基于STM32單相正弦波逆變電源的設計

唐濤　楊冰　李穩國　蘭岳旺　吳航

摘 要 針對傳統線性電源輸出功率低、穩定性差、帶負載能力不強等問題，設計并制作了一種效率高、穩定性強的開關穩壓式電源。該開關電源系統主要是由STM32單片機、驅動模塊、DC-DC升壓模塊、DC-AC逆變模塊、采樣調頻模塊等組成。以DC-DC升壓模塊和DC-AC逆變模塊為電路主拓撲，由STM32單片機產生的信號經過驅動模塊放大增幅后進行控制調節，采樣調頻模塊進行采樣反饋和頻率調節。測試結果表明，該開關電源系統具有過壓欠壓保護功能，輸出交流電壓的幅值頻率可調，且效率達到86%以上。

關鍵詞 STM32單片機 DC-DC DC-AC

中圖分類號：G632.3 文獻標識碼：A

0引言

隨著電子技術的飛速發展，各種電子裝置對電源功率的要求越來越大，對電源效率和穩定性的要求也越來越高。因此，開關電源技術得以飛速發展。傳統線性穩壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠，但它存在效率低（40%-50%）、體積大、工作溫度高及調整范圍小等缺點，而開關式穩壓電源效率可達85%以上，且穩壓范圍寬。相比傳統線性穩壓電源，開關電源所具有的電能轉換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優點，為它在小功率范圍內取代線性電源奠定了良好基礎，并且還迅速地向中大功率范圍推進。文獻[2]提出的開關電源穩定性好，但電源轉換效率不高。

針對上述問題，本文提出了單相正弦波逆變電源的設計。該設計主拓撲電路由DC-DC升壓模塊和DC-AC逆變模塊構成。其中，DC-DC升壓模塊采用兩路B00ST并聯結構，提高了輸入電流，有利于電流分配調節。而DC-AC逆變模塊采用全橋逆變結構。與半橋逆變結構相比，全橋逆變的開關電流減小了一半，在大功率場合得到了廣泛應用，且穩定性更好。本系統使用的開關管均是金屬氧化物場效應管（MOSFET），該管能夠有效地減少功率損耗，提高系統效率。

1系統總體設計

系統總體設計框圖如圖1所示。該電源系統采用直流穩壓電源供電，最大提供32V-3A。輔助電源則為LCD12864顯示屏、驅動模塊中6N137和IR2104芯片及交流采樣模塊中AD637芯片提供+12V、+5V、-5V電壓。

該系統以STM32為主控單片機。采用脈沖寬度調制（PWM）技術和正弦脈寬調制（SPWM）技術，由單片機定時器產生固定頻率的PWM波和SPWM波。PWM波經驅動模塊放大加強后，驅動DC-DC模塊中BOOST結構的MOSFET，進行并聯升壓；單片機實時采樣調節DC-DC模塊輸出總電壓和兩個BOOST電路的電流，保證電壓輸出穩定并且電流成比例。SPWM波經驅動模塊加強放大后，驅動DC-AC模塊中全橋逆變電路的四個開關管，通過控制四個開關管在同一時刻不同通斷，實現直流電到交流電的轉變；單片機對DC-AC模塊輸出電壓進行交流采樣和調節，達到逆變電路的穩壓輸出和頻率調節的目的。

2系統硬件主要模塊

2.1 DC-DC升壓模塊

DC-DC升壓模塊采用兩路同步BOOST電路并聯組成，實現對電路的升壓。它具有穩定性好，負載響應快，輸出波紋小等優點。

為提高系統穩定性，DC-DC升壓模塊的兩路BOOST電路都采用同步結構。同步BOOST是由Q1、Q2兩個IRF540、電感P2及C1電容組成。當Q2導通、Q1截止時，電源E給電感P2充電，電感P2獲得的能量為E*ton。當Q1導通、Q2截止時，電源E和電感P2同時給電容C1充電，其電容所得幅值為U，電感所釋放的能量為（UE）*toff。當電路工作處于穩態時，一個周期T中電感P2儲存的能量與釋放的能量相等，故可得放大倍數A：

A==

式中，D=，即為PWM波的占空比。所以當輸出總電壓發生變化時，只需調節PWM波的占空比，就能調節輸出總電壓。

BOOST結構中的電感P2由繞組扼流線圈和鐵氧體磁芯組成，根據電流臨界連續條件得電感的計算公式為：

其中，fSW（tye）為芯片振蕩頻率，IRIPPLE為紋波電流，U為最大輸出電壓，經實際計算電感值約為330uH。

電容C1的主要作用是儲能電能，電解電容C1計算公式為：

其中，POUT為最大輸出功率，U為最大輸出電壓，Umin為最低輸出電壓，T為開關周期，計算可得電容的大小約為2200uF，故選用2200uF。而C2、C3為獨石電容，其主要作用是濾除諧波。

2.2 DC-AC逆變模塊

DC-AC逆變模塊采用全橋逆變電路。采用全橋逆變結構具有損耗低、效率高、工作頻率高、驅動容易、可靠性高等優點。

2.3采樣調頻模塊

采樣調頻模塊主要是由直流電壓采樣、直流電流采樣、交流電壓采樣及頻率調節四部分組成。

直流電流采樣方法為：在DC-DC升壓模塊兩路輸出端各串聯一個50m 康銅絲電阻。已知系統設計的電流范圍為0-3A，故所得電壓范圍是0-150mV。而STM32單片機所能采集地有效電壓為1.8-3.3V，取其適中值2.4-3.0V。因此差分放大倍數范圍在16-20倍。直流電壓采樣的方法是通過大電阻分壓后對輸出電壓進行采樣。已知系統設計的最大輸出電壓為24V交流電，根據交直流變換關系，得BOOST升壓后的最大直流電為34V。交流電壓采樣的方法則使用電壓互感器進行縮放后，對交流電壓進行采樣，再用AD637芯片進行真有效值轉換，將交流電轉換為單片機可采集地直流電，計算后送至單片機。頻率調節則是將電壓互感器之后輸出的波形送至過零比較器，使正弦調制波變換為矩形波，供STM32單片機采集，并將采集后的頻率與設定頻率比較。如果兩者不一致，則通過改變構成一個正弦周期所需的點數dot值來改變頻率，以達到變頻的目的。

2.4驅動模塊

驅動模塊主要是由6N137光耦隔離芯片和2104芯片等部分組成。

STM32單片機產生兩路控制信號，其中一路PWM信號經過6N137光耦隔離芯片增幅放大后，輸入到2104芯片電路，由2104芯片電路產生兩路反相帶死區的PWM波，用于后級電路的控制。另外一路SPWM信號也是如此。此外，6N137芯片還有隔離作用，能夠保護STM32單片機不受后級信號的干擾和損害。

3系統軟件設計

程序流程描述如下：系統上電后，系統首先進行初始化處理，檢測是否有鍵按下。若有鍵按下，判斷鍵值類型，根據不同的類型執行相關程序。若沒鍵按下，則進行電壓電流采樣。根據電流是否成比例、電壓是否穩定輸出、頻率是否穩定輸出三個主要判斷條件進行相關操作和調節。如果電流不成比例，系統則會根據實際比例與設定比例存在的差值，調節PWM1直至電流成比例輸出。在保證電流成比例輸出的條件下，對電壓進行采樣，判斷其是否與設定電壓值一樣。如果不一樣，則會調節相應的PWM2和SPWM信號直到與設定值電壓相同為止。在電壓穩定輸出的條件下，如果存在欠壓或過壓的情況，繼電器會斷開輸入電壓，系統進入保護狀態。如果不存在欠壓過壓的情況，系統進行頻率采樣，記錄此刻頻率值。如果需要進行頻率調節，則根據實際頻率與設定頻率存在的差值，換算成對應的dot值，增減dot值的大小，來達到頻率調節的目的。最后液晶顯示屏將顯示各部分的參數情況，并循環執行，實時更新。

4實驗結果與分析

為了驗證該方案的可行性，在實驗室制作了一臺樣機，負載為10 /50W滑動變阻器。使用的測試儀器有四位半數字萬用表、全自動示波器。

由表1數據可知，，電壓輸入在15.2-18.4V，電流輸入在2.32-2.84A時，系統DC-AC部分轉換效率都在86%以上，且輸出波形良好，無明顯失真；由表2數據可知，輸出頻率在40.0-200.0Hz范圍內可調，頻率調整誤差不超過1%，頻率調整最小值為1.0Hz；調整輸入電壓，當輸入電壓低于16.0V或高于19.0V時，繼電器斷電，對系統進行過壓欠壓保護，將電壓調回16.0V或19.0V，系統恢復正常。測試表明各項參數良好，但是也存在一些問題。

5結論

本文設計并實現了一種基于STM32單相正弦波逆變開關電源，該系統樣機測試表明，輸出交流電壓在12.0-22.0V內可調，輸出頻率在40.0-200.0Hz范圍內可調，還具有欠壓過壓保護的功能。各項參數良好，系統運行可靠。本設計區別于傳統線性穩壓電源，且體積小、成本低，具有很好的應用前景。

基金項目：湖南城市學院教務處省級科研項目（CX201609）。

參考文獻

[1] 王予，張培，胡海如.開關電源原理及發展方向[J].中國科技信息，2007：14-85.

[2] 曹麗萍.開關電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.