DC-DC高效电源 论文

高效率DC-DC电源

青岛理工大学

一组 王志强 吴兆锋 刘少朋

摘 要

此系统为了实现高效率DC-DC电源，稳定输出电压和输出电流，选择STM32F103单片机作为核心芯片，同时采用TPS5430和AP1609开关电源转换芯片以及LM1117芯片作为辅助电源控制系统，以IRF540N作为开关管，以IR2101驱动芯片实现开关管的驱动。实现了按键设定、液晶显示等功能。设计了Sepic拓扑下的DC-DC模块，实现了9V供电转换为5V的电压变换功能，同时输出电压纹波小于2%，输出电压为5V时电源效率高于85%，输出电压为2V时电源效率高于75%。当输入电流恒定时，当输入电压从6V到12V变化时，保持输入电流恒定在1A；调整时间不超过1s。此系统具有调整速度快，精度高，功耗低，负载调整率低，效率高等优点。

关键词：STM32 直流-直流变换电源 IRF540N Sepic斩波电路

Abstract

This system aim at achieving the high efficiency DC-DC power, stabilizing the output voltage and the output current, choosing the STM32 chip as the core chip, meanwhile, using the TPS5430 switching power conversion chip and the LM1117 chip as the auxiliary power supply control system, and the switch channel choose the IRE540N chip, the drive chip IR2101 is used as the switch driver. It achieved the button setting and LCD and other functions. We designed a Sepic topology DC-DC module, realized a 9V power supply converting to 5V output voltage transformation function, and the output voltage ripple is less than 2%, when the output voltage is 5V, the power efficiency is more than 85%, when the output voltage is 2V, the power efficiency is more than 75%. When the input current is constant, as the input voltage change from 6V to 12V, maintaining a constant input current at 1A, besides, the adjusting time is less than 1s. The system has fast adjusting-speed, high precision, low power consumption, low load regulation and high efficiency and etc. advantages.

Keywords: STM32 DC-DC power supply IRF540N Sepic chopper

目录

摘 要

………………………………………………………………………………………………1 一、设计要求

………………………………………………………………………………………4 二、系统方案设计与论证

……………………………………………………………………………………4 2.1 ………………………………………………………………………4 2.2

………………………………………………………………………………5 2.3 拓扑结构设计

………………………………………………………………………………5 2.4

………………………………………………………………………………7 三、理论分析与计算

………………………………………………………………………………7 3.1 DC-DC变换器稳压方法

………………………………………………………………………7 3.1.1 电感参数的计算

………………………………………………………………………8 3.1.2 ……………………………………………………………………………8 3.2

………………………………………………………………………………8 3.3 稳流方法

……………………………………………………………………………………8 3.4 ……………………………………………………………………………………8 四、电路与程序设计

………………………………………………………………………………8 4.1 电路图

………………………………………………………………………………………8 4.1.1 系统总体设计原理图及PCB图

…………………………………………………………8 4.1.2 ………………………………………………………9 4.2

……………………………………………………………………………9 4.2.1 变换器模块

………………………………………………………………………………9 4.2.2 ……………………………………………………………………………9 4.3

………………………………………………………………………………9 4.3.1

…………………………………………………………………………………9 4.3.2 控制回路采样信号的处理

………………………………………………………………9 4.3.3

………………………………………………………………9

4.4 ……………………………………………………………………………………9

………………………………………………………………………10 五、仿真与实验结果

………………………………………………………………………………10 5.1

…………………………………………………………………………………………10 5.2

………………………………………………………………………………10 5.3

……………………………………………………………………………………11 5.3.1 基本内容完成情况

……………………………………………………………………11 5.3.2

……………………………………………………………………11 六、心得体会

………………………………………………………………………………………12 七、参考文献

……………………………………………………………………………………12 附录

附件一 电路原理图及PCB图

……………………………………………………………………13 附件二 仿真原理图及波形

………………………………………………………………………14 附件三 部分源程序

………………………………………………………………………………15 附件四 仿真原理图及波形

………………………………………………………………………18 附件五 测试数据分析图线

………………………………………………………………………19

一、设计要求

1.1 设计任务

设计并制作一个6－12V直流电压输入的高效率DC-DC电源。

1.2设计内容

1.2.1基本要求

9V输入时，设计电路，使得在2欧姆负载上， （1）DC-DC开关电源输出电压5V；

（2）在输出电压为5V时，输出电压纹波小于2％；并尽可能减小输出电压纹波；

（3）在输出电压为5V时，DC-DC电源效率应大于85%；

（4）加入单片机控制，通过按键改变输出电压，以0.5V为步进，从5V输出到2V输出循环可调；

（5）在输出电压为2V时，效率大于75％； 1.2.2发挥部分

自选负载电阻大小，可通过长按按键，在输出电压恒定模式(LED灭)和输入 电流恒定模式（LED亮）间切换，由LED显示当前状态。

（1）在输入电流恒定模式下，当输入电压从6V到12V变化时，保持输入电 流恒定在1A；调整时间不超过1s，越短越好；

（2）在输入电流恒定模式下，短按按键，设定输入电流的大小在200mA和1A间切换；以200mA为步进；

（3）切换到输出电压恒定模式，更换负载电阻为500欧，调节输出电压为5V，尽可能提高电源的效率；

（4）减少器件使用的数量，降低成本；

二、方案与论证

2.1 系统总体方案设计

图一 系统总框图

通过按键控制输出电压，对Sepic电路的输入电流进行采样，将采样得出的值通过A/D送入STM32F103单片机，STM32F103单片机通过PID运算输出PWM，实现对开关管的导通与截止，从而控制主电路的电流值，达到所要求的电流比例，并且通过12864液晶显示。

2.2主控芯片选择

选择一：

MSC-51为8位单片机，价格低，技术成熟，但I/O口少，RAM、ROM容量小，需外接A/D，运算速度低，功耗高。

选择二：

采用STM32F103单片机，内部有非常丰富的资源，工作主频高，运算速度快，本身带有AD转换电路，程序易编写和调试，RAM、ROM空间大，指令周期短，具有强大的PWM输出功能，低电压供电，超低损耗，可以实现更高性价比的要求。

综上所述：选用选择二即STM32F103单片机作为主控芯片。

2.3拓扑结构设计

题目要求为6－12V直流电压输入，输出电压为5V的开关电源，故采用降压电路。 设计一：

选用Buck电路。如下图，当T导通时，电源E向负载供电，负载电压为E，当T关断时，负载电压近似为0，当电路工作达到稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，故能达到题目要求进行降压操作，但稳定电流操作对电流进行采样时会出现电流断续的情况，不利于电流采样。

图a Buck电路

设计二：

选用Cuk电路[1]。IGBT处于通态时，E L1 V回路和R L2 C V回路形成通路流过电流。当IGBT处于断态时，E L1 C VD回路和R L2 VD回路形成通路。电路也具有升降压的功能，而且其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，没有阶跃变化，有利于对输入、输出进行滤波。但是，Cuk斩波电路输出电压与输入电压方向相反，若在电路中添加反相器，会使电路变得繁琐，功耗变大。

图b Cuk电路

设计三：

选用Buck-boost变换器[1,4]。该电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量。同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放。可见，负载极性与电源极性相反。同样存在极性相反的问题，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

图c Buck—boost电路

设计四：

选用Sepic斩波电路[1,4]。Sepic电路的基本工作原理为：当处于通态时，电源向电感一供电，电容一释放能量向电感二充电，当开关管断开时，电源、电感一同时向负载供电，电容一储存电能，电感二也向负载提供能量。Sepic斩波电路既能升压又能进行降压操作，在此系统中我们使用的是其降压功能。Sepic电路具有输出连续电流特点，方便进行电流采样，同时，负载电流是脉冲波形，有

利于输入滤波。

图d Sepic电路

综上所述，选用设计四作为主电路的拓扑结构。有利于达到稳定输入电流的效果。

2.4提高效率设计

开关管，电感电容的选择很重要。开关管要注意导通压降、开关速率、额定电流。电感要注意在设定频率下工作是否会饱和。电容要注意耐压。各器件的额定电流值尽量大于导通电流的两倍以上。主通路线路尽量粗，减少导通电阻。

设计一：

此电路中选用耦合电感来代替Sepic电路中的两个单个电感，是因为耦合电感具有更少的组件数目、更佳的集成度以及相对于使用两个单个电感来说有更低的电感要求。另外，耦合电感可受益于漏电感，可降低AC电流的损耗。

设计二：

采用开关管代替经典Sepic电路中的二极管。由于电路导通时二极管相当于一个等效电阻，会消耗一定的能量，不利于提高效率。而开关管导通时相当于完全导通，没有压降，可降低损耗，利于提高效率。

综上所述，选用设计一和设计二结合作为提高效率设计。

三．理论分析与计算

3.1 DC-DC变换器稳压方法

此系统主电路采用Sepic斩波电路，如上图二所示。在此图中，开关导通时，电源与电容C5向电感供电，电感储存能量；开关管截止时，电源、电感同时向负载供电，也向电容C5充电。在主电路中选用耦合电感是为了减小输入电流的纹波，有利于稳定输入电流，同时能减少材料的使用，降低成本。 3.1.1 电感参数的计算[1,4]

电感的选择是在综合考虑电感的品质因数、电路的工作频率、是否饱和、最大纹波电流、输出电流连续且电路输出电流为2.5A等因素后，在Sepic电路中选用额定为2.5A的400μH的耦合电感。

3.1.2 纹波的滤除[1,4]

纹波主要是由于开关管开、关而产生的高次谐波噪声。此次项目采用电容滤波的原理滤除纹波。截止频率为

fL=2πRC （1） 则通过开关频率f的计算可得出耦合电感值的大小。此电路是利用并联的两个大电容一个小电容来滤除纹波。

3.2电流电压检测

在此系统中电压的检测采用传统的电阻分压采样，相比于其他方式采样，传统电阻分压采样成本低，性能稳定，结构简单，方便接线。电流的检测采用INA282芯片采样，由于输出电流比较小，且纹波较大，采用此方式对输出电流进行采样能够有效地放大输出电流，并减小纹波电流对输出电流的影响，采样结果较为精确。

3.3稳流方法

此套系统通过电压、电流采样反馈到PWM控制器进而反馈到单片机，从而稳定电流。通过光耦与开关管IFR540相连的单片机根据实测电流与理论值的差改变PWM波的占空比，来控制开关管的导通频率。这个环路一直循环，直至并联支路电流分配到指定的比例。

3.4保护方法

系统中采用软件来实现过流保护，通过AD采样获得的电压值，在软件中判断若电流值高出最大电流3A一定次数，则降低至很小的占空比，直至电流降低到正常范围，再在一定的基础上逐渐增加占空比，这种过流保护方法灵敏，效率较高。

四、 电路与程序设计

4.1 电路图

4.1.1系统总体设计原理图及PCB图

该主电路采用Sepic斩波电路，采用了400μH的耦合电感，应用电容滤波的原理滤除纹波，来稳定输入电流。通过按键控制输出电压，电压采样采用的是电阻分压采样，电流则采用INA282采样，反馈到单片机，通过改变开

关管的占空比，来控制开关管的导通频率，以此实现电流分配。 4.1.2 辅助电源供电系统及驱动电路图

辅助电源（附件二）中TPS5430将电压转换成5V，供电给单片机，从而使单片机通过PID运算输出PWM波。驱动电路中的IR2101则采用场效应管来驱动开关管, 实现对开关管的导通与截止，从而控制主电路的电流值。

4.2 主电路器件设计

4.2.1 变换器模块

通过分立元件MOS管和电感的组合，外加PWM控制的灵活变换，检测输出电压、电流的变化，从而改变输出PWM的占空比，实现对开关管的导通与截止，控制主电路的电压与DC-DC支路的电流。 4.2.2 二极管的选用

用整流二极管对DC-DC的效率影响很大，虽然普通二极管也能使DC-DC电路工作正常，但会降低5%-10%的效率，所以选择正向电流为3A、反向耐压为40V、正向压降小于等于0.55V、反向漏电流小于等于500uA的肖特基二极管IN5822。

4.3 控制电路设计

4.3.1 采样电路

采样电路采用了INA282芯片，在此电路中测量输出电压，通过一定的采样处理反馈到单片机中，进行脉宽控制。见下图。

（a） （b）

图三：采样电路设计 （a）为INA282电流采样（b）为分压电阻采样

‘

4.3.2 控制回路采样信号的处理

采样后电压和电流分别经过电容滤波后由STM32F103进行AD采样，单片机将采集信号进行PID运算后转化为一路PWM控制信号，同时STM32F103将输出信号通过12864液晶进行电压电流实时显示。 4.3.3 场效应管驱动器件的使用

场效应管的驱动芯片采用驱动器件IR2101，目的主要是保证控制信号占空比的稳定，减小主电路受到的噪声干扰，IR2101输出电压到场效应管的GS极两端的电压为15V，可达到很好的开关效果。

4.4 程序设计

AD采样，由对比产生PWM波，来控制开关管，以

实现对电路的闭环控制。然而当被控对象的结构和参数不能完全掌握，获得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用。在这种情况下，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，PID控制技术是最好的选择。程序设计中巧妙地运用了PID算法，使系统可以正常运行。

系统通过按键值处理和

图四：程序运行图

附： 部分源程序 见附件三

五、仿真与实验结果

5.1 仿真

我们先通过仿真软件SABER对设计的硬件电路进行仿真，再对仿真通过的

硬件电路进行开环调试，最后加入闭环，用虚拟示波器上位机软件对各个PID运算参数进行校正。整个测试过程中，电流表分别连入输入端和两个DC-DC及总主电路的输出端，电压表并入输入端和负载输出端，调节负载的值（负载采用滑动变阻器），使DC-DC模块在额定功率12.5W，输出电压在4.9V—5.1V之间，测量输入输出电流电压，并计算效率，软件调节PWM控制开关管，以保证输出

电压纹波小于2%。仿真原理图及波形见附件四。

5.2 部分测试数据

表一 输出电压理论值与采样值的比较

表二 输入电压变化时输出电压及输入电流的变化

附：

见附件五

5.3结果分析

经过反复调试与计算，我们完美完成了基本和发挥部分。 5.3.1 基本内容完成情况

5.3.2 发挥部分完成情况

自选负载电阻大小，可通过长按按键，在输出电压恒定模式(LED灭)和输入电流恒定模式(LED亮)间切换，由LED显示当前状态。

六、心得体会

本设计完成了题目的基本要求部分，并基本做到符合发挥部分的要求，但仍存在一些需要改进的地方，设计的小巧简洁，电路的硬件保护，改进后性能应该会进一步提高，也希望老师给出宝贵的意见。在这次的项目设计中，我们选用了以前没涉及过的Sepic电路，对于这样一个新的电路，我们一步步的摸索它的各种特性，虽然遇到过难题，但是通过我们的不懈努力，最终都一一解决了。挫折只会让我们坚定目标，激励我们勇往直前，我们相信，只要努力就一定能将它克服。经过这次项目培训，我们增强了协作精神和通过实践解决问题的能力，加深理解了理论和实践相结合的重要性。相信我们在以后的学习和工作中会不断提高。

七、参考文献：

[1] 王兆安 刘进军 电力电子技术（第五版）[M] 北京 机械工业出版社（2009-05出版） [2] 童诗白 华成英 模拟电子技术基础（第四版）[M] 北京 高等教育出版社（2006-05出版） [3] 张占松 蔡宣三 开关电源的原理与设计（第一版）[M] 北京 电子工业出版社（1998-07出版） [4] 蒙博宇 STM32自学笔记（第一版）[M] 北京 北京航空航天大学出版社（2012-02出版）

[5] 张敏霞 孙丽凤 王秀鸾 C语言程序设计教程（第2版）[M]北京 电子工业出版社（2010-03出版） [6] 阎石 数字电子技术基础（第五版）[M] 北京 高等教育出版社（1981-01出版）

附录

附件一 电路原理图及PCB图

1、主电路图

2、PCB图

附件二 辅助电源供电系统及驱动电路图 返回

辅助电源供电系统

驱动

附件三 部分源程序 返回

#include "stm32f10x_lib.h" #include "public.h"

extern int Sign,m,n,Sign1,Sign2; double Voltage=5.0,Current=1.0;

void TIM1_Configuration(void);

void Delayms(int x) {

int i,j;

for(i=0;i<x;i++) for(j=0;j<500;j++); }

void Diplay_12864(int x);

void keyscan1() {

u32 key;

key=GPIOA->IDR; key=key&0x10;

if(key!=0x10) //判断是否又建按下

Delayms(10);

key=GPIOA->IDR; key=key&0x10; if(key!=0x10) { key=GPIOA->IDR; key=key&0x10; TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); while(key!=0x10) {

key=GPIOA->IDR; key=key&0x10; if(m>25) { Voltage=5.0; Current=1.0; GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, (BitAction)(1 GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0)));

-

Sign=0; if(Model==1)Model=2; else Model=1; TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); m=0, Diplay_12864(Model); } } } TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); }

int main(void) {

Module_Init(); Diplay_12864(1); while(1) { keyscan1();//Get_Out_V(); //PID_Control_V(); if(m>0 && m<25) { if(Model==1) { //CCR_Val+=100; //TIM1->CCR1 =CCR_Val; if(Voltage>2)Voltage-=0.5; else Voltage=5.0; Diplay_12864(5); } else { //CCR_Val-=100; //TIM1->CCR1 =CCR_Val; if(Current>0.4)Current-=0.2; else Current=1.0; Diplay_12864(6); } m=0; } if(Model==1) { Get_Out_V();

if(Sign2==1){PID_Control_V();Sign2=0;} TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); if(n==1) { // Diplay_12864(3); //GPIOC_3采输出电压

n=0; } } else { Get_In_C(); if(Sign1==1){PID_Control_C();Sign1=0;} //PID_Control_C(); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //GPIOC_4采输入电流 if(n==1) { //Diplay_12864(4);

n=0; } } } }

附件四 仿真原理图及波形 返回

1、仿真原理图

2、波形

附件五 测试数据分析图线 返回

率

效

2

2.5

3

3.54

4.5

5

Uo(V)

U

率

效678

9

101112

Ui(V)

Ui

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/khc4.html