数字式直流开关稳压电源(A题)

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1、数字式直流开关稳压电源(A题) II摘 要 关键字:BUCK同步整流,PID,蓝牙通讯,电源管理APP摘要:本系统是基于BUCK同步整流拓扑结构,以STM32为控制核心,蓝牙传输与手机端APP相配合,从而形成了整个无线数字式开关电源。手机APP开启电源,STM32通过电压采样将采集到的数据送入PID算法进行处理后,实时动态调整输出的PWM的占空比,进而实现可控稳压。同时可通过手机APP端设置输出电压和上限电流,并实时显示当前电压和电流值,当电流超过设定值时,手机端会语音报警,并点亮APP中的过流指示灯,并立即关断电压。Keywords: BUCK synchronous rectifier,

2、PID, Bluetooth communication, power management APPAbstract: this system is based on the BUCK synchronous rectifier topology, with STM32 as the control core, the Bluetooth transmission and mobile phone end APP match, thus forming the entire wireless digital switching power supply. First, the mobile p

3、hone APP to open the power supply, STM32 through the voltage sampling will be collected into the PID algorithm for data processing, real-time dynamic adjustment of the output of the PWM duty cycle, and thus achieve a regulated voltage. At the same time through the mobile phone terminal APP to set th

4、e output voltage and current limit, and display the current voltage and current value, when the current exceeds the set value, the mobile phone terminal can voice alarm, and light in APP flow indicator, and immediately turn off voltage.目 录1系统方案11.1 DC-DC结构的论证与选择11.2 MOS管驱动电路的论证与选择11.3电压采样电路的论证与选择11.

5、4电流采样电路的论证与选择11.5控制系统的论证与选择21.6无线模块的论证与选择22.1 BUCK电路的分析22.1.1 占空比22.1.2 电感22.1.3 电容22.2 驱动电路的计算32.2.1 自举电容的选取32.2.2 自举二极管的选取32.3 电流采样电路的计算33电路与程序设计43.1电路的设计43.1.1系统总体框图43.1.4电源43.2程序的设计43.2.1程序功能描述与设计思路43.2.2程序流程图64测试方案与测试结果74.1测试方案74.2 测试条件与仪器84.3 测试结果及分析84.3.1测试结果(数据)84.3.2测试分析与结论8附录1:电路原理图9附录2:PC

6、B图10附录3: 控制端源程序11main.c11delay.c16adc.c17timer.c21usart3.c24hc05.c27附录4:APP端源程序27数字式直流开关稳压电源1系统方案本系统主要由DC-DC结构、MOS管驱动电路、电压采样电路、电流采样电路、控制系统、无线模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。1.1 DC-DC结构的论证与选择方案一:半桥隔离式开关电源。半桥隔离式开关电源由两个开关管交替工作,相当于两个开关电源同时输出功率,因此其输出功率很大,当电源利用率比较低,不宜用在工作电压较低的场合。另外,半桥电路的两个开关器件没有公共地,与驱动信号的连接比较麻烦。方案二:B

7、UCK同步整流降压斩波式开关电源。BUCK电路是一种降压斩波器,属于非隔离式的开关电源,降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Uin,通常电感中的电流是否连续,取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。输出电压取决于占空比的大小,电路简单易于实现,。BUCK同步整流是在金典BUCK电路的基础上改进而来,用MOS管代替二极管续流,这样可以大大降低功率损耗。综合以上两种方案,选择方案二。1.2 MOS管驱动电路的论证与选择方案一:光耦隔离驱动。使用光耦进行隔离驱动是最常用的一种驱动方式,但是由于光耦工作频率很低,响应速度慢,而开关电源工作在较高频率,且要求响应速度快,所以我们不采用这种方案。

8、方案二:变压器隔离驱动。使用变压器隔离驱动虽然解决了光耦驱动的不足,但是绕制变压器非常复杂,如果制作不是很规范,就容易导致驱动波形失真,所以,我们不采取这种方案。方案三:驱动芯片驱动。由于BUCK同步整流的上管属于高端悬浮驱动,电压是浮动的,如果采用分立结构,这样就造成了电路结构复杂,所以我们选择使用驱动芯片,可以大大提升驱动稳定度,减小开关损耗,而且可以产生带死区时间的互补PWM波,与驱动信号隔离。综合以上三种方案,选择方案三。1.3电压采样电路的论证与选择 方案一:直接采样。由于使用电阻分压之后可以达到控制芯片的I/O上限电压以下,而且要求采样电路响应速度快,所以直接采样是最简单可靠的方法

9、。1.4电流采样电路的论证与选择方案一:使用电流采样芯片。TI的电流检测芯片INA282,是一款高精度、宽共模范围、双向电流并联监视器。不过电阻在大电流通过时发热造成阻值升高均会使结果出现误差。方案二:使用运算计放大器采样。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。综合考虑电流采样选用LM358 芯片1.5控制系统的论证与选择方案一:STC89C52。传统的51单片机为8位单片机,价格便宜,控制简单,但是处理速度较慢,片内资源少,存储容量小,难以存储大体积的程序和快

10、速计算。并且I/O口资源偏少,扩展起来也较为麻烦。ADC精度达不到我们想要的结果。方案二:STM32F103。STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC(精简指令集)处理器,具有执行代码效率高,外设资源丰富等众多优点。该系列微处理器工作频率设定在72MHZ,具有执行代码效率高,外设资源丰富等众多优点。综合考虑采用STM32F103系列芯片1.6无线模块的论证与选择方案一:基于蓝牙传输的无线模块采用无线数据采集传输蓝牙模块,蓝牙模块具有功耗低,可靠性高和高安全性的优点,可以用作无线数据传输系统的数据收发端。2系统理论分析与计算2.1 BUCK电路的分析 2

11、.1.1 占空比根据BUCK电路的特性可以得出:Uo=D*Uin;我们可以计算得出,占空比D=Uo/Uin=60%。2.1.2 电感通过buck电路结构和原理分析可以得到电感的计算公式为: 其中Dmax为Buck电路最大占空比,k:0.05 0.1,fs为开关管的开关频率,Imax为最大输出电流,Ui为输入电压。2.1.3 电容而关于滤波电容的选择,电容需要滤掉主要的开关纹波,选择电容C足够大,以使开关频率时的电容值阻抗远小于负载阻抗R,因此几乎所有的电感电流纹波流经电容,而流经负载电阻阻抗R的纹波非常小,电容电流波形ic(t)等于电感电流波形去掉直流成分后的交流成分。输出滤波电容的选取决定了

12、输出纹波电压,纹波电压与电容的等效的串联电阻ESR有关,电容的纹波电流要大于电路中的纹波电流。这里选取两个470uf/35V的电容并联,这样就可以降低了等效的串联电阻。2.2 驱动电路的计算 2.2.1 自举电容的选取下列公式列出了自举电容应该提供的最小电荷要求:其中: Qg:高端器件栅极电荷 f: 工作频率Icbs(leak):自举电容漏电流Iqbs :高端驱动电路静态电流。 Qls:每个周期内,电平转换电路中的电荷要求500V/600V IC 为 5nc 1200V IC 为 20nc自举电容必须能够提供这些电荷,并且保持其电压。否则 Vbs 将会有很大的电压纹波,并且可能会低于欠压值 V

13、bsuv,使高端无输出并停止工作。因此Cbs电容的电荷应是最小值的二倍,最小电容值可以由下式计算:其中:Vf :自举二极管正向压降VLS:低端器件压降或高端负载压降由上式计算的 Cbs 电容值是最小的要求,由于自举电路的固有工作原理,低容值可能引起过充电,从而导致 IC 损坏。为了避免过充电和进一步减小Vbs纹波,由上式计算的容值应乘一个系数 15。2.2.2 自举二极管的选取在高端器件开通时,自举二极管必须能够阻止高压,并且应是快恢复二极管,以减小从自举电容向电源 Vcc 的回馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时,高温反向漏电流指标也很重要。二极管的额定电流值式(1)和工作频率的乘积得到。其中

14、:二极管特性VRRM=功率端电压最大 trr = 100nsI F = Qbs f由上式计算得知,自举电容C=0.22uF,自举二极管选取快恢复二极管HER308。2.3 电流采样电路的计算采样电阻为0.02R,对于STM32的ADC采样来说,就算电流达到了2A,那么采集到康铜丝的电压才0.04V,ADC精度是达不到的,所以电流采集我们采用运放构成差动放大电路对采样信号进行放大, 然后通过软件来处理电压到电流的转换关系。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3.1.1所示,BUCK同步整流UoutUin12VMOS管驱动电路采样电路控制系统电源3.3V3.3VS

15、TM32控制电路电压、电流无线通信无线模块图3.1.1 系统总体框图3.1.4电源控制系统的电源是由LM2596 DC-DC模块经过降压给STM32F103和蓝牙模块提供3.3V的电压,给驱动芯片提供12.0V的电压。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述软件部分分为电源控制端和手机APP端。控制端选用STM32F103系列控制芯片,控制端做好PWM、定时器、ADC、蓝牙等初始化后,等待手机端APP通过蓝牙进行连接通讯。在手机端发出开始工作命令后,开始ADC采样,一路ADC采集输出端电压,另两路ADC通过采集康铜丝两端电压做差后转化为输出端电流数据。通过PID控制算法将输出端电压Pv和设定电压Sv传入PID算法进行相应算法处理,最终来控制

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