘控制不同的工作模式，此方案成本较低，切换速度 快，操作简单。 选择方案二：满足要求的前提下简化电路，减小成本和功耗。
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二．电路设计及原理电路设计部分：
五、结束语
在设计的电路中不仅实现了题目的要求。 在某些性能参数上完全超越了题目 的要求。特别是在纹波的上将范围缩小到3mV以内。
参考文献：
［1］Sanjaya Maniktala .Switching Power SupplyA to Z.2006 ［2］蒙博宇.STM32 自学笔记.2012 ［3］黄征.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用与选型指南.2010
PWM输出 驱动电路 控制电路
图 2 开关电源方案控制框图
方案二：用开关电源完成实验要求 开关电源具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的 20～30%） 、效 率高（一般为 60～99%线性电源只有 30～40%） 、自身抗干扰性强、输出电压范 围宽、模块化等优点 由于实验要求较高的转换效率和电压电流调整率。综上考虑，采用方案二： 开关电源方案
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一、方案论证与设计
系统框图：
OLED显示
电压检测
外部AD采样
电流检测
STM32
PWM输出
控制电路
模式选择 （电压或电 流）
键盘
图 1 高效直流电源系统框图
该系统框图如图 1 所示，包括主控器（STM32）、键盘、显示电路（OLED）、 BUCK 降压斩波电路和信号处理电路五个部分，信号处理模块包括信号的采样， 判断电路。
高效直流稳定电源（C 题）
摘要
该高效直流稳定电源采用 BUCK 同步整流拓扑结构， 使用 STM32-F103RBT6 作 为主控芯片。通过 PWM 控制技术控制 TI 低功耗 MOS 管 CSD16556Q5B 通断实现稳 定输出，用 TI 芯片 INA282、OPA2333 进行采样时的电压处理，用 ADS1115 进 行输出电流电压的实时采样，经 PID 运算输出 PWM 实现恒压、恒流功能，并可 用按键进行数字设置。 关键词：高效直流稳定电源 BUCK 同步整流 STM32-F103RBT PWM 控制
5.程序设计流程：
在主程序模块中，需要完成对各参量和接口的初始化、并进行输出量的显示 设定值和步进模块的设定， 。另外，在主在主程序模块中还需要设置启动/清除标 志位、，并对它们和进行初始化。然后中断中，中断程序先判断主程序设定的是 什么模式，并进行相应的 PID 运算，调节占空比进而调节电压。程序流程如图 3 所示。
1．模块的设计方案与选择
主控器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在 整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统 效率的高低以及系统运行的稳定性。 方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51。使用 AT89C51 时需外接两路 AD 转换 电路，实现较为复杂。 方案二：采用 ST 公司单片机 STM32-F103RBT6。STM32-F103RBT6 比普通 51 单片机快 10～12 倍，同时 STM32 的功耗较 AT89C51 低，并且有丰富的 I/O 口， 大大提高了系统的整体性能和集成度。 选择方案二以 ST 单片机 STM32-F103RBT6 控制核心，组成单片最小系统。
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14.0v 15.0v 16.0v
5.99V 2mv 0.01% 5.00V 1mv 0.01% 4.99V 3mv 0.05% 表 1 恒压模式下测试结果 由数据表明，实测电流的值都稳定在设定值左右，经计算，相对误差小于 1%。
6V 5V 5V
在 U i =15V, U o =5V, I 0 =1.5A 时整机效率达到了 88%。 2）恒流模式下测试 恒流模式的测试方法与恒流模式相类似，其测试所得数据如表 2 所示。 设定值 纹波大小 误差大小 输入电压 U i 输出电流 I i 13.Ov 14.0 14.0 15.0 149mA 1mA 0.1% 500mA 2mA 0.02% 1000mA 0mA 0.01% 15000mA 1mA 0.01% 表 2 恒流模式下测试结果 由数据表明，实测电压的值都稳定在设定值左右，经计算，相对误差小于 1%。 在 U i =15V, U o =10V, I 0 =1.5A 时整机效率达到了 95%。 综上所述，系统符合测试要求。 150mA 500mA 1000mA 1500mA
7．电路原理图仿真结果
图 5恒压模式下multisim仿真图形
三．系统测试和数据分析
1．测试方法 测试方法 1.在测试基本部分指标时， 效率：接入滑动变阻器，让电源处于额定输出功率工作状态下，测量直流输入电 压U1和电流I1输出电压U0和电流I0，并利用公式n=（U0*I0）/（U1*I1）来计算供 电系统的效率。 稳压：分别给不同负载、不同目标电压，测试电压输出是否满足目标值要求。 稳流：分别给不同负载、不同目标电流，测试电流输出是否满足目标值要求。 2．测试仪器 输入电源仪器是：多路直流稳压稳流源。 测量电压电流时的测量仪器是：真有效值数字万用表。 测量纹波时的测量仪器：交流毫伏表，示波器。 3.测试数据和处理，及误差分析 1）恒压模式下测试 通过键盘设置设定值和稳压电源提供不同的端电压， 测得测试点各项数据如 表 1 所示。 设定值 纹波大小 误差大小 输入电压 U i 输出电压 U o 13.0v 6V 6.00V 3mv 0.003%
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开始 初始化
电压电流显示界面和设置页面 等待时钟计时产生中断
判断是否有键按下并读取按键值
外部AD采样
判断电压电流是否过大
是
恒压模式
恒流模式
判断按键选 择模式
输入设置界面
电流PID运算
电压PID运算
报警器响
判断是否有键按下并读按键值
PWM调节
步进设置操作界面
图 3 程序框图
6.电路中各个参数的计算
四．结论与系统改进措施
（1）恒压工作状态下，可调范围为4~11V。电压调整率≤0.3%，负载调整率≤ 1%，整机效率达到87%，达到了题目要求。 （2）恒流工作状态下，输出电流的可调范围为100mA~2200mA，电流调整率≤ 0.5%，负载调整率≤1%,整机效率达到90%，满足了题目要求。 （3）具有过流过压、保护功能，保护阈值电流为 11V/2.0A（偏差范围为 0.09V,0.09A） ，达到了题目要求。 （5）输出噪声纹波电压≤10mV,输出噪声纹波电流≤10mA,达到题目要求。
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负载电压平均值为 U 0
t0 n t E on E E 负载电流平均值为 t on toff T
I0
Udt U0 Em dt ; 电感计算公式： L ;电容计算公式： C Ic di R du
u：电感电压; dt：MOS 管导通时间 di r * I Ic：通过电容电流;dv：输出电压纹波 要求
1.恒流模式电路工作原理
恒流电路模式时，后级输出所流入的电流是根据设定的电流值保持而恒定， 与一定范围内的输入电压无关，体现了它的恒流特性。 （电流采样电路见附录图 2）当切换到恒流模式时，STM32 单片机经外部 AD 从 INA282 构成的电流采样 电路输出端采取电压，在单片机中经过运算将其转化为实际电流值。当实际电流 值偏离设定电流值时， 分压电阻的分压将会发生变化， 此时单片机经过 PID 运算 将会改变占空比的数值，进而控制 MOS 管的通断时间，从而对输出电流进行调 控，实现设定的稳定电流。