电力电子装置及系统课程设计

华北水利水电大学
《电力电子装置及系统》
课程设计
题目基于STM32高频开关电源的初步设计
学院电力学院
专业电子科学与技术
姓名陶志豪
学号201312227
指导教师常继远
完成时间2016.11.25
基于STM32高频开关电源的初步设计
摘要
随着时代的进步和科技的发展，电子设备已经趋于大众化，给我们带来极大方便。

在智能设备中，单片机占有很高地位，其中STM32单片机备受人们喜爱，以STM32位主控芯片的各种智能设备极其广泛。

随着智能设备的发展，其对电源的需求越来越高，不仅仅要求电源质量的优越，在小型化上要求越来越高。

本高频开关电压源，主要基于STM32F103芯片设计，极大利用单片机内部资源，为其他32位单片机提供电源设计方案。

本设计由主电路、驱动电路、控制电路三大部分组成。

另外，为了实现高集成，本次采用高频变压器进行变压；其次，通过逆变电路得到高频矩形波，然后通过整流滤波得到的直流电压的信号质量将会更加优越。

PWM控制电路采用单片机内置ADC采样模块，采集输出电压信号并将采集到的电压量与参考电压进行比较，通过调节PWM输出的占空比，实现PWM的控制。

驱动电路采用IR2110驱动芯片，通过接收单片机传输过来的PWM信号，从而实现对主电路4个开关管的驱动控制，而且，IR2110芯片有光电隔离和电磁隔离，不需要再外加隔离芯片保护。

关键词：高频变压；整流逆变；光电隔离；A/D转换；PWM。

目录
摘要 (1)
第1章绪论 (4)
1.1本课题研究背景 (4)
1.2本课题研究的意义 (5)
1.3本课题主要研究内容 (5)
第2章设计方案 (7)
2.1设计思路 (7)
2.2方案论证 (7)
2.3系统方案 (8)
第3章硬件设计 (10)
3.1硬件总体框图 (10)
3.2主电路设计 (10)
3.2.1整流、滤波电路 (10)
3.2.2逆变电路 (11)
3.2.3高频变压电路 (12)
3.2.4低压整流输出电路 (13)
3.3驱动电路设计 (14)
3.4控制电路设计 (16)
3.4.1单片机系统设计 (16)
3.4.2PWM产生设计 (18)
3.4.3采样电路设计 (19)
3.5辅助电源电路 (22)
第4章软件设计 (24)
4.1PWM产生控制 (24)
4.2AD采样设计 (25)
4.3逆变控制 (26)
总结 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
第1章绪论
1.1本课题研究背景
20世纪70年代末期我国电源行业开始发展,到20世纪80年代中期,开关电源产品开始推广应用。

经过数十年的发展，目前,我国已成为开关电源最主要的生产国和消费国。

高频开关电源是交流输入直流整流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。

高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。

作为实现电能变换和功率传递的重要设备与应用领域，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。

它已经广泛用于国民经济的各个范围：通信微机、电力控制、工业生产、能源交通、航空航天舰船机车、照明医疗、家用电器、彩电音响和VCD、显示器等领域。

现代生活的日益智能化,势必要求开关电源朝着高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化智能方向发展。

新型、节能、环保、智能化产品是开关电源发展的必然趋势。

实现高频化、智能化,质量轻、体积小、厚度薄是主要发展方向。

最近几年来，—些著名的芯片生产商又竞相研发了一大批单片开关电源的集成电路，为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。

此外，随着单片机技术的发展和控制理论的普及应用，开关电源的数字化控制也从比较简单的控制器加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP、STM32及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。

目前开关电源的发展方向主要朝着更高的智能化、变换效率更高、产品特
性更好、环保性能更突出、可靠性更强等方面发展。

1.2本课题研究的意义
随着科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。

其主要由4种发展方向：高频化、模块化、数字化、绿色化。

其中，高频化是根据理论分析和实践，电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供点频率的平方根成反比，所以当我们把频率从工频50HZ提高到20kHZ，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5%~10%，无论是逆变式整流焊机，还是通信电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。

同样，传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造，成“开关变换类电源”。

其主要材料可以节约90%或更高，还可以节电30%或更多。

由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。

1.3本课题主要研究内容
本次研究的课题所设计的系统包含整流滤波、主电路设计、驱动电路设计、单片机控制系统设计以及电压采样等五个大的模块，主要涉及到电力电子技术、单片机技术、控制理论等多学科知识的交叉应用，对理论知识和实际操作实验能力都有较高的要求。

高频电源的实现方法有很多，但是根据不同的功能如何选择设计方案是最关键的，本次研究的是与电力电子相关的开关电源和单片机控制相结合的课题，主要问题是如何利用单片
机控制驱动电路以及使主电路按单片机的设定进行输出。

该系统的控制核心是单片机，替代了传统直流电流源利用硬件如滑动变阻器或可机械调整的电阻，结合数模转换器D/A实现对主电路的控制从而来改变电路输出，使得整个系统输出能够连续可调并且可以按设定输出，因此使整个系统变得更灵活与安全，在控制精度、工作效率、操作方式等各个方面具有非常大的优势。

第2章设计方案
2.1设计思路
本次设计是基于单相市电，设计思路如图2-1所示。

以交流市电作为供电来源，经过整流滤波电路得到直流电源，此直流电源经过逆变电路可以得到高频交流电，使用高频变压器得到高频低压直流电源，再次经过整流、滤波电路，得到低压直流电源。

因此，主要问题就是对控制电路的设计以及如何实现可控、稳压的输出，难度在于如何使输出电压与设定电压达到一致。

此外，如何消除干扰、误差以及提高系统效率等问题也是在设计方案时索要考虑和注意的问题。

图2-1、电路设计思路框架
2.2方案论证
方案一：采用差模运放实现稳压输出
此方法是利用模拟电路构造的控制电路，主要利用差模运放电路实现输出电压和参考电压的比对，再讲比对结果送至驱动电路，通过控制PWM 的占空比，实现稳压效果。

此方法电路结构简单，容易实现。

但是，参考
电压的输入有较高要求，误差较大。

方案二：使用89C51芯片和A/D转换芯片设计控制电路
此方法利用输出电压经过A/D采样转换为数字量，再用89C51芯片进行比对处理，产生响应PWM波，达到输出电压可控以及稳定。

此方式使用51芯片在软件方面容易实现，另外选用高精度的A/D采样芯片在精度上有极大改进。

但是由于A/D芯片外置，使的芯片数量以及电路结构复杂，不利于高集成化；而且，51系列芯片功能有限，不利于后续功能的改进。

方案三：使用STM32芯片控制电路运行
此设计实在方案二的基础上进行改进，STM32芯片内部自带有12位A/D采样模块，不需要外加采样芯片，除此，STM32芯片的定时器能产生多个PWM波，而且，STM32芯片最高运行可达72MHZ，内部功能也非常强大。

然而，由于内部寄存器的复杂以及端口采用复用模式，使得此芯片的编程较为复杂。

2.3系统方案
比较上述三种方案，方案一通过差模运放电路比较反馈电压和给定电压来控制开关器件关断，进而使电路达到恒压输出的目的，电路结构比较简单，也很容易实现，但是调试起来比较麻烦，而且大量的运放器件会因为持续通过的电流而产生大量热量，而电子器件的稳定性受温度的影响较大，从而影响整个系统的稳定性与可靠性。

方案二和方案三均是利用电力电子开关器件的开关特性，通过具有一定占空比的开关信号来控制开关管的导通与关断，从而控制电路的输出。

在输出采集反馈电压，与给定电压相比较，进而调节开关信号的占空比，
使输出达到期望值，此方案整个系统形成闭环，稳定性很高，并且效率也可大大提升。

目前市场上产生PWM的开关管驱动芯片种类很多，价格便宜，运用方便，但是，方案二使用了外置A/D转换芯片，以及功能相对单一的51系列芯片，使其相对而言不如方案三。

通过对比三种方案，方案三更为合适。

第3章硬件设计
3.1硬件总体框图
图3-1、电路总体框图
硬件总体框图如上图3-1所示，单相市电先经过全桥式整流电路得到直流电，将此直流电经过电容滤波电路滤波得到相对稳定的直流电源。

逆变电路采用MOSFET管构成全桥式，通过改变开、关时间来调节占空比达到输出电压可控。

经逆变电路后得到的是高频交流电源，此时使用高频变压器将其状变为高频、低压锯齿电源。

再次通过整流、滤波得到低压直流电源。

主控电路选用STM32F103ZET6芯片，使用内部12位高速A/D采样模块对输出电压进行取样，再与参考电压进行比较，输出相应的PWM波形，经过IR2110驱动芯片驱动响应MOSFET管的开关，对其输出电压进行校准。

详细电路图请见附录。

3.2主电路设计
3.2.1整流、滤波电路
此设计的整流部分采用全桥式整流电路，其工作原理如下3-2-1。

在正半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

E2为负半周时，对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

如此重复下去，结果在端口2、4上便得到全波整流电压。

滤波电路采用电解电容的充放电特性，用来降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出。

其电路图如图3-2-1.
其次，为保护电路，在电路中加设快速熔断器（保险丝），防止大电流或电压对电路的危害。

图3-2-1整流滤波电路
3.2.2逆变电路
图3-2-2逆变电路
如图3-2-2所示是单向桥式PWM逆变电路，电路中T1、T2、T3、T4为功率开关管MOSFET，运行时对各开关器件按照如下方式控制。

1）从输出波形的正半周开始，保持T1、T4管导通，保持T2、T3管断开。

这时输出电压为正的稳定电压。

2）同理可得，在负半周保持T2、T3管导通，保持T1、T4管断开。

这时输出电压为负的稳定电压。

步骤1）和2）交替进行可以得到一列矩形波，此矩形波便是逆变后得到的高频交流信号。

3.2.3高频变压电路
图3-2-3高频变压电路
高频变压电路如3-2-3所示。

通过逆变电路得到高频交流电源，此时使用高频变压器进行变压，有其变压器的特性可知，高频变压器的体积相对极大缩小，有利于电路的高集成化。

通过高频变压器得到低压高频交流矩形波信号。

3.2.4低压整流输出电路
图3-2-4低压整流滤波电路
低压整流滤波电路如图3-2-4所示。

此处采用全桥式逆变电路，有与通过高频变压后输出的式高频交流矩形波信号，因此通过全桥式整流器后，得到的直流信号的谐波分量会更加少，在使用电容进行整形滤波，何以得
到极其稳定的低压直流电压。

3.3驱动电路设计
1）IR2110引脚图如图3-3-1所示，各管脚含义为：
LO （引脚1）:低端输出
COM （引脚2）:公共端
Vcc （引脚3）:低端固定电源电压
Nc （引脚4）:空端
Vs （引脚5）:高端浮置电源偏移电压
VB (引脚6):高端浮置电源电压
HO （引脚7）:高端输出
Nc （引脚8）:空端
VDD （引脚9）:逻辑电源电压
HIN （引脚10）:逻辑高端输入
SD （引脚11）:关断
LIN （引脚12）:逻辑低端输入
Vss （引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V
Nc （引脚14）:空端
2）IR2110的特点：
a.具有独立的低端和高端输入通道；
b.悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V ；
c.输出的电源端（脚3）的电压范围为10-20V ；
d.逻辑电源的输入范围（脚9）5-15V ，可方便的与TTL ，CMOS
电平相
图3-3-1IR2110管
匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V的便移量；
e.工作频率高，可达500KHz；
f.开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；
g.图腾柱输出峰值电流2A。

3）IR2110内部结构
IR2110的内部结构和工作原理框图如图3-3-3所示。

图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。

SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN 而变化，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。

HO和LO是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的MOSFET。

图3-3-3IR2110内部结构
4）IR2110芯片电路原理图如下图3-3-4所示，PWM1和PWM2有STM32同一个定时器不同通道产生的，两者之间呈相反状态，用来控制同一个桥臂上的功率开关器件。

图3-3-4
3.4控制电路设计
3.4.1单片机系统设计
51系列的单片机作为基础入门的单片机，广泛应用工业测控系统之中，51单片机具有4组共32个I/O口，内部有2个可编程定时器/计数器，5个中断源，一个全双工的串口通讯口，对于一般的小型控制系统来说，51系列单片机也足以胜任。

不过51系列单片机是8位单片机，即每次只能处理8位数据，而且其外部晶振的最高频率只能达到33M，因此在处理速度方面，51单片机表现欠佳，如果还要和TFT液晶屏配合使用的话，液晶的刷新频率也会比较低，会使整个系统反应比较慢。

此外，根据上面的分析，51系列单片机只有32个I/O口，对于本系统而言，并不能满足设计要求。

因此，本次系统需要一款处理速度快、有大量接口的单片机来作为我们整个系统的控制器。

基于高科技的快速发展和单片机技术的普及，一些高性能的单片机以低价格在社会上被普遍使用，STM32就是其中之一。

STM32系列单片机是由意法半导体公司生产，基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的ARM Cortex-M3内核，Cortex-M3处理器拥有
32位CPU，并行总线结构，拥有嵌套中断向量控制单元，调试系统以及标准的存储映射。

嵌套中断向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,简称NVIC）是Cortex-M3处理器中一个比较关键的组件，它为基于Cortex-M3的微控制器提供了标准的中断架构和优秀的中断响应能力，为超过240个中断源提供专门的中断入口，而且可以赋予每个中断源单独的优先级。

STM32都会配备常见外设，诸如多通道ADC,多个通用定时器，I2C总线接口，SPI总线接口，CAN总线接口，USB控制器，实时时钟RTC等。

但是，它的每一个外部设备都具有独特之处。

例如，12位分辨率的ADC具备多种转换模式，并带有一个内部温度传感器，带有双ADC的STM32器件，还可以使两个ADC同时工作，从而衍生出了更为高级的9种转换模式；STM32的每一个定时器都具备4个捕获比较单元，而且每个定时器都可以和另外的定时器联合工作以生成更为精密的时序。

本次选择型号为STM32F103ZET6的单片机，其属于“增强型”系列单片机，拥有以上全部功能，其外部引脚总共有144个，LQFP114封装如图3-4-1。

图3-4-1STM32F103ZET6引脚图
由上分析可见，采用stm32单片机可远远满足系统需求。

3.4.2PWM产生设计
STM32的定时器除了TIM6和TIM7外，其他定时器都可以用来产生PWM输出。

其中，高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生多达7路的PWM 输出，通用定时器也能同时产生多达4路的PWM输出，这样，STM32最多可以同时产生30路PWM输出。

本设计采用TIM2和TIM3的CH1、CH2通道产生4路PWM波，其中，每个定时器的两个道控制同一桥臂上的MOSFET。

如图3-4-2所示。

图3-4-2PWM产生电路
3.4.3采样电路设计
Stm32内部有多达18个ADC输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源。

各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。

内部ADC是一种12位逐次逼近型模拟数字转换器，其结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

参考电压Vref为3.3V，因此可得到此ADC 的分辨率为1/4095*Vref=0.8mV，内部ADC的转换速度非常快，在时钟为56MHz时为1μs，在时钟为72MHz为1.17μs。

其转换时序图如图3-14，ADC 在开始精确转换前需要一个稳定时间tSTAB，SET ADON被置一个短暂的高电平，在下一个时钟的下降沿ADC转换开始，持续12个时钟周期，在开始ADC转换和14个时钟周期后，转换完成标志位EOC标志被设置，必须由软件清除，转换的结果包含于16位的ADC数据寄存器。

然后同理准备进行下
一次转换。

ADC的时序如图3-4-3.1。

图3-4-3.1ADC转换时序图
图3-4-3.2ADC通道与GPIO对应表
STM32AD采样环节通道比较丰富，如图3-4-2-3.2所示，每个通道对应GPIO口。

本设计选用ADC1的通道三作为采集输入口，即STM32芯片的PA3口。

输出采样采取电压值，本设计输出电压区间在5—24V直流电压，采用等比电阻进行采样，采样电压参考点如图3-4-3.3所示：
图3-4-3.3输出电压采样电路
3.5辅助电源电路
本系统需要多个电源，单片机使用+3.3V稳压电源，驱动芯片需要+5V 和+15V稳压电源。

电源虽简单，但在高精度的系统中，稳压电源有着非常重要的作用。

因此采用广泛使用且稳定性很好的78系列稳压芯片。

LM7805系列为三端正稳压芯片,在输入电压大于5V时，输出脚能输出+5V固定电压，输出电流可达1A，普遍应用在各种场合。

此外其内部含有过流、过热和过载等保护电路来确保工作安全。

另外，LM7803、LM7815分别输出3.3V、15V电压，满足电路需求。

电路结构如图3-4-5所示。

图3-4-5辅助电源电路
第4章软件设计
写单片机的程序不是写纯粹的代码，而是更注重软件与硬件的结合使用，使其相互配合，从而达到控制与被控制的目的。

图4程序总流程图
如图4是总的程序设计流程图，单片机是按照流程图所示的流程来采集数据、控制产生PWM。

初始化是让各个程序模块进行配置使模块处在准备工作的状态下，包括ADC初始化、GPIO引脚初始化、时钟初始化等。

4.1PWM产生控制
图4-1控制PWM产生流程图
4.2AD采样设计
采样参考电压加有保险丝做保护，防止电压过高，采样点电压范围在0~3V，可以直接接在STM32F103ZET6芯片I/O上。

为了实时显示实时检测输出电压值的变化，A/D转换在主程序的主循环中一直对输出电压进行采样，为了使得ADC采集的数据更加准确，利用ADC 多次采集，然后取平均值的办法来使采集的数据更接近实际值，也达到了消除偶然误差的目的。

其流程图如图4-8.
图4-2ADC采样流程图
对ADC的配置主要是选择ADC的输入通道及声明对应引脚、配置ADC 的工作模式，如图4-2，选择的是ADC1的1通道，触发方式选择软件触发。

配置完成后，只需调用库函数启动ADC，然后等待转换完成即可读取ADC 的转化结果，然后将此结果累加，循环100次，然后取平均值，最后将此平均值转换成对应的电压值，转换公式为
Vout=ADC_value*(Vref/4095)*8（4-2-1）
其中ADC_value是ADC转化之后的结果，Vref是ADC的参考电压，因为此ADC是12位，因此4095即2^12-1，乘以8是应为在采样点使用7:1电阻分压如图。

Vout即是采集得到的对应电压值。

如图。

4.3逆变控制
对于芯片IR2110驱动器，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速
度快），而在本设计当中选用的是光耦隔离，因此不需要再外加隔离器件，可以直接连接在单片机和功率开关器件上。

IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，驱动电路十分简单，只用一个电源可同时驱动上下桥臂。

总结
本次课程设计，仅有一周多的时间，自己在细节方面没有做到尽善尽美，但是从中收获颇多。

从整体而言，此次课程设计综合了电力电子技术、单片机技术、电路、模拟电子技术、控制理论等本专业大部分核心课程，充分说明了知识不是单一的而是系统的，只有系统地去认识、去学习，才会有更大的提高，才能更大的扩展知识面。

在选题方面，我使用的是目前功能强大，而且应用较为广泛的STM32芯片，对于此芯片的学习，使得我自己对于控制芯片的构成、使用有了极大提升。

除此之外，在本次设计中我使用到了STM32软件编译器KEIL5；电路图绘制软件Protel；流程图绘制软件Visio等专业方面的软件，自身各个方面的能力都得到了相应的提升。

相信在以后的工作学习中，我会因此而受益。

参考文献
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附录。