一种低成本高精度直流可调功率电源设计

田璐羽 蒋佳妮 王哲涵 夏鲲

（上海理工大学 上海市 200093）

开关模式电源(Switch Mode Power Supply, SMPS)因其功耗小、效率高、稳压范围宽等优点广泛应用于通讯设备、电力设备以及自动化控制等领域。数字化技术在开关电源中的应用越来越广泛，成为开关电源的发展趋势之一[1]。许多小型电气设备的开发过程中都需要用到不同类型的测试电源，如小型锂电池，常需要测试其在稳流、稳功率条件下的工作特性。其中，稳流技术已经趋于成熟，然而稳功率开关电源方面的研究较少，却存在一定的使用需求。现有的开关变换器能实现输出电压、电流稳定可调，多路负载并联条件下电流配比可调等功能，但负载端功率受负载影响较大且调节复杂。另外，功率可调节电源多为交流调功拓扑[2]，直流调功电源较少且输出稳定性较差，该领域相关研究有所欠缺。

因此，本文设计了一种可调节功率的直流稳功率电源，可以利用红外遥控预置期望输出的功率值，在Buck 电路输出电压不变的情况下通过消耗电路分压，从而减小负载端输出功率，达到直流调功的目的。利用比例积分微分控制算法(Proportional-Integral-Derivative Control, PID)调节脉冲宽度调制信号(Pulse Width Modulation, PWM)的输出占空比调节开关电路MOSFET 管的开关频率，并采用STM32 主控芯片对输出电压、电流进行双闭环控制，实现输出功率稳定可调。系统调节精度高，成本较低，具有良好的实用价值。

1 系统总体方案

STM32F103ZET6 为ARM 公司的微控制器，有着良好的性能，其核心处理器为Cortex-M3 ™，速度高达72MHz，共有144 个引脚、112 个GPIO 口、8 个16 位定时器、3 个12 位21 通道ADC 转换单元。由于其运行速度快、功耗低、拥有丰富的外设资源[3][4]，在电子设计领域中被广泛使用。

因此，系统采用ARM 公司STM32F103ZET6 为控制芯片，使用红外遥控器选择输出功率预设值2～10W、斩波电路输出电压预设值30V，利用STM32 内部ADC 转换单元对斩波电路输出电压进行采样，将电压采样值与预设值进行比较，改变PWM 波频率控制MOSFET 管的开关频率，稳定斩波电路输出电压。同样，采样负载电压电流值，计算得到输出功率实际值，并将输出功率实际值和预设值比较，当两者存在误差时通过主控芯片控制继电器，改变消耗电路，调节输出功率。

2 系统硬件电路设计

2.1 总体硬件方案

系统硬件由整流部分、DC-DC 降压斩波部分、消耗电路部分、电压电流检测部分、主控电路部分、供电模块组成。图1 为总体硬件框图。

市电220V 经隔离变压器隔离和整流桥整流后得到198V 的直流电。该直流电经Buck 电路进行降压斩波，得到30V 的输出电压。此30V 的直流电也作为主控电路的供电电压。由继电器控制串联接入主电路的消耗电路电阻值。

2.2 整流部分

直接采用不控整流桥堆KBPC1510，耐压1000V，可以满足本系统的基本要求。原理简单，器件使用方便，整流效率高且损耗较小，成本更低。

2.3 DC-DC降压斩波

斩波部分采用降压型Buck 电路，电路拓扑如图2 所示。其原理是电路中的MOSFET 管周期性导通与关断使电路正常工作，其中电感L 与电容C 不断进行充放电，最终在负载上得到降压后的输出电压[5]。

主控芯片产生PWM 信号并经驱动电路驱动MOSFET 管[6]通断，控制输出电压。输出电压平均值与输入电压关系如式（1）所示，其中Uz为斩波电路输出电压，D 为PWM 占空比，Ud为整流输出电压。

MOSFET 管的驱动电路采用驱动芯片UCC27324DR，输出电流4A。主控芯片发出的PWM 信号经驱动芯片输出，将正向电压加至MOSFET 管栅源极，实现通断控制。

2.4 消耗电路部分

消耗电路为串接在电路负载端的一系列电阻，由继电器开合控制其接入的电阻阻值，实现功率有级调节，阻值范围为16～75Ω。STM32 主控芯片发出控制信号控制继电器，当继电器闭合时接入电路的阻值减一，反之加一。图2 为继电器外围电路。

2.5 主控电路及电压电流检测模块

系统采用ARM 公司生产的STM32F103ZET6 作为主控芯片，并搭建了STM32 最小系统。外围电路设计有红外接收头、LCD 显示屏、按键复位电路。

图1：系统总体硬件方案

图2：继电器外围电路

图3：负载电压检测电路

图4：系统供电框图

图5：系统总体软件设计

电流检测电路采用ACS712ELCTR-05B-T 电流传感器，对负载电流io进行检测。该电流传感器对输入电流的检测范围为-5～5A，灵敏度为185mV/A。负载电流经电流检测电路后得到转换电压Uior，之后经过同相比例运算放大器进行隔离与幅值放大，放大倍数为10 倍。放大后的电压接入STM32 芯片自带ADC，该ADC 输入范围为0～3.3V。

电压检测电路由斩波电路输出电压检测与负载电压检测组成。斩波电路输出电压检测采用并联在斩波输出端的支路电阻Rz及电流传感器组成。通过检测流经支路电阻的电流Iz，利用欧姆定律得出斩波电路输出电压Uz。同理，Iz经电流传感器得到转换后的电压Ur，经运放比例放大20 倍后得到接入ADC 的反馈电压Uizr。计算过程如式（2）、（3）、（4）所示。

图6：系统软件流程图

因此得到反馈电压Uizr与斩波电路输出电压Uz的关系式。如式（5）所示，其中Rz为支路限流电阻。

负载电压检测电路采用两个串联比例运算放大器，负载输出电压Vo经运放缩小5 倍得到输出Vr，Vr接入主控电路的ADC 进行负载电压采样。其中一阶运放U12 比例系数为1，起到隔离、反向的作用。如图3 为负载电压检测电路的拓扑结构。

2.6 供电部分

本系统需要对MCU 主控芯片、斩波电路、检测电路等部分进行供电。选用以ME6203A50M3G 线性稳压器、XC6206P332MR 线性稳压器为主的电路作为辅助电源。图7 为系统的供电框图。

3 系统软件程序设计

3.1 PID控制算法

本系统中PID 控制算法主要用于斩波电路稳压环节中，根据其输出电压偏差值计算所需控制量，由软件实现控制量对PWM 输出占空比的调整，并通过STM32 芯片IO 口输出，控制MOSFET 管的开关频率，从而实现斩波电路的电压闭环[7]。式（3）为根据增量式PID 算法得到控制增量的计算公式。

其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e(n)为当前时刻电压值，为当前电压误差， 为前一时刻电压误差。

3.2 滤波算法

除去硬件RC 滤波外，系统加入了软件滤波以提高采样精度。考虑到传统的软件滤波算法如采样多次取平均值会占用主控芯片的存储空间，而数字滤波算法可以良好抑制周期干扰，同时能够节省RAM 空间。因此，利用数字滤波技术对ADC 采集到的数据进行预处理。一阶低通滤波算法的公式如式（4）所示[8]。

表1：测试结果记录

其中，Y(n)为当前滤波输出值，Y(n-1)为上一次滤波输出值，a 为滤波系数，X(n)为当前采样值。

3.3 设计思路及流程图

显示屏实时显示系统当前斩波电路输出电压、输出功率的实际值。主控板上装有红外接收头，通过红外遥控设置输出功率的预定值，将数据存入主控芯片的存储单元中。利用STM32 芯片自带的ADC 模数转换对输出电压进行采样，数据存入存储单元集中处理。如图5 为系统总体软件设计。

上电后进行定时器、IO 口等寄存器、显示、PWM 等的参数初始化。输出闭环处于关闭状态，初始占空比0.15。控制频率20kHz，每次进入PWM 中断后对电压、电流值进行采样，主控芯片对采集到的数据进行处理，利用PID 算法计算并调整PWM 输出占空比，稳定斩波电路输出电压，同时计算出负载上的实际输出功率，如果计算值与预定值存在一定范围的偏差，则调整消耗电路，芯片发出信号控制继电器开合。若计算值大于预定值，则增加消耗电路串联电阻个数，减小负载上的输出功率；反之，减小消耗电路串联电阻个数。当计算值与预定值间的误差小于设定死区范围时，不做调整，以保证输出值的稳定性[9]。

此外，系统软件设置有过压保护、过流保护。当检测到的电压、电流值超过限定值时，开启保护即由软件控制关闭输出。系统程序流程图如图6 所示。

3.4 部分程序说明

系统程序模块主要分为初始化程序、主控制程序、ADC 检测程序、过压过流保护程序、显示与红外程序。现就主控制程序中功率调节、电压闭环、过压过流保护进行说明。

3.4.1 功率调节

程序中设置I/O 口输出数组，长度为60，分别对应着0～59 个继电器闭合时的GPIO 口输出情况。将数组元素值赋给GPIO 口相应寄存器，通过指针指向数组元素的移动来改变GPIO 输出值，继而控制继电器开合，改变消耗电路。当功率采样值与限定值间的误差大于一定范围后，再进行功率调节。

3.4.2 电压闭环

程序中将电压采样值与预设值进行比对，并设置了死区范围。同功率调节类似，当采样值与预设值间误差大于死区范围值时，才进行PWM 占空比的调整。程序中限定PWM 占空比D 的范围为0.05～0.95，初始值设定为D=0.15。限定范围与死区范围可通过程序更改。

3.4.3 过压过流保护

程序限定了系统电压、电流的最大值，当检测值超过限定值时，关闭所有I/O 口输出，关闭电压闭环。即关闭总输出。限定值可通过程序更改。

4 测试方案与测试结果

测试条件：市电220V 电源、220:220 隔离变压器一台、FLUKE NORMA 4000CN 功率分析仪一台、1～100Ω 滑动变阻器一台、TEKTRONIX MD04054C 示波器一台。

如表1 所示，由实验结果可知，输出电压电流基本稳定，电压纹波很小。负载端功率平均值稳定在预设值附近，功率波动稳定于2%以内，误差较小。证明系统能够较好地实现直流输出功率的稳定。

5 结论

本文提出了一种可调功率的直流稳功率电源。由测试结果可知，该电源输出功率稳定，偏差较小，能够实现在负载5～20Ω 范围内功率可调节，可调范围为2～10W。通过STM32 主控芯片控制电路输出，用户可通过红外遥控设置输出功率的预定值，LCD 显示屏显示输出功率预定值及当前输出的电压、电流及功率检测值。相比传统的开关变换器，本系统实现了输出功率实时检测、精确调整，稳定性更高且成本较低，具有良好的工程应用前景。