基于STM32F334的數(shù)字BUCK電源設(shè)計

江蘇科技大學 俞宏洋 秦懷宇

引言

數(shù)字電源由于早期成本較高，往往用于航天等高端領(lǐng)域。隨著近年來MCU性價比不斷提升，光伏微電網(wǎng)和全電汽車等新興行業(yè)的發(fā)展，數(shù)字電源得到了較多關(guān)注。針對市面上供開發(fā)的數(shù)字電源產(chǎn)品不多，本文闡述了一種具體的硬件設(shè)計方案，具有參考意義。

1.數(shù)字電源簡介

數(shù)字電源的定義主要分為兩種：一種將具有數(shù)字式通信、監(jiān)測、調(diào)節(jié)、保護等功能的電源產(chǎn)品成為數(shù)字電源，另一種將使用DSP、MCU、FPGA等可編程器件的、在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行電源反饋控制的產(chǎn)品成為數(shù)字電源。前者從電源基本拓撲上來看仍然是模擬控制的，而后者更符合“數(shù)字控制”的定義，而。圖1和圖2顯示了數(shù)字電源與模擬電源結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。

圖1 模擬電源

圖2 數(shù)字電源

數(shù)字電源相比于模擬電源，具有以下幾個優(yōu)點[3]：

1.1 電路簡化。一方面模擬電源控制器的電壓、頻率等參數(shù)需要外接阻容元件來確定，環(huán)路補償也使用阻容網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，修改電路參數(shù)較為麻煩。而數(shù)字電源的調(diào)整和補償使用數(shù)字方式。另一方面一些復(fù)雜控制或高級拓撲使用軟件控制更容易實現(xiàn)。

1.2 成本低。數(shù)字控制器芯片價格較高一直是阻礙其推廣的重要原因。但近年來有一些結(jié)合DSP和MCU特點的、專用于數(shù)字控制領(lǐng)域的MCU，其價格遠低于DSP，并且有高分辨率定時器（HRTIM）、高速ADC等高速高精度數(shù)字控制所需外設(shè)。如STM32F334系列，還擁有可編程放大器（PGA）和比較器等普通MCU沒有的外設(shè)資源，更進一步節(jié)省了成本。

1.3 適應(yīng)性強。若用戶對電源的輸入輸出指標、響應(yīng)速度、保護控制等功能提出不同要求時，模擬電源幾乎需要重新設(shè)計，而經(jīng)過完善的外圍設(shè)計的數(shù)字電源只需要通過改動軟件來實現(xiàn)。

本文以BUCK拓撲為例設(shè)計了一款實用的數(shù)字電源。采用ST公司的STM32F334系列MCU，此產(chǎn)品目標市場是需要高精度計時的數(shù)字信號，尤其是數(shù)字功率變換的應(yīng)用。電源參數(shù)為：開關(guān)頻率250KHz，輸入12-50V，輸出0-48v，最大功率240W，最大輸出電流5A，最高效率96%，電壓電流控制精度1%，過流過壓保護由軟件實現(xiàn)。

2.數(shù)字電源的硬件組成（見圖3）

2.1 同步BUCK電路

功率電路采用同步BUCK拓撲形式。同步BUCK拓撲使用NMOSEFT替代普通BUCK拓撲中的續(xù)流二極管，可以降低大電流時的功率損耗。使Q3、Q4的驅(qū)動信號與主開關(guān)Q1、Q2驅(qū)動信號互補即可仿真BUCK電路中二極管的續(xù)流功能。功率N-MOSFET使用四個英飛凌公司的BSC052N08NS5，屬于英飛凌第五代OptiMOS系列，它在參數(shù)上專門為開關(guān)電源優(yōu)化，同一耐壓值有眾多型號供選擇，可以根據(jù)不同功率和開關(guān)速度的場合，在通態(tài)損耗和開關(guān)損耗之間找到最優(yōu)的器件。選用的BSC052N08NS5耐壓為80V，導(dǎo)通電阻Rds(on)=5.2mΩ，柵極電荷Qg=40nC。上下橋臂都并聯(lián)2個相同的MOS管，以增大功率，降低發(fā)熱。電路原理圖如圖4所示，其中HO為上橋臂驅(qū)動信號，LO為下橋臂驅(qū)動信號，HS為橋臂中點。電感采用22uH的扁平銅線電感。輸出側(cè)使用大電解電容+小MLCC電容的濾波方式，目的是減小ESR。具體的電容電感和輸出紋波的計算公式可于大量文獻中獲取，本文不作提及。

圖3 數(shù)字電源模塊圖

圖4 同步BUCK電路原理圖

2.2 驅(qū)動和信號調(diào)理電路

由于MOS管柵源、柵漏之間存在寄生電容Cgs和Cgd，在高頻開關(guān)時對電容充電需要驅(qū)動器能提供較大的瞬間電流，但由于MOS管具有米勒效應(yīng)，使用電容計算較為復(fù)雜，工程上開關(guān)瞬間所需的驅(qū)動電流I由以下公式近似：

另一方面，上管Q1在驅(qū)動時的參考地為下管Q2的漏極，需要使用能夠浮地驅(qū)動高側(cè)MOS的芯片。選用凌力爾特公司半橋驅(qū)動芯片LTC4444，其下橋臂驅(qū)動能力達3A，上橋臂驅(qū)動能力達2.2A，耐壓114V，足以很好驅(qū)動所選的MOS管。驅(qū)動電路如圖5所示。

電源的閉環(huán)控制依賴于電壓電流信號的采集。電壓信號一般可以經(jīng)過30kΩ：1kΩ的電阻分壓直接輸入ADC進行轉(zhuǎn)換，但ADC輸阻抗為數(shù)十千歐級別，直接采集會帶來一定的誤差和穩(wěn)定性問題，而STM32F334內(nèi)置了PGA，利用運放的高阻抗輸入可以避免這個問題。為保證精度，分壓電阻R2、R3均選用精度為0.1%，溫度系數(shù)為20ppm/°C的金屬膜電阻。分壓后并聯(lián)一個10nF的小電容作低通濾波用。

圖5 LTC4444驅(qū)動電路

圖6 電壓和電流調(diào)理電路

電流采集通過測量電感輸出側(cè)串聯(lián)的小電阻壓降來實現(xiàn)。為平衡精度和損耗，圖2中的檢流電阻R1采用阻值10mΩ、精度為0.5%、溫度系數(shù)為30ppm/°C的貼片合金電阻。采樣電阻位于高電壓側(cè)的好處是避免了低邊檢測帶來的輸出浮地問題，但也會造成共模電壓太高測量不方便的缺點。采用TI的INA240A2電流感應(yīng)放大器，它是一種專門用于此種測量場合的固定增益差分放大器，擁有50倍固定增益，132dB的共模抑制比，80V的共模電壓范圍、0.2%的增益誤差和2.5ppm/°C的增益溫度系數(shù)。電壓和電流調(diào)理電路如圖6所示。

2.3 輔助電源電路

輔助電源需要將系統(tǒng)輸入電壓降為MCU和其他芯片適用的電壓。選用芯龍半導(dǎo)體的XL7005開關(guān)降壓芯片將輸入降至10V供MOS驅(qū)動芯片使用，該芯片輸入范圍5-65V，最大輸出電流0.5A。XL7005穩(wěn)壓10V后分別接LM1117和 REF3333產(chǎn)生通用+3.3V和高穩(wěn)定性、低漂移的的+A3.3V基準電壓信號。其中+3.3V供MCU使用，+A3.3V供INA240和MCU的基準電壓輸入引腳使用。REF3333產(chǎn)生3.3V基準信號時，模擬地與公共地使用10uH電感隔離以降低干擾。

圖7 輔助電源電路

2.4 數(shù)字控制電路

STM32F334的引腳功能可于大量文獻中查閱，在此不做敘述。表1列出了數(shù)字電源控制部分需要引入MCU的引腳及對應(yīng)功能。

表1

3.數(shù)字電源的軟件控制

開關(guān)電源控制模式可分為電壓模式控制和電流模式控制，而電流模式又分為峰值電流模式和平均電流模式。電壓模式控制優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、對輸出響應(yīng)好，缺點是對輸入響應(yīng)慢、不具有過流保護功能、需要復(fù)雜的環(huán)路補償。峰值電流模式優(yōu)點是電壓調(diào)整率好、帶有過流保護功能，缺點是抗噪聲能力差、有振蕩問題。平均電流模式結(jié)合了電壓模式和峰值電流模式的優(yōu)點，對輸入和輸出的響應(yīng)都較好，無須斜坡補償，并且抗噪聲能力好[4]。

本數(shù)字電源采用平均電流模式控制，其原理如圖8所示。電流和電壓信號均輸入運放Amp_V和Amp_I的反相端。負載變化時電壓誤差放大器Amp_V做出反應(yīng)輸出滿擺幅，經(jīng)過Amp_I放大后，通過比較器COMP輸出暫時占空比D上升或下降的反應(yīng)以調(diào)整Vout大小。待Amp_I檢測的電感平均電流與Amp_V輸出相近時占空比D恢復(fù)穩(wěn)定。而輸入電壓變化可以直接反應(yīng)在Amp_I反相端的電壓上，使得電流環(huán)路可以很快做出響應(yīng)。實際上，誤差放大器需要相位補償以提高穩(wěn)定裕度，通常采用阻容網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，而數(shù)字電源使用數(shù)字PID調(diào)整器。文獻[4]對電流模式控制建立了數(shù)學模型并給出環(huán)路穩(wěn)定性補償電路的計算方法。而PID的優(yōu)點之一是無需對被控對象建立精確數(shù)學模型就可以很好的控制系統(tǒng)。數(shù)字電源可根據(jù)實際需求在線調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)，獲得理想的效果。

圖8 電流模式控制原理

數(shù)字電源是一種采樣控制系統(tǒng)，使用時間片輪轉(zhuǎn)的程序結(jié)構(gòu)可以控制每個子程序的執(zhí)行時間，保證系統(tǒng)的實時性。軟件上主要包括Main函數(shù)、ADC中斷、PID控制子程序。主程序完成ADC、PWM、HRTIM、PID等模塊的初始化，等待ADC中斷到來，檢測到中斷信號就執(zhí)行相應(yīng)流程[5]。程序流程圖如圖9所示。

程序中加入了過壓過流檢測環(huán)節(jié)，異常情況下數(shù)個開關(guān)周期后就可以關(guān)閉MOS實現(xiàn)快速保護（見圖9）。

圖9

圖10 典型效率曲線

4.測試總結(jié)

使用艾德克斯IT6302電源、IT8511A+電子負載進行測試。輸出固定12V。電流0.05-5A條件下，幾種典型電壓輸入的效率曲線如圖10所示。

可以看出該電源在負載電流達到1A以后效率表現(xiàn)較好，最高效率達到96%。幾種輸入下輕載情況下效率較低。分析原因有：（1）維持MCU等器件正常工作時需要消耗數(shù)十毫安的電流，而模擬電源芯片一般空載電流很小，因此在小功率場合使用數(shù)字電源沒有效率優(yōu)勢；（2）由于MOSFET的雙向?qū)ㄌ攸c，同步BUCK拓撲輕載情況下會產(chǎn)生電感電流反向，造成額外的損耗，而異步BUCK使用二極管續(xù)流則不會產(chǎn)生這種情況。解決此方法可以通過電感電流過零時關(guān)斷同步MOS管來提高效率，使用數(shù)字控制較模擬更為容易實現(xiàn)。

5.總結(jié)

本文設(shè)計的電源滿足了設(shè)計要求。通信、監(jiān)測、保護等功能也是數(shù)字電源的特點之一，受于篇幅本文未做提及。不難看出開關(guān)電源的數(shù)字化建立在模擬電源控制理論基礎(chǔ)之上，一些高級的控制策略采用數(shù)字控制會比模擬電路設(shè)計更加容易實現(xiàn)，如文末提及的提高BUCK輕載效率的方法。學習BUCK拓撲的數(shù)字化控制有助于把數(shù)字電源應(yīng)于更加復(fù)雜的需求上。

[1]孔維成,李悅,袁賽,楊海明．智能化數(shù)字電源的應(yīng)用與發(fā)展研究[J]．電子世界,2012(03)∶59-60．

[2]史永勝,余彬,王喜鋒,許夢蕓,張青風,王文靜．基于DSP的高輕載效率數(shù)字DC/DC變換器[J]．電子器件,2015,38(02)∶338-342．

[3]惠子南．小功率數(shù)字電源的研究[D]．北京交通大學,2014．

[4]劉范宏．平均電流控制模式開關(guān)變換器建模分析與設(shè)計[D]．華中科技大學,2014．

[5]申培．一款DSC控制的數(shù)字電源實現(xiàn)[J]． 電子世界,2016(23)∶108-109．

[6]鄧榮,江國棟．基于單片機的數(shù)字電源設(shè)計[J]．微計算機信息,2008(26)∶66-67+32．