基于STM32F407的升壓斬波電路設計

陳朝興 倪強 陳亮 杜罡 劉楊 鄒細勇 石巖

摘 要：隨著電子信息技術的發展，人們對電源的品質要求越來越嚴格，針對當前DC-DC升壓裝置存在效率低、紋波電壓大，輸出電壓不穩定等問題，設計了一種輸入電壓可變、輸出恒定的電源。該電路利用STM32F407產生PWM（Pulse Width Modulation）信號控制MOS管的通斷，通過電阻分壓對輸出電壓采樣，并與參考電壓進行比較，兩者的差值自動調節PWM的占空比，形成閉環控制，從而達到電壓輸出穩定。

關鍵詞：DC-DC； 升壓； 恒壓輸出； STM32F407； PWM；

0 引言

針對傳統的線性電源體積較大，效率低，耗費的金屬多，而且工作時發熱現象嚴重，不能滿足日益提高的要求，于是催生出了相對穩定、相對高效，且做得體積更小、質量更小、轉換效率相對較高的的開關電源，目前許多電子設備都應用了開關電源[1，2]。

開關電源技術是由PWM波控制的全控型器件的開通與關斷進行調節電壓輸出的技術。由于便攜的數碼電子產品的普及，推動著DC-DC 變換器不斷改進完善。將PWM波技術使用于DC-DC直流變換器的方法，在一定程度上解決了隨著開關頻率的提高電磁干擾增大的問題[3]。本文利用STM32F407單片機產生PWM對MOS管關斷進行控制的方法進行升壓。

1 系統結構

系統的原理框圖如圖1所示，Boost主電路通過MOS管的開通時間來控制輸出電壓，對輸出的電壓進行采樣后反饋給STM32F407單片機，經過一定的運算后與給定值進行比較，通過內部的PID控制算法，調節輸出的PWM占空比，控制MOS管的導通時間，使輸出電壓穩定在一個值，完成一個閉環系統。

2電路原理

2.1 主變換電路

升壓斬波電路是DC-DC變換電路的一種，可以將直流電壓升高到固定的直流電壓，一般來說指直流到直流的變換，不包含DC-AC-DC 的變換[4]。

在分析直流升壓斬波電路時，假設電感L與電容C都是完美的器件其值視為無限大。升壓斬波電路電壓的輸出取決于全控型器件V的通斷。當MOS管V導通時，由直流電源E向電感L放電，它的電流i1，記為I1。因為電容的C值極大，可以將看成一個直流電源向R提供能量，其電壓值可以看成恒定的u0，記為U0。如果晶體管V一個周期記為T，導通的時間為ton，則導通時間段中L上積蓄的能量為EI1ton。

當MOS管V關斷時，電感L和直流電源電源E向電容C充電一起給R供給能量，這時電流為i0，記為I0。假設V的斷開的時間為toff，則電感在這段時間中放出的能量為（U0 - E）I1toff，當升壓斬波電路工作在穩態時，在電感 L上得到的能量和釋放的能量是一樣的。于是根據相等關系得到等式：

也就是升壓斬波電路的電壓的輸出的幅度取決于占空比α，升壓斬波電路能夠使輸出電壓升高，是因為兩個主要原因：其中一個是因為電感在有電壓的上升的功能，第二個是因為電容有輸出電壓保持的功能。在理論分析中，我們可以認為在V處于通態時，電容得值極大所以電壓保持在u0。實際上電容的值是有限的，無法實現保持u0，所以實際所得的值要略小于式（4）所得的值。但是一般電容的值C足夠大，這個誤差可以小到忽略。

假如忽視電路中的損耗則可以認為負載R消耗了全部電源E所供給的能量。根據這一關系可以得到：

2.2 控制電路

控制電路由控制芯片，保護模塊組成。控制電路的作用是產生PWM 波來控制全控型器件的開通和關閉。系統的控制芯片采用ST公司的STM32F407，此款芯片采用Cortex - M4內核，帶FPU和DSP指令集，片上最高工作頻率達到168MHz，STM32F407有5個最重要的時鐘源，為HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，從來源上可分為外部時鐘源和內部時鐘源，外部時鐘源就是從外部通過接晶振的方式獲取時鐘源，其中HSE、LSE是外部時鐘源，其它是內部時鐘源[5]。綜合考慮，選擇STM32F407單片機作為控制電路的核心，能夠快速響應，恒壓輸出。

2.3 驅動電路

驅動電路是設置在主電路和控制電路中間的電路用來增大從控制電路出來的信號的驅動能力，驅動電路輸出的控制信號加在全控型器件的兩端改變其通斷。

為了提高STM32F407單片機IO口的驅動能力，采用經典的圖騰柱電路，圖2所示圖騰柱驅動電路，Q2與Q3構成圖騰柱的基礎電路。當Q2導通時Q3導通，當Q3導通時Q2不導通。作為一個電壓增大電路驅動MOS管。圖騰柱電路作為驅動電路能夠快速增大電流，快速結束對MOSFE的G極的充電。其電路損耗較小，驅動能力強，簡易而且成本小，適用于功率較小的電路。如果做成大功率可采用6N137作為驅動，電路同樣簡單可靠，實現隔離驅動，在此不作討論。

3 控制器運行原理

升壓斬波電路的軟件的設計思路是由STM32F407單片機發生93KHz的PWM，來驅動MOS管的通斷使得電壓得到上升，再將輸出電壓分壓，STM32F407單片機通過片內AD采樣電壓信號。其中的一些主要的子程序包括：

（1）PWM生成，PWM 波的輸出頻率是由定時器的時鐘選定的，STM32F407可以輸出多路PWM。假定定時器工作向上計數PWM模式，且CNT

（2）占空比修改子程序，設定一個用于比較的基準值，與STM32F407單片機模數轉換得來的真值比較。當真值比參考值大時占空比增加，當真值小于參考值時占空比減小.

4 電路測試

STM32F407單片機需要3.3V的供電電源，所以對不同的輸入電壓（5～20V），進行DC-DC降壓變換，通過芯片AMS117-3.3使輸出穩定在3.3V， 制作硬件電路，進行調試，在不同的輸入電壓（+5V、+10V、+15V、+20V）時，PWM占空比和輸出的電壓分別如表1所示。

由測試結果可知，當輸入的電壓從+5V增大+20V時，由STM32F407單片機動態改變PWM的占空比，α減小，β增大，輸出電壓始終維持在+24V左右。

5 總結

采用Boost結構搭建的主電路，電路結構簡單可靠，通過對主電路的原理進行分析，選取合適的MOS管、電感、電容等元器件，有效的降低了高頻開關產生的噪聲干擾。同時，降低MOS管的開關損耗，電源的轉換效率得到了提高。選取功能強大、損耗低、自帶ADC采樣的STM32F407單片機作為控制芯片，可以快速穩定的從變化的輸入電壓（5-20V）中產生恒定的24V輸出電壓。

參考文獻

[1] 馬永翔，郭云玲.一種DC-DC變換器的設計[J].電器開關，2009，6（1）：62-64.

[2] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009：100-108.

[3] 王學梅，張波，丘東元.DC-DC變換器主要技術發展綜述[A].電源世界，2008.（4）：21-24.

[4] 陳榮.直驅風電系統升壓斬波器的設計與控制[A].Chinese Journal of Power Sources，2011.（12）：1568-1571.

[5] Jun Wen， Taotao Jin and Keyue Smedley .A New Interleaved Isolated Boost Converter for High Power Applications[A] 2010 journal of system Simulation 22（8）：2023-2029.