基于STM32微控制器控制的可調開關電源設計摘要開關電源作為一種新型電源，由于其小型、輕便及效率高等優點被廣泛應用于以電子計算機為主導的電子設備中，成為當今科技發展不可或缺的電源方式。本系統是基于STM32微控制器控制的開關電源。系統由單片機模塊、BUCK-BOOST開關電源模塊、信號采集模塊、輸出電壓控制模塊等組成。以STM32微控制器為核心，實現輸出電壓控制，電源參數采集顯示等功能。電源芯片采用TPS63020，產生可升可降的輸出電壓。調理模塊由差分放大、電壓跟隨、模擬開關等電路組成，完成信號放大、衰減、變換等功能。系統不僅可以支持常用電壓的轉換，輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓支持范圍為1.5V至5.5V，輸出電流支持范圍為0到500mA，還可以在TFT屏上面實時顯示電壓、輸出電流和輸出功率值。系統輸出電壓穩定，性能優良、成本低，可以在未來的科技發展中為電子設備提供優秀的電源方式。關鍵字:BUCK-BOOST開關電源；單片機；數據采集；自動升降壓目錄TOC\o"1-3"\h\u254541前言 前言選題背景與意義21世紀隨著科技的高速發展，電子信息技術的創新也帶來了各類電子產品的升級換代，使人們的生活更加便利。而這些電子產品的工作都少不了電源的參與。常見的電源有線性電源和開關電源[1]。線性電源體積大，穩定性好，輸出范圍小，適用在一些特定場合。而市面上使用最多的是開關電源。開關電源最早是利用在火箭技術上，經過幾十年的發展與創新，出現許多類型的開關電源，主要分為模擬開關開關電源和數字開關電源。它們有著體積小，效率高，輸出范圍廣，穩定性好等特點慢慢成為電子設備的主流電源選擇，尤其是高頻開關電源在開關電源中得到最好的發展，得到了最為廣泛的應用。不同種類的開關電源也在不同的場景中發揮著各自重要的作用。如今的時代趨勢是向數字化靠攏，開關電源也是如此。目前的開關電源主要是單電壓輸出，在現代科技產品開發過程中逐漸暴露出許多不足，特別是對大范圍輸出的要求。此時，基于計算機控制的開關電源顯示出其優越性。可靈活控制，實現寬電壓、寬電流的調節和輸出。因此有必要學習基于單片機的開關電源的相關知識[2]。系統設計可以實現的功能如下：通過單片機控制數字電位器的電阻值，穩定輸出1.5v-5.5v的直流電壓，輸出電流的最大值為500mA。單片機可以實時顯示電源的電壓、電流和輸出功率值。主要研究內容本論文對于整個系統所實現功能的模塊進行對比論證，選擇一個合適我們系統的方案，然后再整合以確定最終的方案。然后對系統具體的硬件電路和程序進行設計。最后對所搭好的系統進行功能測試，對于誤差和出現的問題進行分析和解決；并對此系統提出改進方案。

2方案論證及選擇2.1開關電源方案一、選取LM5175芯片，輸入電壓范圍和輸出范圍都比較靈活，它可以使輸出電壓等于輸入電壓，高于輸入電壓或低于輸入電壓。它在buck和boost模式下都采用電流模式控制，以提供良好的負載和線路調節性能[3]。但是LM5175只是控制器；輸出電流能力依賴外接MOSFET,并且外圍電路比較復雜，系統要求盡可能搭建簡易電路，并且該芯片價格較為昂貴，成本高，不適應于本系統。方案二、選取TPS63020，輸入電壓范圍和輸出電壓范圍也很靈活。它工作在一個固定的頻率，并在整個負載范圍內具有高效率[4]。輸出電壓可通過外部電位計編程，在負載電流較低的情況下，該轉換器會進入節能模式，并且它使用起來簡單，外圍電路較LM5175相比來說使用起來簡單，芯片成本也比較低，性價比也較高。綜上所述，基于對成本和可行性上考慮，選取方案二。2.2信號采集電路方案一、對于輸入電壓采集端，因為AD電壓采集的范圍是0-3.3V，輸入電壓的最大值超過了可采集的最大值，所以在輸入端利用采樣電阻，對輸入電壓進行分壓，然后經過一個電壓隨器，得到AD可采集的電壓值；輸出電壓采集端與輸入電壓采集端使用的方法一樣；輸出電流，利用通過改變電子負載，使得采樣電阻兩端的電壓發生變化，由歐姆定律可得輸出電流，然后利用電壓跟隨器與STM32的12位ADC相連，然后利用STM32單片機進行最后的數據處理及顯示。方案二、此方案與方案一的不同點在于輸出電流采集電路，主要是采用AD620儀表放大器和CD4052模擬開關，雖然AD采集的范圍是0-3.3V，理論上這個范圍的電壓值都可以采集，但是對于幅值很小的直流信號來說，AD數據直接采集完然后進行處理，得到的數據存在著很大的誤差，因為幅值很小，極易受到外界無用信號的干擾；所以對于小幅值和大幅值的直流信號來說，采用CD4052程控開關將它們區分開。對于小幅值的直流信號，可以利用AD620儀表放大器將采樣電阻兩端的電壓放大，然后經過一個電壓跟隨器再由AD進行采集；而對于大幅值的直流信號，可直接經過一個電壓跟隨后再由AD進行數據采集。綜上所述，使用模擬開關芯片可以有效的將小幅值和大幅值的直流信號區分開，并且小幅值的直流信號可以經過放大從而更好的被AD采集，相比方案一避免了采集時的誤差，所以選取了方案二。2.3電壓輸出控制電路方案一、X9015US8是intersil公司生產的易失性32抽頭數字電位器，該器件由31個電阻串聯組成，可以串聯編程為將RW/VW抽頭輸出與以下任何一個連接電阻之間的節點相連。有10kΩ、50kΩ和100kΩ三種阻值選擇，支持2.7-5V供電，與單片機利用I2C進行通信，外圍電路簡易。但是本系統的要求是斷電后重新上電，輸出電壓保持和斷電前一致，但是X9015US8在斷電后重新上電，抽頭會自動回到中間阻值，無法輸出和斷電前一致的電壓，需要重新設置，所以不滿足系統要求。方案二、X9315UM8I是intersil公司生產的非易失性32抽頭電位器，它串聯電阻數、阻值選擇及供電方式和X9015US8一致，并且外圍電路簡易、與單片機也是利用I2C進行通信。但是這款芯片在斷電后會自動保存抽頭位置，重新上電后可以輸出斷電前的電壓，使得系統上電后可以直接工作。綜上所述，選取方案二。2.4AD采集方案一、采用51單片機加ADC0804。51單片機本身沒有內置AD，所以需要外置AD采集模塊。ADC0804是一款8位采用逐次采樣的集成A/D轉換器，ADC0804負責采集采樣電阻兩端的電壓值，送入51單片機進行數據處理，在液晶屏上顯示。需要單獨為ADC0804進行編程，并且需要外接。方案二、采用STM32。STM32內部擁有2個獨立的12位器A/D轉換器，可以獨立采集18個不同的信號，可以通過GPIO的方式采集16路外部電壓和2路內部的信號源，每個通道的A/D轉換可以在單個、連續、掃描或間歇模式下實現。并且不需要任何外接電路，直接調用內部函數，即可使用。綜上所述，STM32相比51單片機來說，省去了外接ADC電路，并且也不需要額外的編程，節約了成本，并且可靠性和精度都比較高，所以選擇方案二。3系統介紹與硬件電路設計系統總體框架如圖3-1所示。它主要由開關電源、信號采集電路、電壓輸出控制電路和STM32單片機組成。圖3-1系統總體框圖圖3-1所示，開關電源模塊由TPS63020設計而來，利用STM32單片機控制數字電位器來實現不同電壓的輸出，直流信號采集電路控制輸入輸出電壓和采樣電阻兩端電壓，STM32對經采集電路處理后輸出的輸入電壓、輸出電壓以及輸出電流進行采集并處理。3.1開關電源電路設計開關電源模塊是整個系統的核心[5]。它的性能和穩定性隨時都會影響系統，在設計過程中要想到可能會出現的問題，并將其解決。開關電源模塊如圖3-2所示。圖3-2電源模塊電路原理圖本電路是由buck-boost芯片TPS63020芯片組成，輸入電壓范圍為1.8V-5.5V，可調節輸出電壓范圍為1.2V-5.5,輸出電流最大可達2A，效率最高可以達到96%（輸出輸入壓差越小效率越高）。該器件的靜態電流小于50ua，用于改善低輸出功率效率的節能模式。2.4MHz強制固定工作頻率可實現同步，具有超溫、過壓保護功能。其穩定性好，電路結構簡單，使用便捷等諸多優點。本開關電源模塊采用可變電源供電，通過電路上的電位器調整準確輸出1.5V-5.5V直流電壓且精度很高。設計電位器RW2，可以讓電路處于升壓或降壓狀態，應對不同的使用場景；因為TPS63020變換器內部有內環補償，所以外部電感器必須選擇輸出電容器與內部補償一起工作。存在一個電感值的低限值，以避免由電流引起的次諧波振蕩導致感應器電流上升太快，所以根據芯片手冊上的推薦，電感器選擇1uH；輸出端加上D3發光二極管，判斷電路是否正常工作；輸入端，使用100uF來改善調節器的線路瞬態特性和電磁干擾特性，并且為了確保內部控制電路穩定的低噪聲電源電壓，在輸入端并聯22uF電容與2.2uF的陶瓷電容；輸出端，使用2個22uF大電容電容與2.2uF的陶瓷電容的組合，大電容會導致較低的輸出電壓紋波及在負載瞬態期間有較低的輸出電壓降，陶瓷電容可以減小整體電路的ESR。3.2信號采集電路設計3.2.1程控模擬開關電路設計CD4052是一個差分4通道模擬開關，具有A和B兩個二進制控制輸入。它具有低阻抗和低截止泄漏電流的特點。根據系統要求，采用CD4052模擬開關來完成對大小直流信號通道切換，通過芯片A、B引腳連接單片機GPIO口進行程序控制，單片機改變A、B引腳的電平而切換至不同的信號通道，對應關系如表3-1所示[6]。表3-1控制狀態和通道通斷關系A狀態B狀態大直流信號小直流信號00開啟關閉01關閉開啟圖3-3程控模擬開關電路原理圖3.2.2衰減跟隨電路設計采用大電阻分壓外加運放跟隨組成衰減器。通過分壓公式，它也能將直流電壓值衰減到一定的值，使用方法比較簡單，使用的物料比較少，同時利用一個運放實現了跟隨，避免了AD采集采集時前級影響后級的情況，確保了直流信號的完整性。衰減跟隨器電路圖如圖3-4所示。圖3-4衰減跟隨電路原理圖3.2.3儀表差分放大器電路設計如圖3-5所示為儀表差分放大電路，采用AD620儀表放大器芯片。實現放大采樣電阻Rs兩端的電壓信號的功能，由于采樣電阻兩端的電壓有時候會出現低于20mV的情況，所以需要低噪聲的放大器。該儀表放大器噪聲低，并且具有極高的KCMRR（共模抑制比）[7]。采用差分結構可以準確采集采樣電阻R兩端的電壓并將其放大，放大倍數設置為100倍，并采用+12V電壓供電，用在本系統上是足夠的。圖3-5儀表差分放大器電路原理圖3.3電壓輸出控制電路設計圖3-6是電壓輸出控制電路。采用intersil公司生產的X9315UM8I數字電位器。將數字電位器的阻值設為100kΩ，輸入5V電源，將RH和RW引腳接入開關電源電路中，連接STM32，利用矩陣鍵盤對數字電位器的阻值進行改變，實現不同電壓的穩定輸出。圖3-6電壓輸出控制電路原理圖3.4STM32單片機控制電路設計系統功能的實現和操作是由STM32單片機來實現的，其使用5V-1A電源供電。此單片機主要模塊如圖3-7-1所示。設計單片機使用的電源電路時，我們要關注所需電源產生的紋波對整體系統的影響，電路如圖3-7-2所示[8]。濾波電路部分，分布在芯片的每個模擬電路引腳和數字電源引腳，布板時需要盡量靠近芯片電源引腳，避免產生電磁效應，抵消了電容的濾波效果，濾波電路如圖3-7-3所示。復位電路部分，NRST低電平有效，按鍵按下瞬間電容釋放，電平拉低，開啟復位，釋放按鍵，電容充電至飽和，NRST端口電平重新拉升，高電平無效，不執行復位操作，電路如圖3-7-4所示[9]。按鍵電路部分，采用4x4矩陣鍵盤，當按鍵沒有按下時，CPU對應的I/O口與地之間沒有導通，CPU對應的I/O接口外有上拉電阻，輸入接口高電平；當按下按鈕時，CPU的I/O口與地導通，I/O口電平被地拉低。所以只要讀取I/O口的狀態，即可知道按鍵是否有被按下，通過按16個不同的按鍵，即可得到不同的輸出電壓。電路如圖3-7-5所示。時鐘電路部分，STM32103VCTT6電路設計不僅支持片內的8MHz作為時鐘源，還支持從外界輸入的8MHz晶振。C3_1和C3_2為起振電容，時鐘電路如圖3-7-6所示[10]。圖3-7-1單片機最小系統電路圖3-7-2USB接口和供電電源電路圖3-7-3電源濾波電路圖3-7-4復位及下載端口電路圖3-7-5矩陣鍵盤電路圖3-7-6時鐘電路TFT液晶模塊用于顯示測得的開關電源參數，其原理圖如圖3-7-7所示。圖3-7-7液晶顯示電路

4系統軟件設計本系統的軟件設計為：基于stm32的自動升降壓可調電源設計。軟件設計使用keilc51軟件。4.1主程序設計主程序可以分成三個部分，分別分為外設初始化、信號采集、按鍵控制電壓輸出。外設初始化主要是對系統中需要用的外設資源進行初始化設置。信號采集部分是對開關電源輸入輸出的電壓進行采集。在采集小幅值的電壓時，利用一個AD620差分放大器將相應的電壓進行放大，然后再進行采集，最后再將采集的數據送入STM32進行數據處理然后對于的參數在液晶屏上顯示[11]。按鍵控制電壓輸出部門是利用按鍵改變數字電位器的阻值，使電源輸出穩定。圖4-1為系統的主程序流程圖。圖4-1自動升降壓可調電源程序主流程圖系統初始化：液晶、端口、A/D轉換、鍵盤等外設初始化。顯示提示信息：顯示系統具體參數和操作方法。功能實現：系統默認打開測試功能，當輸入輸出端接入GPIO口，即可顯示具體參數值。4.2ADC程序設計STM32F103內部含有2個獨立的12位模擬數字轉換器。因為STM32的晶振為14MHz，而ADC的時鐘不能超過14MHz，所以在打開ADC時鐘后，設置ADC時鐘為系統時鐘的6分頻[12]。首先先對ADC的輸入引腳進行配置，并對ADC在DMA通道也進行配置。ADC有多種觸發采集方式，本程序采用的是定時器觸發方式，定時器觸發先設定一個時間長度，定時器時間到，就控制啟動一次AD轉換，還需要配合DMA通道來聯系傳遞數據。ADC有分規則組采樣和注入組以及單通道采樣，根據要求，選擇了規則組采樣，并且對通道進行配置。ADC在使用時，要對ADC進行軟件自動校準。如圖4-2所示。圖4-2ADC采集程序流程圖4.3按鍵控制電壓輸出程序設計外部我們采用矩陣鍵盤，16個按鍵都對著16個5位二進制數，通過按鍵可以在這些二進制數之間進行切換，這些二進制數對應著數字電位器內部的MOS管開關狀態。我們通過按鍵切換二進制數，單片機將變換后的數值利用I2C通信傳遞給數字電位器，數字電位器通過這些數值控制內部32個mos開關，從而改變相應的阻值，使得開關電源輸出不同的電壓[13]。單片機與數字電位器之間的通信方式是I2C。I2C在數據傳送前主機會發送一個起始信號給從機，從機收到以后會發出響應信號，然后主機開始發送數據，等數據發送完成，主機會發送一個結束信號代表數據發送結束。按鍵控制電壓輸出流程圖如圖4-3所示。圖4-3按鍵控制電壓輸出程序流程圖4.4可調輸入電壓檢測設計按鍵選擇進入數據顯示界面后，TPS63020的輸入端電壓利用STM32F103的12位ADC（數模轉換器）進行采集，計算得出輸入電壓。輸入電壓測量流程圖如圖4-4所示。圖4-4輸入電壓程序流程圖4.5可調輸出電壓檢測設計按鍵選擇進入數據顯示界面后，TPS63020的輸出端電壓利用STM32F103的12位ADC（數模轉換器）進行采集，計算得出輸入電壓。所示輸出電壓程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5輸出電壓程序流程圖4.6輸出電流檢測設計輸出電流檢測的設計相對復雜，系統初始化完畢后，TPS63020的輸出電流利用STM32F103的12位ADC（數模轉換器）對輸出端采樣電阻兩端電壓進行采集，并對電壓值進行判斷。利用一個CD4052模擬開關以17mv為分界，將不同的電壓值進行不同的處理[14]。如果采樣電阻兩端的電壓小于17mV，兩端電壓必須用差分放大器AD620放大，放大倍數為100倍，然后經過被ADC采集并將數據進行處理；如果采樣電阻兩端電壓大于17mv，則直接經過一個跟隨器然后被ADC采集，并進行數據處理。輸出電路檢測流程圖如圖4-6所示。圖4-6輸出電流程序流程圖5系統測試與誤差分析5.1測試儀器BEST DT9205A萬用表一個；GWINSTEK PEL-2030A電子負載一臺；KEUTHLEY2231A-30-3數字電源一臺；線性直流穩壓電源一臺；圖5-1整體系統5.2硬件調試輸入3.3V，輸出1.5V輸入3.3V，輸出5V輸入5V，輸出1.5V輸入5V，輸出3.3V輸出5V，輸出電流1mA輸出5V，輸出電流10mA輸出5V，輸出電流23mA輸出5V，輸出電流299mA輸出5V，輸出電流30mA輸出5V，輸出電流50mA輸出3.3V，輸出電流98mA輸出5V，輸出電流502mA輸出5V，輸出電流148mA輸出5V，輸出電流451mA調試硬件時遇到過兩個問題：問題1：TPS63020帶重載時（4歐姆以下），輸出端掉電壓，供電電源上顯示達到供電電源的最大電流為1A。解決方法：這是因為芯片內部軟啟動電路由電流限制比較器的斜坡控制，該電流限制比較器啟動開關電流限制低電平并增加到最大值。在此期間監視輸出電壓，并且必須增加開關電流以增加。所以一是在剛啟動時，EN引腳需要很大的電流，將電源的最大電流設置為最大輸出電流的兩倍，芯片即可正常工作[15]。在輸入端放置電容，啟動時，電容充電，起短暫延時作用，使能引腳能夠得到較大的電流。問題2：帶2歐姆負載時輸出端電壓為5V，但電阻上的電壓只有3.5V左右，且杜邦線發燙。解決方法：經過測試短杜邦線上的電阻值為0.45歐姆，長杜邦線上的阻值為1歐姆，在測量重載時有較大的誤差。在測量時應把杜邦線換為純銅導線（越短越好），即使是純銅導線仍有0.25歐姆的阻值。問題3：輸入3V，最大電流1A。輸出電壓5V，帶8歐姆負載。輸出端電壓掉為3V，芯片發燙。解決方法：供電電源電流不夠，將供電電源最大電流設置為2A問題4:采樣電路中，電子負載一端接地，另一端跟采樣電阻相接，測試時發現，采集小電流時，AD620放大倍數不對，并且單片機上顯示的電流大小與實際誤差很大，分析發現，雖然理論上電路是正常的，但是如果電子負載接地，采樣電阻兩端的電勢接近電源電壓，超過AD620單端的最大輸入電壓，使得AD620差分放大電路無法正常工作。解決方法：電子負載與采樣電阻位置互換，問題得到解決。問題5：采樣電阻兩端直接接入ADC輸入端，AD采集完數據顯示亂碼，由于ADC端口內的輸入電阻會與采樣電路進行分壓，使得實際采集的電壓會偏小，導致STM32無法識別和處理。解決方法：在采樣電阻和ADC中間加入跟隨器，STM32的ADC可以正常采集并顯示數據。5.3軟件調試 問題1：測量20mV及以下的電壓時，由于幅值太小，導致有時候測量的采樣電阻兩端的電壓值誤差很大，也會出現亂碼情況，從而輸出電流無法測量。解決方法：通過分析可知，因為使用ADC前級使用一個AD620放大器，但是放大電路對于20mv以下的電壓放大倍數不是固定的，經過多次測量，我們在15mV時設置AD620放大倍數50倍，并且對20mV以下多設置幾個區間，使得不同的采集電壓可以根據實際情況獲得不同的處理，盡可能降低風險，并且數據亂碼的情況也得到解決[16]。5.4測試結果表5-4-1輸入電壓檢測（Ui）測試數據理論Ui(V)實測Ui(V)誤差1.81.800%22.010.5%2.152.140.46%2.352.330.85%2.82.820.71%3.13.080.65%3.23.210.31%3.53.520.57%3.73.690.27%3.93.920.51%4.24.200%4.54.490.22%4.74.720.42%55.030.6%5.55.480.36%表5-4-2輸出電流檢測（Io）測試數據測試條件理論Io(mA)實測Io(mA)誤差輸入電壓3.3V，輸出電壓5V110%550%880%12120%16160%20200%25250%57561.7%1001000%2002000%3003020.66%3503510.28%3803820.52%4003980.5%4304290.23%4504530.66%5004990.2%表5-4-3輸出電壓檢測（Uo）測試數據測試條件理論Uo(V)實測Uo(V)誤差輸入電壓3.3V1.51.5050.3%22.010.5%2.52.5050.2%3.33.310.3%44.010.25%4.54.490.22%55.010.2%5.55.520.36%表5-4-2輸出功率檢測（Po）測試數據測試條件理論Io(mA)實測Io(mA)理論輸出功率(W)實際輸出功率(W)誤差輸入電3.3V，輸出電壓5V110.0050.0050%550.0250.0250%880.040.040%12120.060.060%16160.080.080%20200.10.10%25250.1250.1250%57560.2850.281.7%1001000.50.50%200200110%2502481.251.240.8%2702721.351.360.74%3003021.51.510.66%3503511.751.7550.28%40039821.990.5%4304292.152.1450.23%4504532.252.2650.66%5004992.52.4950.2%5.5誤差分析與方案改進從測試結果來看，輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出功率的誤差都基本控制在1％以下，輸出電流值偶爾誤差較大，出現這種情況是因為對于小信號來說，因為其幅值較小，容易受到干擾，ADC采集的精度不是特別高并且AD620對于小幅值的直流信號放大倍數也不是固定的，本系統取得的是采樣電阻兩端電壓為10mv時AD620放大倍數為100倍，但是幅值改變，放大倍數也隨之改變，小幅值時，放大倍數就低于100倍，這就導致了算法取的固定值對于越小的幅值作用就越小。幅值小，放大倍數也存在誤差，外界也存在一些干擾，ADC采集的就不精確，所以顯示的輸出電流值誤差就比較大，本設計中采取用算法把輸出電流進行分段處理，對計算結果進