基于STM32可調壓DC—DC電源設計

李志鵬+李琳琳+周丹丹

摘 要 相對于傳統的線性穩壓電源，開關電源具有效率高、輸出功率大、體積小、重量輕、成本低等優點。隨著電子元器件工藝的進步和新型元件的出現，開關電源的優勢在不斷的放大。DC-DC（直流轉直流）是開關電源中一個重要的研究方向，本文以Sepic變換電路為基礎，以目前ARM新型高速單片機STM32為控制核心，設計了一種智能DC-DC可調壓電源設計。可以廣泛用于智能手機，平板，智能機器人等集成度較高的電子設備。

【關鍵詞】STM32 DC-DC電源 Sepic變換電路

1 Sepic變換電路原理

Sepic變換電路是6中基本的DC-DC開關電源拓撲結構之一，其特點為：既可以升壓，也可以降壓，輸入電壓與輸出電壓同極性。

如圖1，左端為輸入電壓Vin，右端為輸出平均電壓Vout。在一個周期內，當開關V閉合，電源為電感L1充電，同時耦合電容C1經開關V為電感L2充電，續流二極管D1截止，此時，輸出端濾波電容C2維持負載兩端的電壓；當開關V斷開，電感L2經續流二極管為負載供電，同時，電感L1釋放能量為耦合電容C1充電，在同一個時刻電容C1、續流二極管D1為負載供電，在斷開情況下流過續流二極管D1的電流iD為電感L1、電感L2流過電流之和。輸出平均電壓Vout可由下列關系式得到：

式中，ton為開關每次接通的時間，toff為開關每次關斷的時間。由上式可以看出，只要控制好一個周期內開通與關斷的時間，就可以設置該電源為升壓型或降壓型。

開關電源的核心是對開關的開通和關斷時間的控制，一般選用全控型器件作為開關器件如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。續流二極管采用肖特基二極管可以降低導通壓降，提高轉換效率。在開關周期T恒定，通過改變脈沖寬度ton來改變占空比，這種方式稱為脈沖寬度調制（PWM），用來實現對電壓幅值頻率的控制。

2 基于STM32的PID控制原理

本文選用STM32f103為例進行講解。使用stm32單片機作為核心，采用閉環反饋控制，控制系統如圖2。

該控制系統的傳遞函數為：

設定值與輸出控制值之間的關系：

（3）式中，e（t）=R（t）-Uout（t），Kp為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數當輸出值與設定值不同時，PID調節器就會快速穩定響應（比例控制能夠提高系統的動態響應速度，迅速反應誤差從而減小誤差；積分控制的作用消除靜差；微分控制用來減小超調量，克服震蕩，使得系統穩定性提高），通過定時器輸出不同占空比的PWN波來精準控制IGBT的開通與關斷從而控制輸出電壓。需要注意的是，由于stm32最大輸出3.3V電壓，不能直接驅動IGBT的導通與關斷，因此需要在stm32單片機與IGBT之間添加驅動電路。

整個電路的邏輯框圖如圖3所示。

3 仿真結果

本設計采用了Multisim 14.0進行系統仿真，設計輸入為10V，輸出可調范圍為3V至40V。輸出波形如下：

由4、5圖可以看出，在輸入10V的情況下，通過改變PWM的占空比，可以在2V至40V之間進行自由快速切換。

在輸出端加入LDO線性穩壓裝置，采用分立元件，可以有效降低紋波，提高整個電路的穩定性。

4 結語

在電子技術快速發展的今天，電子產品正朝著小型化，智能化的方向發展。本設計正是著眼于電子產品發展趨勢，通過主流的STM32單片機，實現了對直流電源快速精準的控制并且實現了小型化，智能化，為電子產品內部節省了寶貴的空間，降低了功耗，符合國家節能減排，綠色發展的理念。

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作者單位

成都理工大學 四川省成都市 610059