厲俊　鄭佳蕙

摘? 要：本設(shè)計以STM32單片機(jī)為主控元件產(chǎn)生PWM脈沖，雙向DC/DC電路為核心電路，利用以IR2103芯片為主的驅(qū)動電路控制雙向DC/DC電路中場效應(yīng)管的開關(guān)。電路采用閉環(huán)反饋控制，高精度的INA282作為采樣電路核心芯片輸出反饋信號，單片機(jī)根據(jù)反饋信號對PWM做出調(diào)整，對并聯(lián)供電系統(tǒng)的輸出電流電壓進(jìn)行穩(wěn)定的步進(jìn)調(diào)整，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出及電流的不同比例分配。該系統(tǒng)的輸出誤差和負(fù)載調(diào)整率低，具有過流保護(hù)功能，經(jīng)測試系統(tǒng)能輸出穩(wěn)定直流電壓8V，電流誤差絕對值小于2%，供電效率達(dá)到70%以上。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);開關(guān)電源;并聯(lián)供電;過流保護(hù);比例分配

中圖分類號：TP242? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In this design，the STM32 MCU is used as the main control component to generate the PWM pulse.The bidirectional DC/DC circuit is the core circuit.The drive circuit based on the IR2103 chip is used to control the switch of the FET in the bidirectional DC/DC circuit.The circuit adopts closed-loop feedback control.The high-precision INA282 is used as the sampling circuit core chip to output the feedback signal.The MCU adjusts the PWM according to the feedback signal，and performs stable step adjustment on the output current and voltage of the parallel power supply system to achieve the regulated output and distribute different proportions of current.The system has low output error，low load regulation，and an overcurrent protection function.The tested system can output a stable DC voltage of 8V.The absolute value of the current error is less than 2%.The power supply efficiency is over 70%.

Keywords：STM32 single-chip microcomputer;switching power supply;parallel power supply;overcurrent

protection;proportional distribution

1? ?引言（Introduction）

隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，直流電源供電系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、儀表儀器測量、航天軍事、計算機(jī)控制和日用家居等領(lǐng)域。在直流電源的實際使用過程中，各種負(fù)載對于電源的要求越來越高，當(dāng)單臺電源不能提供負(fù)載持續(xù)工作的全部容量時，就需要多個直流電源模塊并聯(lián)使用，以提高電源的容量、功率、精度和運(yùn)行的可靠性。由于電源各自參數(shù)的差異性，使得各個電源的輸出電壓和內(nèi)阻均會存在差異，當(dāng)其中一個電源發(fā)生故障，其他電源往往處于重載工作狀態(tài)[1]，無法滿足電源的穩(wěn)定性和安全性的要求。因此將多個小功率開關(guān)電源[2]模塊以“積木式”并聯(lián)組合起來，較單個大功率電源系統(tǒng)有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活性高、效率更佳和方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計了利用STM32單片機(jī)控制，以雙向DC/DC電路為核心電路的開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。本供電系統(tǒng)對輸出電壓電流進(jìn)行采樣檢測，反饋至單片機(jī)閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)輸出電壓恒定和電流成比例分配的功能。并采取過流保護(hù)措施，保證電源模塊不會損壞，極大地提高了并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2? 并聯(lián)供電系統(tǒng)總體設(shè)計（Parallel power supply system overall design）

本系統(tǒng)由兩個DC/DC電源并聯(lián)模塊、單片機(jī)控制模塊、電壓電流采樣檢測和過流保護(hù)模塊等部分組成。輸入的24V直流電壓通過兩個額定功率均為16W，輸出電壓為8V的DC/DC并聯(lián)電源模塊降壓，利用STM32產(chǎn)生PWM脈沖，高精度的INA282作為采樣電路核心芯片輸出反饋信號，單片機(jī)根據(jù)反饋信號對PWM做出調(diào)整，對并聯(lián)供電系統(tǒng)的輸出電流電壓進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，電路采用閉環(huán)反饋控制[3]，極大地提高了并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)高精度調(diào)控。該系統(tǒng)的輸出誤差和負(fù)載調(diào)整率低，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能很好地輸出穩(wěn)定直流電壓8V，實現(xiàn)兩路電流不同比例的分配，且各模塊電流誤差絕對值小于2%，系統(tǒng)總體供電效率達(dá)到70%以上，并且當(dāng)系統(tǒng)的總電流超過設(shè)定值4.5A時，會啟動過流保護(hù)及自動恢復(fù)功能。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

3? 并聯(lián)供電系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計（Hardware circuit design of parallel power supply system）

3.1? ?主控模塊單片機(jī)的選用

采用超低功耗的STM32單片機(jī)作為開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的核心主控模塊，STM32是低電壓、低功耗、高性能的ARM Cortex-M內(nèi)核[4]的32位微控制器。STM32外設(shè)豐富，功能齊全，有高達(dá)112個的快速I/O端口、13個通信接口、11個定時器、3個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器和2個通道12位的D/A轉(zhuǎn)換器，相對于其他單片機(jī)而言，低能耗、集成廣、主頻高、操作簡單、適應(yīng)強(qiáng)、調(diào)試方便、穩(wěn)定性高。它能通過內(nèi)置定時器產(chǎn)生占空比不同的PWM波，改變PWM波的頻率，實現(xiàn)實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

3.2? ?DC/DC核心控制電路的設(shè)計

本系統(tǒng)的核心電路主要為兩個雙向DC-DC電路并聯(lián)構(gòu)成的供電系統(tǒng)。輸入直流電壓，通過DC-DC并聯(lián)結(jié)構(gòu)降壓，經(jīng)STM32芯片采樣、控制和調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的直流電壓。

一個雙向DC-DC電路可以看作可由兩個單向DC-DC變換器反向并聯(lián)而得，進(jìn)而更高效的實現(xiàn)高壓能量端與低壓端之間的雙向流動。DC/DC模塊并聯(lián)原理圖如圖2所示。

本文中研究所用到的是其中的Buck降壓電路端。相比于純Buck電路，它的優(yōu)點(diǎn)在于二極管兩端并聯(lián)了一個MOS管，自舉回路[5]不會變成低阻回路，解決了電路在小電流時無法滿足 （其中D為占空比）的線性條件。圖3為DC/DC模塊并聯(lián)電路圖。

STM32單片機(jī)分別給兩個DC/DC電路各提供一路可調(diào)占空比（D）和頻率的PWM調(diào)制信號，兩路PWM信號分別通過以IR2103芯片為核心的驅(qū)動電路，各產(chǎn)生兩路頻率相同、相位互反的增強(qiáng)PWM，用以驅(qū)動DC/DC電路上的四個MOS管，來實現(xiàn)輸出電壓大小的變化。

如果對上下兩個DC/DC電路同時進(jìn)行電壓和電流的操控，就難以平衡輸出電壓的大小和電流的分配。因此，針對電壓和電流兩個指標(biāo)，將兩個DC/DC電路拆分為一個恒壓源和一個恒流源分別進(jìn)行控制。在穩(wěn)壓源輸出電壓穩(wěn)定的情況下，并聯(lián)總電壓大小必定穩(wěn)定;在總電流一定，恒流源輸出電流恒定的情況下，另一路的電流必定也被鉗制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動。

3.3? ?DC/DC核心控制電路的設(shè)計

采樣電阻采用電阻極小、有較寬的使用溫度范圍的康銅絲，利用康銅絲上通過的電流轉(zhuǎn)換為微弱的電壓，從而能夠準(zhǔn)確地反映出電路中電流的微小變化。但數(shù)量級較小的采樣電壓易與電路自帶的電壓波動混淆，無法輸入單片機(jī)進(jìn)行精確的數(shù)值讀取。因此必須將采樣電壓放大后再輸入STM32單片機(jī)，減少噪聲對其精確性的干擾。

INA282是TI公司生產(chǎn)的一款高精度，寬共模輸入范圍[6]的雙向電流檢測器。該芯片為內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。使用INA282作為采樣電路的核心芯片，通過它將采樣電流穩(wěn)定放大約50倍，將放大的輸出電壓經(jīng)可調(diào)電阻進(jìn)行分壓，保證最大的輸出電壓在3.0V左右，低于STM32單片機(jī)可承受的最大輸入電壓3.3V。采樣電路原理圖如圖4所示。

4? 并聯(lián)供電系統(tǒng)的軟件設(shè)計（Software design of parallel power supply system）

并聯(lián)供電系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Keil5作為開發(fā)平臺，用于處理采樣收集的反饋數(shù)據(jù)和實時改變單片機(jī)輸出的調(diào)制信號。系統(tǒng)程序采用模塊化方式設(shè)計，主要包括三通道ADC采樣[7]，電流分流比例調(diào)整，PWM波占空比實時調(diào)整等，根據(jù)流程圖各功能模塊的算法程序設(shè)計：在程序開始對各功能模塊進(jìn)行初始化，啟動并聯(lián)供電系統(tǒng)開始工作。當(dāng)電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，調(diào)整負(fù)載以改變總電流大小，STM32單片機(jī)不停地檢測與采樣電路輸出相連的單片機(jī)I/O口，一旦查詢到I/O口有信號，就進(jìn)入相應(yīng)的子程序其執(zhí)行程序，控制PWM波的輸出情況，實現(xiàn)穩(wěn)壓分流的最終效果。圖5為并聯(lián)供電系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

4.1? ?PWM波的輸出

雙向DC-DC電路的輸出電壓大小除了與輸入電壓有直接關(guān)系外還與通斷MOS管的PWM波的占空比有關(guān)，單片機(jī)通過引腳上的I/O口輸出PWM信號，在輸入電壓給定的情況下用以驅(qū)動DC/DC電路上的兩個MOS管來實現(xiàn)輸出電壓大小的變化。初始化程序片段如下：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;

//設(shè)置在下一個更新事件裝入活動的自動重載寄存器周期的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;

//設(shè)置用來作為TIM1時鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上計數(shù)模式

脈沖寬度調(diào)制模式可以生成一個PWM信號，該P(yáng)WM信號頻率由ARR寄存器值決定，其占空比則由CCR寄存器[8]值決定。程序片段如下：

void TIM_SetCompare3（TIM_TypeDef* TIMx， uint16_t Compare3）

{

assert_param（IS_TIM_LIST3_PERIPH（TIMx））;

TIMx->CCR3=Compare3;

}

4.2? ?穩(wěn)壓源PWM波實時調(diào)整

單片機(jī)實時改變PWM波的占空比，實現(xiàn)輸出電壓大小的變化，從而控制電壓或電流。

依據(jù)Buck電路（其中D為占空比）的公式，當(dāng)檢測到輸出電壓小于設(shè)定值，則增大PWM波的占空比來增大接下來的輸出電壓;反之，減小PWM波的占空比。以下為在主函數(shù)內(nèi)穩(wěn)壓源端PWM波動態(tài)調(diào)整以穩(wěn)定電壓在設(shè)定范圍內(nèi)的程序片段：

int main（void）

{

u16 adcx，adcy，adcz;? //adcx穩(wěn)壓源電壓采樣，adcy恒流源電流采樣，adcz總電路電流采樣

TIM1_PWM_Init（9999，0）;? //定時器兩路PWM對應(yīng)IO口PA8，PA9

Adc_Init（）;

u16 zhankongbi1=3850;? //恒流源一路PWM1的占空比

u16 zhankongbi2=3800;? //穩(wěn)壓源一路PWM2的占空比

u16 z1，z2;? ? //根據(jù)總電流大小調(diào)整，設(shè)定范圍z，其中z1是最小值，z2是最大值

TIM_SetCompare3（TIM1，zhankongbi1）;

while（1）

{

adcx=Get_Adc_Average（ADC_Channel_0，255）;

//獲取穩(wěn)壓源的采樣? //轉(zhuǎn)換值adcx=采樣值*

4096/3.3

if（adcx>2340）? //輸出電壓8V的轉(zhuǎn)換值在2300-2340之間

{? zhankongbi2-=5;

TIM_SetCompare4（TIM1，zhankongbi2）;

}

if（adcx<2300）

{? zhankongbi2+=5;

TIM_SetCompare4（TIM1，zhankongbi2）;

}

}

4.3? ?ADC采樣監(jiān)測

單片機(jī)通過ADC通道獲取采樣電壓，通過短時間內(nèi)多次采樣取平均值[9]得到相對準(zhǔn)確的數(shù)值。程序片段如下：

u16 Get_Adc_Average（u8 ch，u8 times）

{

u32 temp_val=0;

u8 t;

for（t=0;t

{temp_val+=Get_Adc（ch）;

delay_ms（5）; }

return temp_val/times;

}

4.4? ?比例確定及步進(jìn)逼近

單片機(jī)從I/O口接收到的反饋電壓信號通過轉(zhuǎn)化公式： 轉(zhuǎn)化成adc采樣值進(jìn)行比較。由于硬件電路具有自帶的噪聲波，導(dǎo)致必定會產(chǎn)生不可避免地誤差，因此本研究通過步進(jìn)加減[10]改變PWM占空比使反饋值不斷逼近計算結(jié)果得到的adc值，使反饋得到的adc值重復(fù)進(jìn)入子程序自動調(diào)整，最后在一個小區(qū)間范圍內(nèi)穩(wěn)定波動。以下為查詢步進(jìn)式調(diào)整恒流源端PWM信號占空比的函數(shù)adjcurrent（）。

void adjcurrent（int z1，int z2）

{

if（adcy>z2）

{ zhankongbi1-=5;

TIM_SetCompare3（TIM1，zhankongbi1）;}

if（adcx

{ hankongbi2+=5;

TIM_SetCompare3（TIM1，zhankongbi1）;}

}

在主函數(shù)內(nèi)需要根據(jù)采樣得到的總電流采樣值adcz確定均流需要調(diào)整的比例，當(dāng)adcz進(jìn)入一個設(shè)定范圍，就默認(rèn)其總電流達(dá)到了一個確切值，通過判斷語句后進(jìn)入子程序。子程序內(nèi)根據(jù)總電流采樣值adcy要逼近的計算值預(yù)設(shè)定了其允許波動的上下限值z1、z2，根據(jù)極值z1、z2調(diào)用執(zhí)行adjcurrent（）調(diào)整電路。

if（adcz>=3100&&adcz<3140）

{z1=2520;z2=2350;

adjcurrent（z1，z2）;}

4.5? ?過流保護(hù)

當(dāng)調(diào)整負(fù)載后總電流值超過4.5A時，單片機(jī)的采樣值adcz經(jīng)過判斷后進(jìn)入子程序，在子程序內(nèi)設(shè)置兩路PWM信號的占空比為零，此時相當(dāng)于單片機(jī)的I/O口沒有調(diào)制信號輸出，電路沒有驅(qū)動信號不工作。延時6秒，在期間手動將負(fù)載阻值擴(kuò)大，防止再過流，6秒過后PWM波恢復(fù)輸出且占空比為重新設(shè)定的初值。

以下為過流保護(hù)的程序片段：

if（adcz>1240）? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//判斷過流

{? ? zhankongbi1=0;? ? ?//過流保護(hù)

zhankongbi2=0;

int i;

for （i=1;i<=6;i++）? ? //延時6秒

{ delay_ms（10000）;}

zhankongbi1=2000;

zhankongbi2=2000;? //自動恢復(fù)

}

5? ?測試方案與結(jié)果（Test plan and results）

通過多次測試和誤差計算，實際測試效果均達(dá)到并超出預(yù)期指標(biāo)，測試結(jié)果如表1所示。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文設(shè)計了一款以雙向DC-DC電路為核心的開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)，通過以INA282芯片為主要器件的采樣放大電路，將取得的電壓反饋給STM32單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器[11]進(jìn)行采集，軟件部分通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM給模塊提供控制電壓，對硬件進(jìn)行控制，構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了并聯(lián)電路的電壓穩(wěn)定輸出、按比例調(diào)節(jié)分流和過流保護(hù)的功能。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)供電系統(tǒng)的效率不低于70%，在指定比例下的電流誤差絕對值不大于2%，過流保護(hù)調(diào)試時偏差在±0.2A以內(nèi)，驗證了本文所述電路參數(shù)的正確性及控制策略的可行性。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 彭漢瑩，王宇，韓改寧，等.基于單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件工程，2017，20（02）：40-43.

[2] 張津楊，司吉旗.基于STM32單片機(jī)的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)[J].南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，14（04）：38-41.

[3] 張可兒，薛彪.開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].世界有色金屬，2016（05）：28-31.

[4] 陳小橋，陳慧，李俊，等.一種高精度開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的研究[J].實驗室研究與探索，2015，34（09）：103-106.

[5] 鄧興旺.基于DSP的并聯(lián)DC/DC變換器數(shù)字均流技術(shù)研究[D].西安科技大學(xué)，2015.

[6] 付英劍，秦慶磊.一種開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（15）：154-155.

[7] 孫武，馬旭東，朱向冰，等.數(shù)字化開關(guān)電源均流技術(shù)研究[J].電子世界，2014（07）：14-15.

[8] 白炳良，周錦榮.基于單片機(jī)的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2013，26（06）：58-60.

[9] 羅巍，楊彥斌.任意比例分流的并聯(lián)開關(guān)電源供電系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2013（04）：51-54;225.

[10] 肖衛(wèi)初，陳偉宏.一種高效率的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)研制[J].控制工程，2013，20（03）：452-455.

[11] 易映萍，楊堅，姚為正.DC/DC開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)均流控制研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（09）：64-66.

[12] 周永漢，陳統(tǒng)，祝帥，等.開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（03）：121;123.

[13] 皮波，杜宇飛.基于TLP250的開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（11）：67-71;74.

作者簡介：

厲? ?。?999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電子技術(shù)及信息科學(xué)，電力電子技術(shù).

鄭佳蕙（1999-），女，本科生.研究領(lǐng)域：電子技術(shù)及信息科學(xué)，電力電子技術(shù).