基于DC/DC開關穩壓器的數控電源設計

屈彪，張文超

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

基于DC/DC開關穩壓器的數控電源設計

屈彪，張文超

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

針對當前市面上數控電源電路復雜、成本較高、同一數控電源系統不能兼并恒壓恒流的情況，研究了3種數控電源常見的設計方案，并深入探究了基于DC/DC開關穩壓器的數控電源設計方案。與市面上的數控電源相比，本設計是基于DC/DC開關穩壓器的數控電源，通過STM32控制數字電位器來改變DC/DC開關穩壓器反饋量來實現。電路采用兩個反饋回路，電壓反饋回路和電流采樣、放大反饋回路，可以根據用戶的選擇實現，恒壓和恒流模式之間自動切換。根據實驗數據表明，基于該方法設計的數控電源恒壓、恒流精度高，且電路工作穩定，價格低廉。

DC/DC；數控電源；STM32；數字電位器

數控電源是針對傳統模擬電源的不足提出的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節數，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。數控電源分為數控電壓源和數控電流源。數控電壓源，具有輸出電壓穩定、精度高且調節范圍寬、響應快，穩定性好、效率高等優點。數控恒流源具有輸出精度高且調節范圍寬、效率高、適應性強、輸出不隨輸入電壓、負載變化而變化等特點。如何設計一個數控電壓源和數控電流源共存，輸出精度高且調節范圍寬的系統是電子技術應用熱點之一。文中分別論述了基于DAC的數控電源、基于MOS管的數控電源和基于DC/DC開關穩壓器的數控電源等數控電源的設計方案，并重點討論了DC/DC開關穩壓器的數控電源通用的設計方法。并給出相關設計實例以及相關測試數據。

1　數控電源設計方案比較

直流穩壓電源朝著數字化方向發展。因此對于數控恒壓源的研究是必要的[3]。數控電源顧名思義，即是通過數字信號控制電源輸出。因此可以借助很多數字控制模擬量的器件來進行模擬電路數模字化，比如DAC、MOS管、數字電位器等方式[1]。這些器件是通過數字量來控制模擬電路的電壓、電阻、電路導通時間，從而達到數控電源的目的。

1.1基于DAC的數控電源

圖1為基于DAC的數控電源工作簡圖。采用MCU作為數控電源的控制單元，通過改變DAC的輸入數字量來改變輸出控制電壓，從而使輸出功率管的控制電壓發生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統具備檢測實際輸出電壓電流值的大小，可以將輸出電壓、電流經過采樣，用MCU實時對電壓、電流進行監控、數據處理及顯示[3]。實現了一個輸出、采樣、比較、調整的閉環系統，增加了系統的魯棒性。

1.2基于MOS管的數控電源

圖1中的功率放大元件始終工作在“線性連續”狀態下，其自身功耗較高，電源整體效率較低。而圖2中的MOS管工作在“開關”狀態下，可大大提高效率。

圖1　基于DAC的數控電源結構框圖

圖2中，50 Hz 220 V交流電經電網濾波器（消除來自電網的干擾）濾波→整流濾波器→直流電壓。該直流電壓作為輸入電源加到功率變換電路，功率變換電路在占空比可變的PWM控制信號控制下，將輸入直流電源轉換成高頻率脈沖（“通斷”）式“直流電”，再經功率儲能元件（電感或變壓器）變換成低壓的高頻率脈沖式“直流電”，在經過整流濾波電路轉化成穩定連續的直流電壓輸出到負載。由微控制器產生脈寬（占空比）可調的PWM控制信號驅動功率變換電路工作。控制信號的脈寬（占空比）是要根據輸出電壓的反饋信號來實時調節的，具體就是利用微控制器中的高速ADC通道定時采集輸出電壓和輸出電流值，并與設定值相比較，再根據其誤差程度和控制算法來調節PWM控制信號的占空比，從而自動將輸出電壓穩定在設定值。比較控制算法可采用PID算法由軟件程序完成[2]。此外，這種數控電源很容易實現過壓、過流和短路故障保護。圖中功率變換電路采用了MOS管，當然亦可采用IGBT和可控硅等功率器件。

圖2　基于MOS管的數控電源結構框圖

1.3基于DC/DC開關穩壓器的數控電源

DC/DC開關穩壓器廣泛應用于各種電子設備中，用作恒壓源，當負載電流在額定范圍內變化時，其輸出電壓保持不變。以圖3所示的基于DC/DC的數控電源原理框圖為例，探討一下DC/DC的數控電源恒壓、恒流原理。圖3中包含電壓反饋電路和電流反饋電路。當用戶選擇恒壓輸出時，系統電壓反饋電路起作用，圖3中R1、R2構成輸出電壓采樣電路，用于設置輸出電壓的大小[4]。當輸出電壓Vout因負載變化而變化時，反饋電壓Vf也隨著變化，DC/DC穩壓器內部的控制電路根據反饋電壓Vf（采樣電壓）與Vref差值的大小來適當調整功率變換電路的控制參數（如PWM的占空比等），使輸出電壓穩定在一個固定的值，達到穩壓的目的[5]。當用戶選擇恒流輸出時，系統電流反饋電路起作用，恒流源和恒壓源在電路上的差別反應在兩者的采樣電路采集的對象不一樣。恒壓源為了保持輸出電壓的恒定，需要實時對輸出電壓跟蹤、控制，在負載變化的情況下使輸出電壓不隨負載的變化而變化，而恒流源是指在負載變化的情況下，穩壓器能根據負載的變化相應調整輸出電壓，保持輸出電流不變，恒流源采樣電路采集的是輸出的電流信號，但實際上采集的是經過I/V轉換（采樣電阻）后反應電流大小的電壓信號，因此，把輸出的電流信號轉換成電壓信號，輸入到DC/DC開關穩壓器的反饋引腳，就能實現恒壓源到恒流源的轉變。圖3中的RS為采樣電阻，將RS上的電壓信號經過由R3、Rf、運放A組成的放大器，輸入到DC/DC開關穩壓器的反饋引腳，通過設置R3、Rf大小來設置輸出電流的大小。一般來說，運算放大器的增益都能做到很大，這樣電路中就可以采用很小的采樣電阻，從而達到降低損耗、提高效率的目。

圖3　基于DC/DC的數控電源原理框圖

DC/DC開關穩壓器輸出電壓

其中Vref為 DC/DC開關穩壓器內部自帶的基準電壓或者用戶外接的基準電壓。由式（1）可知，合理設置電阻R1、R2的值，即可獲得所需的輸出電壓值。在實際電路中R2保持不變，將R1用數字電位器代替，開關S1、S2、S3用繼電器替換。即可改裝成數控電壓源。

當電路進入恒流工作狀態時，輸出電流Iout滿足式（2）：

將式（2）變換得出：

由式（3）可以看出，合理設置電阻Rf、R3和RS的值，即可獲得所需的輸出電流值，并能獲得理想的效率。同數控電壓源一樣，RS、R3使用固定值，而Rf用數字電位器代替，開關S1、S2、S3用繼電器替換，即可改裝成數控電流源[6]。

通過對上述3種數控電源實現方案的深入研究與實際運用，基于DC/DC開關穩壓器的數控電源，其優點如下：

1）電路簡單，功能齊全，易于擴展。

基于DC/DC開關穩壓器的數控電源，相對于前兩種方案，電路更加精簡，電流電壓兩個回路切換非常方便。電流輸出范圍寬，輸出小電流時使用大的采樣電阻，輸出大電流時使用小的采樣電阻，以減小電路本身功耗。

2）數控電源精度高，誤差小，易于控制。數控電源既能方便輸入和選擇預設電壓電流值又具有較高精度和穩定性，而且可以任意設定輸出電壓或電流，給電路實驗帶來極大的方便提高了工作效率。

3）元件取材廣泛，價格低廉。DC/DC開關數控電源基于可調輸出的DC/DC開關穩壓器設計，即輸出電壓采樣電路外置的DC/DC開關穩壓器設計的。目前，在市面上可以找到很多價格低廉、性能優良的可調輸出的DC/DC單片集成開關穩壓器或者控制器，如 LM2596-ADJ、LT1086-ADJ、TL494、MC34063等。

2　設計實例

由于整個電路元件較多，尺寸較大。限于篇幅，此處只將核心電路簡化后給出。圖4所示是基于LM2596-ADJ的數控電源的電壓環路部分。電壓環路只是將圖3中R2用數字電位器X9241替換。X9241是4個數字電位器為一體的CMOS集成電路，每個電位器包含63個電阻，數字電位器滑臂位置的控制由用戶通過I2C串行總線傳遞增益碼控制，X9241自帶I2C二線接口，接法簡單，使用方便，可靈活控制滑臂位置，改變阻值大小。本設計是通過STM32控制數字電位器X9241的電阻值從而改變輸出的電壓值。電路原理在前文已做過詳細說明，此處不再敖述。

圖4　數控電源電壓環路原理圖

圖5所示是圖4所示數控電源中控制芯片供電電路。電路的核心元件是TL431，TL431的內部含有一個2.5 V的基準電壓，所以當在REF（2腳）端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。TL431、2SC4762、R7、R8組成了精密5 V穩壓電路，再通過AMS1117-3.3 V輸出3.3 V電壓給STM32控制器提供電壓。

圖5　數控電源輔助電源電路原理圖

數控電流源的電流反饋環路與數控電壓源的電壓反饋環路類似，只需將圖3中的Rf用數字電位器X9241替換。通過STM32來控制X9241電阻值的大小即可改變輸出電流值，此處不再詳細說明。

3　軟件設計

如圖6所示，本設計軟件，主要負責電流、電壓模式切換，電流、電壓值設定（控制數字電位器 X9421），輸出的電壓、電流采樣，比較、調整、輸出等。在此對程序如何切換到電流工作模式進行簡要說明。當用戶選擇電流輸出時程序進入電流模式，即本文圖3中開關S1、S2切換到1端。進入電流模式后，根據用戶對輸出值的需求切換不同的采樣電阻，即本文圖3中開關S3切換，降低功耗。確定輸出模式和輸出值大小后，電路開始輸出用戶輸入的值，為了提高精確度，電路中加入了電流采樣，在通過STM32計算比較，再對電路輸出值進行調整。電壓工作模式，與電流工作模式類似。

圖6　數控電源控制程序流程圖

4　實驗及結果分析

系統電源是由MPS-3003L-3穩壓電源提供的18 V電源，測試結果直接由STM32內部ADC測得。在數控電壓環路測試中，設定輸出電壓和實際輸出電壓數值，其結果如表1所示。在數控電流環路測試中，設定輸出電流和實際輸出電流數值，其結果如表2所示。

表1　恒壓精度測試數據

表2　恒流精度測試數據

由表1可見，本設計的數控電壓源具有穩壓效果好、可調范圍寬、輸出精度高等。由表2中測試數據可以看出，為了實驗的客觀性和真實性，在實際測試使用兩種方式測試：1）取不同的電流值來作基準進行測試。2）設定電流值為450 mA，改變輸出端負載，進行測試。測試結果表明：所設計的數控電流源系統輸出穩定、誤差小、精度高。

5　結　論

基于LM2596-ADJ的數控電源，很好的解決了傳統的數控電源中存在的不足，硬件簡單實用、軟件簡潔明了。經實踐證明，基于LM2596-ADJ的數控電源長期工作穩定可靠，該電路的成功設計，說明了利用市面常用DC/DC穩壓器設計成高效的數控電源的方法的可行性，且取材廣泛，成本低。電路具有恒壓、恒流精度高、效率高。該數控電壓源電路不僅可用于繼電器吸合/釋放電壓測試，還可用于對電壓要求較高的電路系統中等，而數控電流源電路不僅可用于微小電阻測量中，也可以大功率LED驅動，還可用于電池充電等。

[1]梅陽鳳.數字開關電源的設計與實現[D].廣州：廣東工業大學，2011.

[2]呂德深，梁承權.基于STC12C5A60S2與PID算法的數控電源的設計與實現[J].電子設計工程，2014，22（9）:127-130.

[3]晏勇.基于MSP430大功率高效數控恒流源[J].西南民族大學學報.自然科學版，2011，37（5）:810-815.

[4]劉仁貴，侯成英.基于DC/DC開關穩壓器的大功率LED恒流驅動設計[J].電子設計工程，2012，20（5）:97-102.

[5]張磊.高精度數字開關電源系統的研究[D].成都：電子科技大學，2006.

[6]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].5版:北京：高等教育出版社，2006.

The design of numerical power based on DC/DC

QU Biao，ZHANG Wen-chao
（Electronic Information School of Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

In this paper，the current market digitally controlled power circuit complexity，high cost，the same can not be digitally controlled power systems merger constant-voltage/constant-current case study three common design digitally controlled power，and in-depth study of the DC/DC switching regulator numerical control power supply design.Compared with the numerical control market power，the design is based on the DC/DC switching regulator numerical control power，STM32 controlled by the digital potentiometer to change the DC/DC switching regulator feedback to achieve.Circuit uses two feedback loops，voltage and current sampling feedback loop，the feedback loop amplification can be achieved according to the user's selection，automatic switching between constant voltage and constant current modes.According to the experimental data show that the method based on the design of digitally controlled power constant voltage，constant current，high precision，and the circuit is stable，low prices.

DC/DC；numerical power；STM32；digital potentiomete

TN7

A

1674－6236（2016）21-0170-04

2015-10-22稿件編號：201510148

屈 彪（1989—），男，湖南衡陽人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統與應用。