畢業設計說明書第I頁基于ARM的Buck變換器制作摘要電子技術近年來發展迅猛，直流開關電源廣泛應用于個人計算機、電信通信、電力系統、航空航天和生物醫療等領域，對開關電源的性能、功率密度、工作效率和可靠性都提出了更高的要求。BUCK變換器在電池供電的計算機，消費類產品等需多電源供電的電子系統中有著廣泛的應用，小型化成為必然的要求。本文對Buck變換器的整體電路和硬件電路進行了討論。首先，對Buck變換器的背景，發展狀況進行闡述。其次，對Buck變換器的硬件設計進行了介紹，STM32處理器的簡介和內部主要結構介紹，還有對變換器中的主要電路進行介紹，功率及驅動電路、電源電路、保護電路、軟開關電路及控制、電流傳感器的電路原理。再次，對整體電路進行一些簡單的描述。最后，在附錄中，本文還將給出一些必要的系統設計資料，供參考之用。關鍵詞：Buck變換器，STM32處理器，硬件電路，整體電路畢業設計說明書第II頁BasedonthearmofthechangesmadeabuckAbstractElectronictechnologydevelopmentinrecentyears,thedcpowersupplyhasthewideapplicationinpersonalcomputersandtelecomcommunications,theelectricalsystem,airspaceandbiologicalandmedicalfields,switchingpowersuppliesofpower,performance,efficiencyandreliabilityhavemadeahigherdemands.Buckchangeinthebatterypowerofcomputer,andmanyconsumerproductshavethepowersupplyofelectronicsystemsarewidelyused,advocatesmall-sizebecomeinevitable.Tobuckthistransformationoftheelectricalcircuitsandhardwarecircuitdiscussed.First,bucktochangethebackgroundanddevelopmentinthepaper.Secondly,thebuckfromthehardwaredesign,stm32processors,andinternalstructure,andtointroducemajorchangesinthemaincircuitstointroduce,poweranddrivencircuit,powersupplycircuits,theprotectioncircuitandtheelectricalandcontrol,theprincipleofthecircuit.currentsensors.Thirdly,thecircuittomakesomebriefdescription.Finally,intheannex,thiswillalsogivesomenecessarysystemdesign,dataforreferenceonly.Keywords:Buckchanges,hardwarecircuitstm32processor,thecircuit畢業設計說明書第III頁目錄1緒論.11.1課題背景介紹.11.2課題研究狀況.11.3課題研究方法.22STM32處理器.32.1STM32處理器介紹.32.2高級控制定時器(TIM1).42.2.1簡介.42.2.2主要特性.42.3通用定時器(TIMx).52.3.1概述.52.3.2主要特性.52.3.3功能描述.62.4模擬/數字轉換(ADC).72.4.1介紹.72.4.2主要特征.72.4.3引腳描述.82.4.4功能描述.93系統硬件設計.113.1Buck電路的開關過程分析.113.2功率及驅動電路設計.123.2.1IR2110簡介.123.2.2IR2110內部結構和特點.123.3電源電路及保護電路設計.13畢業設計說明書第IV頁3.3.1電源電路設計.143.3.2保護電路設計.143.4軟開關電路及控制電路設計.183.5電流傳感器的電路設計.213.5.1電流傳感器的介紹.213.5.2工作原理.213.5.3模擬霍爾傳感器SS495介紹.22結論.25致謝.26參考文獻.27附錄Buck變換器硬件電路圖.28畢業設計說明書第1頁1緒論1.1課題背景介紹開關電源技術的發展、應用領域的擴大，別是近幾年便攜式電子產品的飛速發展，使高效率、高可靠性、高精度、高功率密度成為開關電源的發展方向，對集成電路設計提出了挑戰。當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星計劃規定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。1.2課題研究狀況近30年來，開關型功率調節器已經發展成輕型、高效的直流電源。在各類Buck變換器中。PWM型DCDC變換器結構種類多，發展快，術領先，于實現，成為最大的一類。目前，無論在電力電子，還是在控制領域中，IMDCDC變換器都是研究的熱點。畢業設計說明書第2頁PWM型變換器中。率器件工作在開關狀態,著開關頻率的提高,常用的理想元件級模型進行仿真,需要的仿真時間會增加，至在諸如諧振變換器等場合會導致仿真不收斂。由于種種限制,在DCDC變換器的控制方面只是最近幾年才有了較為集中的研究,且由于DCDC變換器的精確模型較難建立,傳統的控制方法較難得到好的控制特性。隨著微電子技術，現代控制理論以及EDA技術等領域的飛速發展，越多的先進控制方法被用來控制DCDC變換器,大的改善了其性能。對這些先進控制方法的仿真具有重要的現實意義。1.3課題研究方法本文主要研究Buck變換器的硬件電路部分，硬件電路主要是由STM32處理器和一些電路組成，這些電路包括：功率及驅動電路，電源電路及保護電路，軟開關電路及控制，電流傳感器。然后對Buck的整體電路在進行研究和討論。1.4整體框圖畢業設計說明書第3頁2STM32處理器2.1STM32處理器介紹微控制器全球領導廠商意法半導體宣布最新的STM32互聯系列(ConnectivityLine)微控制器已全面投產，基于ARMCortex(tm)-M3處理器的這款新產品如預期準時上市。STM32互聯系列讓設計人員可以在同時需要以太網、USB、CAN和音頻級12S接口的產品設計中發揮工業標準的32位微處理器的優異性能。目前互聯系列下設兩個產品系列：STM32F105和STM32F107。STM32F1O5系列集成一個全速USB20HostDeviceOTG接口和兩個具有先進過濾功能的CAN2.0控制器；STM32F107系列則在STM32F1O5系列基礎增加一個10100以太網媒體訪問控制器(MAC)，以完整的硬件支持IEEE1588精確時間協議，使設計人員能夠為實時應用開發以太網連接功能。內置專用緩存讓USBOTG、兩CAN控制器和以太網接口同時工作，以滿足通信網關應用的需求，以及各種需要靈活的工業標準連接功能的挑戰性需求。兩個系列產品都支持音頻級l2S通信，配合USBhost；F口SPI功能讓微控制器可以讀取USB大容量外存、MP3播放器或SD記憶卡等外存中的音頻文件，并通過12接口進行音頻解碼和輸出。這些功能是家庭音響設備的必備功能，如音響底座系統、鬧鐘音樂播放器和家庭影院。ARMCortexM3出色的處理性能讓開發人員可以用軟件實現重要的功能(如語音編解碼)和人機接口功能(如顯示數據處理、播放和停止按鈕)，從而節省外部元器件。“我們在使用ARMCortexM3內核方面積累了大量的技術知識，可以迅速地推出新產品，在一個工業標準內核上實現高能效運行、優異的實時性能和創新的共享外設，”意法半導體微控制器產品部總經理JimNicholas表示，“目前量產中的四個STM32系列產品，以及一個正在開發的超低功耗STM32L微控制器平臺,還有更多規劃中的創新產品，我們可靠的產品開發藍圖使我們的客戶能夠鎖定現有市場并掌握新興市場機會。”STM32互聯系列由72MHz微控制器組成，能夠滿足網絡連接、數據記錄、USB畢業設計說明書第4頁連接和外設擴展或現場升級等需求，可用于以工業、醫療、家電、消費電子和物業服務為目標用的產品，如電力線通信(PLC)、電機控制、病人監控、家庭音響、保安系統、電表控制面板。目前STM32系列共有70款產品在產，36MHz到72MHz的產品在軟件和引腳上相互兼容，提供多種共用外設選擇，以滿足多元化的應用需求，共計八種封裝選擇，片上閃存密度從16K到512KB。內置64KB、128KB或256KB閃存的STM32F105和內置128K或256KB閃存的STM32F107立即上市，這兩個系列產品采用LQFP64或LQFP100封裝。2.2高級控制定時器(TIM1)2.2.1簡介高級控制定時器(TIM1)由一個16位的自動裝載計數器組成，它由一個可編程預分頻器驅動。它適合多種用途，包含測量輸入信號的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產生輸出波形(輸出比較，PWM，嵌入死區時間的互補PWM)。使用定時器預分頻器和RCC時鐘控制預分頻器，可以實現脈沖寬度和波形周期從幾個微秒到幾個毫秒的調節。高級控制(TIM1)和通用(TIMx)定時器是完全獨立的，它們不共享任何資源。2.2.2主要特性TIM1定時器的功能包括：16位上，下，上/下自動裝載計數器16位可編程預分頻器，計數器時鐘頻率的分頻系數為165535之間的任意數值4個獨立通道：輸入捕獲；輸出比較；PWM生成(邊緣或中間對齊模式)；單脈沖模式輸出；死區時間可編程的互補輸出；使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路；畢業設計說明書第5頁在指定數目的計數器周期之后更新定時器寄存器；剎車輸入信號可以將定時器輸出信號置于復位狀態或者一個已知狀態。如下事件發生時產生中斷/DMA：更新：計數器向上溢出/向下溢出，計數器初始化(通過軟件或者內部/外部觸發)；觸發事件(計數器啟動，停止，初始化或者由內部/外部觸發計數)；輸入捕獲；輸出比較；剎車信號輸入。2.3通用定時器(TIMx)2.3.1概述通用定時器是一個通過可編程預分頻器驅動的16位自動裝載計數器構成。它適用于多種場合，包括測量輸入信號的脈沖長度(輸入采集)或者產生輸出波形(輸出